2024, Vol. 54
2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100
研究表明，云覆盖了地球大约三分之二的面积，对地球上水的循环以及地气系统之间的辐射收支平衡起到至关重要的作用[1-4]。1803年，英国气象学家卢克·霍华德(Luke Howard)发表了《论云的变化》(On the Modification of Clouds)一文，他根据云的外观形态及在天空中的位置定义了三大类云：卷云(Cirrus)、积云(Cumulus)和层云(Stratus)，这是目前可以追溯到最早的基于拉丁语的国际云分类体系[5]。
20世纪60年代后，随着气象卫星探测技术的发展，卫星观测覆盖的面积逐渐扩大，探测分辨率不断提高，越来越多之前传统观测手段无法发现的云被观测和记录。1962年TIROS Ⅴ号卫星拍摄到了夏威夷岛附近的一种具有特殊自组织结构形态的云，并将其命名为“射线状”云(Actinoform clouds)。1963年1月，这张卫星云图在《每月天气评论》(Monthly Weather Review)的专栏《月度图片》(Picture of the Month)第一期[6]上刊登，这是可以追寻到的关于“射线状”云的最早记录。2022年，Schultz与Potter撰写的《每月天气评论150年的回顾：它的历史、影响和遗产》[7]一文，再次引用上述卫星云图，时隔近六十年，这张卫星云图再次被提及，由此折射出“射线状”云的魅力及开展相关研究的重要意义。
虽然早在1962年“射线状”云就被发现，但相关研究几乎处于停滞状态。由于其经常被观察到与大气中中尺度细胞对流(Mesoscale cellular convection, MCC)伴随发生，因此早期开展相关研究的气象学家将其归类于海洋层积云系统(Marine stratocumulus cloud system, MSCS)[8-10, 4]，并认为其与MCC在发生位置[11-13]和发展机制[14-16]上存在着极大的相似性。正是因为气象学家并未将“射线状”云与MCC区分开来，所以早期工作重心几乎全部放在MCC的研究上，“射线状”云则几乎被遗忘。直到2004年Garay等[17]对天空中的浅层对流云——“射线状”云进行了研究，他发现了世界各地有超过50个易识别的“射线状”云个例，因此他认为“射线状”云并不罕见，并且其发生、发展与洋流有密切关系。Garay等[17]还针对2001年11月16日发生的一次“射线状”云个例进行了分析，指出“射线状”云是一类低云，其云顶高度很低，约1~2 km，水平范围属于中尺度的范畴，并初步分析了洋面上的“射线状”云的组织特点、发展机制、受影响因素以及对天气的影响。Comstock等[18]在研究东南太平洋上层积云的中尺度变化和对毛毛雨的影响时，也提到了这类海洋层积云中的“射线状”云，但并未对其开展深入的研究。2007年Nicholls和Young[19]对“热带树状”积云(Tropical dendritic cumulus)的结构和天气背景进行了分析，假设了一种较浅积云出现分支的发生机制，但其与“射线状”云的联系还有待进一步研究。
综上所述，“射线状”云是一类自然界确实存在，但尚未被严格定义和系统研究的天气现象。随着高分辨率气象卫星资料的不断投入使用，如今可用于“射线状”云研究的资料相当丰富。本文正是在此基础上通过对2017—2021年发生在太平洋上“射线状”云的基本特征及分布规律进行研究，了解其形成和演变的物理环境，为进一步深入研究其形成的物理机制打下基础。
1 资料和方法 1.1 资料 1.1.1 卫星资料本研究使用到了美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的Aqua卫星和Terra卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)可见光卫星云图、美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的第三代实用气象观测卫星NOAA-20以及NASA的Suomi NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)卫星携带的可见光红外成像辐射仪(Visible infrared imaging radiometer suite, VIIRS) 提供的可见光和红外卫星云图，时间分辨率1 d，下载地址为：https://worldview.earthdata.nasa.gov/。
NASA提供的MODIS Level-2级数据产品，水平分辨率为1 km，可以获得云顶气压、云顶高度以及云顶气温等二级产品数据，下载地址为：https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/archive/allData/?process=ftpAsHttp&path=allData。
卫星资料主要使用到的是Aqua卫星和Terra卫星上的MODIS传感器数据结果，两颗卫星均为近极地轨道卫星，可对全球进行观测。Terra卫星发射于1999年12月18日，卫星上共搭载有5个对地观测传感器，可同时采集地球大气、陆地、海洋和太阳能量平衡的信息，其中中分辨率成像光谱仪(MODIS)应用最为广泛，其观测空间分辨率涵盖1 000、500和250 m，通过36个波段重复观测整个地球表面，可得到云层变化和地球能量辐射变化等信息。Aqua卫星发射于2002年5月4日，在数据采集时间上与Terra卫星形成补充，携带包括MODIS在内的6个传感器，两颗卫星目前均处于正常运行中。
