青藏科考观云记：观天测地
编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。
青藏高原被称为“世界屋脊”、“第三极”，是世界上海拔最高的高原。它的地势东低西高，平均海拔在4000米以上。高原腹地年平均温度在0℃以下，大片地区最暖月平均温度也不足10℃。特殊的地理环境和气候条件使青藏高原对区域和全球气候变化有重要影响。过去的50年中，高原气温平均上升速率约为每10年0.3℃，约为全球变暖速率的3倍。高原显著增温加剧该地区冰川消退、冻土融化和生态系统退化。
依托第二次青藏高原科学考察研究任务二专题6“亚洲水塔区水循环动态监测与模拟”项目，中国科学院空天信息创新研究院的青藏高原科考分队于2020年9月12号至9月19号组织野外科考任务，主要在申扎、班戈、双湖以及纳木错流域等进行科学考察。
云作为能量和水循环的重要载体，其生成及变化对大气环流、水循环和大气与地表能量收支有着重要的影响，是引起日照、相对湿度、气温等气象因子发生变化的主要原因。云是专题6的主要研究对象之一。沿途科考队员们记录了观察到的不同类型的云：
（1）卷积云（Cirrocumulus）在高空中像一朵一朵的鱼鳞状气团，颜色呈现白色或者灰色，卷积云由冰晶组成，每块云团往往非常小，观察者在伸直胳膊的情况下相当于小手指肚的大小。卷积云通常出现在冬天或者寒冷的天气。此行在青藏高原上碰到的卷积云较少，且仅覆盖小块的天空。
图1 右上角为半透明鱼鳞状的卷积云 （尚华哲 摄影）
（2）卷云（Cirrus）呈现出一缕一缕的发丝状，有些呈现半透明，有些呈现出白色；卷云由冰晶组成，多覆盖在较低的云层之上，其尺度可以从很小到很大。从飞机上和地表观察到的卷云，多与其他云类型同时出现。
图2 羽毛状的卷云（尚华哲 摄影）
（3）卷层云（Cirrostratus）呈现“被单”状的灰白色，其厚度较薄，阳光和月光照射云层可以形成光晕。卷层云也由冰晶构成，在低海拔地区卷层云往往可以覆盖整个天空，此行观察到的卷层云多呈长条状，且覆盖天空面积很少。
图3 长条线状的卷层云（尚华哲 摄影）
（4）高积云（Altocumulus）呈现出块状、卷状或补丁状的分布特点，有一部分云体被遮盖而呈现出更深的颜色。高积云由不稳定的对流云顶部转化而来，夏季早晨的高积云的出现往往预示着出现雷雨天气。
图4 高积云（尚华哲 摄影）
（5）高层云（Altostratus）通常像“床单”一样非常均匀地平铺在空中，有时会呈现破碎的状态而呈现出固定的纹理特征。阳光可以穿透高层云，从地表观察呈现灰色或者蓝绿色。高层云能够形成较轻的降雨，降雨一般在到达地面之前就已经蒸发，形成云幡。高层云多以水云的形式存在，有些情况下云中或云顶存在冰晶粒子。
图5 高层云（尚华哲 摄影）
（6）层积云（Stratocumulus）多形成于较冷的海面，且边界层不稳定的情况下。边界层的对流活动给云层提供垂直运动的动能，旺盛的对流运动导致温度从地表一直递减，在云顶接近稳定，边界层上层为逆温层，温度随高度的升高而升高。逆温层多由干燥的热气团的沉降维持。云的对流是通过云顶逆温层的长波冷却维持的，一般云层垂直速度在云底最大。层积云一般厚度在几百米，高度不超过2.5km。
图6 层积云（尚华哲 摄影）
（7）层云（Stratus）一般是由于晨雾在抬升的过程中温度低于露点温度之后形成、或者冷空气移动到低海拔地区形成。相比其他类型的水云，层云呈现出浅灰到深灰的颜色且形状变化较其他类型的水云更慢。
图7 层云（姬大彬 摄影）
（8）雨层云（Nimbostratus）在水平方向上可以延展近百公里，厚度约为2-5km，雨层云呈现灰色等较暗的颜色，因为对光线具有很强的遮挡作用。雨层云多伴有降雨，它们一般形成于暖锋或者闭合的具有较弱上升气流的锋面。雨层云经常由高层云变厚变低转化而来。
图8 雨层云（尚华哲 摄影）
（9）积云（Cumulus）形成于对流较强的大气条件下。太阳辐射加热地表使得近地层的气团升温浮力升高，上升的气团的水汽达到凝结高度后液化形成可见的云朵。云顶高度一般为6km，