值得注意的是，Aqua卫星和Terra卫星受限于极地轨道卫星的共性，每天仅能够在特定的时间对观测区域进行一次观测，因此本研究的观测时段有一定的局限性。但由于“射线状”云的生命周期往往在1 d以上，因此从统计的角度来看极轨卫星资料可以满足本研究的需求。
1.1.2 ERA5客观再分析数据资料欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5客观再分析数据资料，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h，此数据集取代了ERA-Interim客观再分析数据，提供对过去80 a的全球气候和天气的再分析结果。相比于ERA-Interim数据，ERA5客观再分析数据在模式物理、动力核、数据同化方面均有改进，水平分辨率进一步提高，输出气象变量更加丰富，可以支持更为复杂和精确的气象分析[20]。
地球表面单层资料下载地址为：https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview。高空资料的下载地址为：https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels?tab=form。
1.2 方法本文采用的是时间插值方法：
由于“射线状”云个例发生时间多为非整点时刻，故采用拉格朗日(Lagrange)插值多项式法对整点时刻ERA5客观再分析数据进行时间插值处理，来逼近“射线状”云个例发生时刻。本文采用五阶拉格朗日插值多项式, 对个例发生前后各3 h共6个时刻的ERA5客观再分析数据进行插值处理, 计算公式如下:
| $ \begin{gathered} c_t(x)= \\ \frac{\left(x-x_1\right)\left(x-x_2\right) \cdots\left(x-x_{t-1}\right)\left(x-x_{t+1}\right) \cdots\left(x-x_n\right)}{\left(x_t-x_1\right)\left(x_t-x_2\right) \cdots\left(x_t-x_{t-1}\right)\left(x_t-x_{t+1}\right) \cdots\left(x_t-x_n\right)}, \end{gathered} $ | (1) |
| $ y(x)=\sum\limits_{t=1}^n c_t(x) \cdot y_t \text { 。} $ | (2) |
公式(1)为拉格朗日插值多项式的基函数(五阶插值取n=6)。式中：xt表示第t个整点时刻；x表示“射线状”云个例发生的非整点时刻。公式(2)为拉格朗日插值公式。式中yt表示第t时刻某一物理量的值。
2 “射线状”云基本特征鉴于目前国际学术界尚未对“射线状”云给出明确的定义，本文试图首先给出“射线状”云的定义：“射线状”云是一种有很强的自组织结构的浅层对流云系统，其形状呈近似圆形或椭圆形，有明显的云系中心和轮廓清晰的带状径向云臂(Banded radical cloud arms)由中心向外围四周伸展辐散，形状如海葵的触手，这种径向云臂被称作“Actiniae”，其词根“actino-”来自希腊语，意为“射线”的意思。
上述定义描述了一种具有很强自组织结构的发生在海洋上空的低云，其形态千奇百怪，包括圆形、椭圆形等。观测表明，“射线状”云个体间虽有很多共性但同时也存在较大的差异性。
本文统计了2017—2021年发生在太平洋上空的257个“射线状”云个例，并进行了详细的归类。从卫星云图上可以看出不同的“射线状”云个例之间存在一定的差异，本文将其归纳成四种类型，分别称为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类“射线状”云，其特征如下：
Ⅰ类“射线状”云：发生在浓密的层积云中，云系四周与浓密的层积云直接相连。Ⅱ类“射线状”云：云系自组织结构突出，旋转态势不明显，云臂细而长，且数量较多。Ⅲ类“射线状”云：云系旋转特征比较明显，且有明显的“眼”状结构。Ⅳ类“射线状”云：发生在北半球的“射线状”云，云系呈现较强的旋转态势。
图 1为Ⅰ类“射线状”云图，从图中可以看到两个“射线状”云个例均发生在东南太平洋、南美洲西岸浓密的层积云中，“射线状”云的四周与层积云直接相连，宛如在层积云中被“扣除”了一部分。这类“射线状”云的水平尺度一般较小，直径约200 km，面积约30 000 km2。这类“射线状”云的空间尺度决定了其云臂一般较宽且较短，在可见光云图上可以看出云臂的外端较明亮，几乎与层积云融为一体，云系中心处较暗，表明中心云层较周围更低，与层积云有明显区别。
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( (a)2019年8月24日南太平洋上空“射线状”云个例；(b)2019年8月26日南太平洋上空“射线状”云个例。(a) The actinoform cloud occurred over the South Pacific Ocean on 24 August, 2019; (b) The actinoform cloud occurred over the South Pacific Ocean on 26 August, 2019. ) 图 1 Ⅰ类“射线状”云卫星云图 Fig. 1 Satellite cloud imagery of type Ⅰ actinoform clouds |
图 2为Ⅱ类“射线状”云图。从图中可以看出两个个例均发生在东南太平洋上，相比于Ⅰ类“射线状”云具有更强的自组织结构。云系四周只有部分与层积云相连，甚至几乎与层积云脱离(见图 2(a))，该类“射线状”云的带状云臂数目较多，也更加细长，可从云系中心向外延伸更长的距离，故其水平尺度也较大。Ⅱ类“射线状”云往往都呈现出一定的旋转态势，云臂稍显弯曲，不再呈直线状向外围延伸。在可见光卫星云图上，云系中心与周围没有明显的亮度变化，表明从云系中心向外云顶的特征几乎无差异。
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( (a)2020年7月11日南太平洋上空“射线状”云个例；(b)2020年7月16日南太平洋上空“射线状”云个例。(a)The actinoform cloud occurred over the South Pacific Ocean on 11 July, 2020; (b)The actinoform cloud occurred over the South Pacific Ocean on 16 July, 2020. ) 图 2 Ⅱ类“射线状”云卫星云图 Fig. 2 Satellite cloud imagery of type Ⅱ actinoform clouds |
Ⅲ类“射线状”云如图 3所示，两个个例具有更为明显的旋转态势，云系中心甚至出现了超过一周的旋转特征，且出现有类似于“眼”的结构(见图 3(a))。
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( (a)2017年8月24日南太平洋上空“射线状”云个例；(b)2018年11月09日南太平洋上空“射线状”云个例。(a)The Actinoform cloud occurred over the South Pacific Ocean on 24 August, 2017; (b)The Actinoform cloud occurred over the South Pacific Ocean on 09 November, 2018. ) 图 3 Ⅲ类“射线状”云卫星云图 Fig. 3 Satellite cloud imagery of type Ⅲ actinoform clouds |
Ⅳ类“射线状”云如图 4所示，两个个例均发生在北太平洋上，相比于南半球，发生在北半球的“射线状”云数量较少，其自组织结构没有南半球个例那样典型, 部分个例也存在“眼”状结构(见图 4(b))。发生在北半球的“射线状”云均有明显的逆时针旋转态势，且旋转程度较南半球更大。
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( (a)2018年10月29日北太平洋上空“射线状”云个例；(b)2021年6月26日北太平洋上空“射线状”云个例。(a)The actinoform cloud occurred over the North Pacific Ocean on 29 October, 2018; (b)The actinoform cloud occurred over the North Pacific Ocean on 26 June, 2021. ) 图 4 Ⅳ类“射线状”云卫星云图 Fig. 4 Satellite cloud imagery of type Ⅳ actinoform clouds |
上述卫星云图均来自Aqua卫星和Terra卫星所搭载的MODIS成像光谱仪提供的125 m水平分辨率的可见光图像，从云图上可清晰地分辨出有强烈自组织结构的放射状云臂，同时MODIS云图也提供了关于“射线状”云水平尺度的信息。“射线状”云的水平尺度特征如图 5所示，以2018年11月9日发生在南太平洋上的“射线状”云为例，该个例形状近似圆形，利用Worldview网站(https://worldview.earthdata.nasa.gov/) 提供的测量工具得出：南北方向跨度约为317 km，东西方向跨度约306 km，云系面积约为54 106 km2。基于上述分析，有理由把“射线状”云归为中尺度天气系统。
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( (a)“射线状”云水平跨度尺度；(b)云系面积。(a)Horizontal lengths of the actinoform cloud; (b)Area for the actinoform cloud. ) 图 5 2018年11月9日“射线状”云系MODIS可见光卫星云图(Worldview网站提供) Fig. 5 MODIS satellite visible cloud imagery of the actinoform cloud on 9 November, 2018 (Provided by the Worldview Website) |
本研究对“射线状”云的统计采用主观识别的方法，利用极轨卫星拼接而成的全球可见光卫星云图，时间分辨率1 d，寻找满足“射线状”云定义的云系并记录。主要的识别规则如下：(1)云系呈近似圆形或椭圆形，有明显的中心(或眼)；(2)有清晰可辨的带状径向云臂由中心向四周延伸；(3)云系近似直径大于160 km，云系面积高于20 000 km2。依照上述规则，本研究在2017—2021年太平洋海域共识别有257个“射线状”云个例。
3.1 空间分布特征2017—2021年257个“射线状”云个例均发生在中低纬度的东南太平洋和东北太平洋上空，在中、东太平洋上空尚未发现“射线状”云个例。
图 6为257个“射线状”云个例的空间位置分布图。从图中可以看出，“射线状”云的空间分布具有明显的区域性特征，绝大多数的“射线状”云发生在低纬度的热带和副热带(35°S—35°N)海域上空，这与Garay等[17]得到的结论一致。进一步分析发现，北半球有50例“射线状”云且全部发生在中低纬度10°N—35°N之间；从东西方向看，均发生在大陆以西160°W—120°W范围内。南太平洋上空“射线状”云具有大致相同的分布特征，207例“射线状”云全部发生在30°S—5°S之间；从东西方向看，均发生在大陆西岸120°W—80°W的范围内。同时在图中也可看出，南北半球“射线状”云发生位置的空间分布有微小差异，北半球的“射线状”云分布较为离散和均匀；南半球分布较为密集且不均匀，越靠近低纬度地区，“射线状”云发生的频率越高。
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( 黑色圆点表示“射线状”云的发生位置。The black dots indicate the occurrence locations of actinoform clouds. ) 图 6 2017—2021年发生在太平洋上空“射线状”云的空间位置分布图 Fig. 6 Geographical distribution of all actinoform clouds over the Pacific Ocean from 2017 to 2021 |
值得注意的是，很难在赤道附近5°S—10°N的范围内发现“射线状”云的存在，猜测可能的原因是，在“射线状”云多发的6—8月份，太阳的直射位置在赤道略偏北，致使该区域盛行上升气流，不利于“射线状”云的维持和发展。
3.2 时间分布特征图 7为257个“射线状”云个例发生时间逐月分布统计图。从图中可知，“射线状”云发生时间可划分为三个时段，分别为：高频月份(6、7和8月)、中频月份(5、9、10和11月)、低频月份(1、2、3、4和12月)。“射线状”云个例发生在高频月份的有193个，约占总数的75%，最多的是8月份，共82个。发生在低频月份的有9个，占总数的3.5%。最少的是4月份，尚未发现“射线状”云。除4月份外各月均有“射线状”云发生，表明“射线状”云是全年各季节均可发生的现象，而季节对“射线状”云的影响体现在不同季节的环境因素变化，影响其发生频率。
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图 7 2017—2021年“射线状”云发生个数逐月统计图 Fig. 7 Monthly distributions of occurrence number of all actinoform clouds from 2017 to 2021 |
考虑到南北半球“射线状”云有所差异，本文分别统计了南半球和北半球“射线状”云的月份分布(见表 1)。从表 1可见，3—11月之间，南太平洋上空发生个数多于北太平洋上空，且6、7、8月相差最大，最大差别可达78个(8月)，这段时期对应南半球冷季。12、1、2月3个月中，北半球发生的“射线状”云个数要多于南半球，这段时期对应北半球的冷季。由此可推论冷季更有利于区域内“射线状”云的发生，这一规律在南北半球都是适用的。
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表 1 2017—2021年南北半球“射线状”云个数的逐月分布以及相同月份南北半球个数差值统计 Table 1 Monthly distribution of occurrence number of all actinoform clouds over the Southern and Northern Hemispheres from 2017 to 2021 and the number difference between Northern and Southern Hemispheres in the same month |
分析发现，257个“射线状”云个例中大部分存在明显的旋转特征。本文统计了全部257个“射线状”云个例的旋转情况①，并在位置分布图上按照旋转情况进行分类(见图 8)。结果表明，北半球的50个“射线状”云个例全部有明显的顺时针旋转特征。南半球的“射线状”云往往有逆时针的旋转特征，但比例较低，统计得出207个“射线状”云个例中仅有58个有逆时针旋转特征。此外，在南半球尚未发现有顺时针旋转特征的个例，在北半球也未发现有逆时针旋转特征的个例。
① 由于统计依据是MODIS网站提供的单时刻卫星图像，因此统计结果也仅仅代表极轨卫星恰好拍摄到的时刻的统计结果。Since the statistics are based on single-moment satellite image provided by the MODIS website, the statistics are only representative of the moments captured by the polar-orbiting satellites.
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( 红色加号表示有逆时针旋转特征的“射线状”云个例；蓝色实心圆表示未发现旋转的“射线状”云个例；紫色三角表示有顺时针旋转特征的“射线状”云个例。Red plus signs indicate the presence of counterclockwise rotating actinoform clouds. Blue dots indicate the absence of rotating actinoform clouds. Purple triangles indicate the presence of clockwise rotating actinoform clouds. ) 图 8 2017—2021年太平洋上“射线状”云个例的旋转情况分布图 Fig. 8 Rotation features of all actinoform clouds over the Pacific Ocean from 2017 to 2021 |
图 8表明，北半球“射线状”云个例都发生在10°N以北距赤道较远的海域上空，南半球无旋转特征的“射线状”云个例，相比于有逆时针旋转特征的“射线状”云更趋向于在低纬度海域集中分布，南北半球这样的分布特征都昭示了科氏力影响因素的存在。在旋转的地球上，所有运动着的物体都受到科氏力的影响，北半球运动着的物体受到科氏力的影响向运动方向右侧偏转，南半球物体受到科氏力的影响向左偏转，赤道上无偏转。科氏力的大小与纬度有关，距离赤道越近，受到科氏力影响也就越小。对应到“射线状”云上，越靠近赤道，云越趋向于无旋转特征；远离赤道，北半球“射线状”云云臂均向右侧弯曲而产生顺时针的旋转特征，南半球“射线状”云云臂均向左侧弯曲而产生逆时针的旋转特征。
综上所述，从简单定性的角度来分析，“射线状”云受到科氏力的影响而产生云臂的弯曲，至今尚未发现不符合南北半球旋转特征规律的“射线状”云个例。而科氏力与“射线状”云个例旋转情况的对应规律也表明：“射线状”云独特的放射状云臂是由该高度处水平向外的辐散运动而产生的，这一推论也与本文后续的分析结论相一致。
4 典型个例分析 4.1 个例选择本文针对2020年5月22日发生在东南太平洋上一个典型“射线状”云个例的基本特征进行分析。图 9给出了2020年5月22日17:30 UTC的Terra卫星可见光卫星云图。
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( 图中红色实线A-B为后续剖面分析的剖线示意。The red solid line A-B in the figure is a schematic representation of the profile line for the subsequent profile analysis. ) 图 9 2020年5月22日17:30 UTC发生于南太平洋上的“射线状”云个例 Fig. 9 A typical actinoform cloud occurred over the South Pacific at 17:30 UTC 22 May, 2020 |
由于Terra卫星是极轨卫星，因此对同一区域每天只能提供一张可见光卫星云图，所以暂无法分析该个例的详细演变情况。在后续分析中，本文采用五阶拉格朗日时间差值的方法，将ERA5客观再分析数据的分析时间差值到卫星云图所对应的时间，以方便与同一时刻的卫星云图进行对比分析。根据NASA提供的可见光云图，该个例在被卫星扫到的时刻具有明显的中心以及清晰的向四周伸展辐散的带状径向云臂，满足“射线状”云的定义。同时该个例面积较大，约为130 000 km2，其基本特征和重要细节可以更好地被卫星云图和ERA5客观再分析数据刻画。
4.2 云顶特征分析卫星云图展示的是最直观的云顶信息，因此分析“射线状”云基本特征可从分析其云顶特征入手。根据MODIS传感器提供的水平分辨率1 km的L2级数据产品，可获得该“射线状”云个例的云顶高度场、云顶气压场和云顶气温场。
图 10(a)为MODIS反演得到的云顶高度场。从图中可看到该“射线状”云个例具有清晰的带状云臂由中心向四周辐散，该个例中心位置云顶高度与周围的云臂高度大致相同，并无明显的高度差。云顶高度最小值约为1 500 m，云系主体云顶高度约为1 800 m，由中心向外，云顶高度呈现轻微升高的趋势，云臂最外沿云顶高度可达2 500 m。
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( (a)云顶高度场的分布(填色, 单位: m); (b)云顶气压场的分布(填色, 单位: hPa); (c)云顶气温场的分布(填色, 单位: K)。(a) Cloud top height (shaded, Unit: m); (b) Cloud top pressure (shaded, Unit: hPa); (c) Cloud top temperature (shaded, Unit: K). ) 图 10 2020年5月22日17:30 UTC“射线状”云个例云顶信息 Fig. 10 Cloud top information of the actinoform cloud at 17:30 UTC 22 May, 2020 |
图 10(b)为MODIS反演的云顶气压场，图 10(c)为MODIS反演的云顶气温场。从图中可以看到云顶气压场、云顶高度场和云顶气温场有相同的分布特征，三者相互匹配。个例主体区域云顶气压约为850 hPa，个例外围云顶气压可达800 hPa以上。
上述云顶特征分析表明“射线状”云是一类低云，云顶气压在850~800 hPa之间。在后续物理量场的分析时，我们选取1 000、900、850和800 hPa 4个等压面进行分析，分别表征云体低层(1 000 hPa)、云体中层(900 hPa)、云顶(850 hPa)和云顶之上(800 hPa)。
4.3 物理量特征分析在了解该“射线状”云个例云顶基本特征后，本文利用ERA5客观再分析数据对该个例进行详细分析，主要包括气温、水汽分布特征以及与其发生发展机制相关联的运动特征。
4.3.1 气温与水汽特征分析图 11为沿A-B剖线(见图 9)利用ERA5客观再分析数据绘制的2020年5月22日17:30 UTC的气温垂直剖面图(见图 11(a))和相对湿度垂直剖面图(见图 11(b))。在气温剖面图中，880 hPa以下的区域气温的垂直分布满足随高度升高气温逐渐降低的规律，880与790 hPa高度上气温均为290 K，在这两个气压层之间有一个逆温层存在且气温的垂直梯度并未有显著变化。相对湿度垂直剖面分析表明，在850 hPa高度层以下，相对湿度数值较大，850~830 hPa之间存在一个垂直梯度大值区，其上相对湿度较小，可认为830 hPa以上的空气以近似干空气的形式存在，无云形成。
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( (a)沿A-B剖线的气温垂直剖面图(等值线, 单位: K); (b)沿A-B剖线的相对湿度垂直剖面图(等值线, 单位: %)。(a) Vertical profile of temperature along profile A-B (contour, Unit: K); (b) Vertical profile of relative humidity along profile A-B (contour, Unit: %). ) 图 11 2020年5月22日17:30 UTC“射线状”云个例垂直剖面图 Fig. 11 Vertical profiles of the actinoform cloud at 17:30 UTC 22 May, 2020 |
结合气温与相对湿度垂直剖面图(见图 12, 13)，逆温层高度与相对湿度梯度大值区有较好的对应关系，逆温层稳定大气限制水汽上传，逆温层以下成云且云顶气压约在850~800 hPa之间，这与MODIS提供的云顶信息是相吻合的。综合分析可以得到如下结论：
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( “射线状”云个例具体发生区域为12.5°S —8.5°S, 108.5°W —104.5°W。The precise areas for the actinoform cloud is 12.5°S —8.5°S, 108.5°W —104.5°W. ) 图 12 2020年5月22日17:30 UTC“射线状”云个例区域气温水平分布图(等值线，单位：K) Fig. 12 Horizontal distribution of temperature field (contour, Unit: K) of the actinoform cloud at 17:30 UTC 22 May, 2020 |
(1) MODIS数据与ERA5客观再分析数据所得结果具有较好的一致性，表明ERA5客观再分析数据对这类中尺度低云有较好的刻画能力，这是后续使用此数据集进行研究的重要基础和前提。
(2)“射线状”云是一类低云，云顶之上有逆温层存在。之前的研究中Singer[6]和Garay等[17]都观测到“射线状”云会伴随逆温存在，同时东南太平洋有着世界上最大的海洋层积云区，该区域常年被逆温层覆盖，因此逆温层的存在与“射线状”云之间存在着密切的联系。
图 12为“射线状”云发生海域上空不同高度的气温场分布。从图中可以看到从低层到高空气温的水平变化趋势并不相同，1 000 hPa高度层上，等温线近似呈西南-东北向，西北侧气温高，东南侧气温低，并未有闭合等温线出现(见图 12(a))。在900 hPa高度层上“射线状”云发生区域出现两条闭合等温线，云体区域内温度略高于周围区域，最高可达291.5 K(见图 12(b))。在850 hPa高度层上闭合等温线西移，有一个“暖舌”由东向西延伸覆盖该区域，形成逆温层并且造成大的近乎东西向的气温水平梯度，最大值大于0.03 K/km。气温的分布为云的产生提供了如下的理论解释：低层(850 hPa以下)存在的闭合等温线对应弱的对流不稳定，在该区域产生弱上升气流，同时低层水汽充沛近乎达饱和，上升气流携带水汽在较低的位置便可凝结成云。
图 13为该“射线状”云发生海域上空不同高度的相对湿度场分布。相对湿度反映大气中水汽的饱和程度，1 000 hPa气压层上“射线状”云发生区域存在相对湿度大值区，大值区区域小，梯度大，表明低层水汽在此处聚集(见图 13(a))。在900~850 hPa气压层上相对湿度大值区扩大且加强，最大相对湿度可达95%，可推测低层水汽聚集上升凝结成云(见图 13(b)、(c))。在800 hPa气压层上相对湿度急剧减小，最高仅有30%，这与剖面图相对应，可认为此气压层及其上层并未得到水汽的输送，无法凝结成云(见图 13(d))。
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( “射线状”云个例具体发生区域为12.5°S—8.5°S, 108.5°W—104.5°W。The precise areas for the actinoform cloud is 12.5°S—8.5°S, 108.5°W—104.5°W. ) 图 13 2020年5月22日17:30 UTC“射线状”云个例区域相对湿度水平分布图(等值线，单位: %) Fig. 13 Horizontal distribution of relative humidity field (contour, Unit: %) of the actinoform cloud at 17:30 UTC 22 May, 2020 |
结合图 12和13分析可得，“射线状”云发生位置的物理环境场有物理量水平梯度大的特征，干空气的分布与暖空气的分布具有较好的一致性。在“射线状”云发生区域，云顶高度处的东侧有“干”而“暖”的空气，形成一个“暖舌”，而在云顶高度之下则有相对“湿”和“冷”的空气。“暖舌”的侵入改变了上下层气温分布形成相对稳定的逆温层，阻止了水汽的向上发展，形成了水汽垂直梯度大值区和水平方向的水汽大值中心。
4.3.2 运动特征分析图 14为“射线状”云发生海域上空不同高度的散度场分布，图 15为“射线状”云发生海域上空不同高度的垂直p-速度场分布, 二者结合来看，在1 000 hPa高度层上个例发生区域存在负散度中心(见图 14(a))，结合垂直p-速度场，该高度层上垂直p-速度为负值(见图 15(a))，可认为在“射线状”云发生区域的低层，上升垂直运动弱，水平方向以辐合运动为主。而在云顶高度之下的900 hPa，也就是“射线状”云的主体区域，散度等值线并无明显大值中心(见图 14(b))，但有较强的中心值约为-0.25 Pa/s的上升运动(见图 15(b))，表明云体内部以垂直方向上的上升运动为主，散度场较弱。云顶处垂直p-速度又近乎消失，云体内部强的上升运动在此高度层上消散，转而变为水平方向上的强辐散(见图 14(c)), 云顶之上水平运动和垂直运动都较弱。
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( “射线状”云个例具体发生区域为12.5°S—8.5°S, 108.5°W—104.5°W。The precise areas for the actinoform cloud is 12.5°S—8.5°S, 108.5°W—104.5°W. ) 图 14 2020年5月22日17:30 UTC“射线状”云个例区域散度水平分布图(等值线，单位: 10-5/s) Fig. 14 Horizontal distribution of divergence field (contour, Unit: 10-5/s) of the actinoform cloud at 17:30 UTC 22 May, 2020 |
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( “射线状”云个例具体发生区域为12.5°S—8.5°S, 108.5°W—104.5°W。The precise areas for the actinoform cloud is 12.5°S—8.5°S, 108.5°W—104.5°W. ) 图 15 2020年5月22日17:30 UTC“射线状”云个例区域垂直p-速度水平分布图(等值线，单位: Pa/s) Fig. 15 Horizontal distribution of vertical p-velocity field (contour, Unit: Pa/s) of the actinoform cloud at 17:30 UTC 22 May, 2020 |
结合散度场和垂直运动场的分析可总结出“射线状”云内部的整体运动特征：“射线状”云是一个浅的对流系统，云体低层以水平方向的辐合运动为主，在海面水汽聚集并伴随上升运动向上传输；上升运动在云中部(900 hPa)得到加强，水平向辐合辐散减弱，上升运动携带的水汽使得此高度上相对湿度达到最大，近乎饱和，凝结成云；到云顶(850~800 hPa)处或许受到其上稳定逆温层的阻碍垂直运动无法继续向上发展，垂直p-速度近乎消失，水汽无法继续向上传输，转而随着强水平向运动向四周辐散形成独特的带状云臂。
综合剖面分析和水平物理量场的分析，可得逆温层在“射线状”云的发生发展过程中起到了至关重要的作用：逆温层产生的稳定大气抑制了云体内部向上的对流发展，同时也限制了水汽的向上传输，使其云顶高度较低，成为一类低云；逆温层还在云顶处产生了强的水平辐散运动，可推测逆温层之下对流运动携带着水汽由下至上、由中心至四周倾斜上升并凝结成云，进而形成了“射线状”云这样由一条条带状云臂组成独特自组织结构的云系。
5 结论本文利用NASA提供的Aqua卫星和Terra卫星所搭载的MODIS可见光云图，NOAA的NOAA-20卫星、NASA的Suomi NPP卫星携带的可见光红外成像辐射仪(VIIRS)提供的可见光和红外卫星云图，NASA提供的MODIS L2级数据产品以及ECMWF提供的ERA5客观再分析数据资料，对2017—2021年太平洋上发生的“射线状”云进行了统计分析，按照形态特征将“射线状”云分成了Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类, 并展示了8个典型个例的卫星云图，选取2020年5月22日17:30 UTC的“射线状”云个例，对该个例进行了详细分析，得到的主要结论如下：
(1)“射线状”云系的形态呈近似圆形或椭圆形，以圆形为主，有明显的云系中心和清晰的带状径向云臂由中心向四周延伸。
(2) 太平洋上空的“射线状”云主要分布在中低纬度的东南太平洋和东北太平洋上空，中太平洋和东太平洋上空尚未发现“射线状”云，绝大部分个例分布在南太平洋30°S—5°S之间以及南美洲大陆以西120°W—80°W的区域内。
(3) 全年除4月份外各月份均有“射线状”云发生，高频月份为6、7、8月，中频月份为5、9、10、11月，低频月份为1、2、3、4、12月，冷季更有利于区域内“射线状”云的发生。
(4)“射线状”云是一类发生在大洋上空的浅层对流云，受科氏力的影响，部分个例的带状云臂存在弯曲态势，北半球呈顺时针旋转，南半球呈逆时针旋转。
(5)“射线状”云云顶之上有来自东侧大陆的干暖空气改变了气温的垂直分布导致逆温层存在，云顶处气温和水汽含量往往有较大的梯度。
(6)“射线状”云内部的运动特征为：云系低层以水平运动为主，低层辐合产生上升运动；云系中层以上升运动为主，水平方向辐合辐散较弱；云顶受稳定逆温层的阻碍无法继续向上发展，垂直速度近乎消失，转而在顶部产生较强的水平辐散。
本文旨在研究发生在太平洋上空“射线状”云的特征和分布规律，目前已经对“射线状”云的形态特征、时空分布特征以及重要物理量场的特征有了基本的了解，我们的后续研究工作将把研究区域拓展到全球，选取更多个例进行分析，进一步探究“射线状”云的生命周期和演变情况，利用WRF模式在更精细的尺度上探究“射线状”云产生如此独特的自组织结构的内在因素, 以提高对“射线状”云的理解和认识。
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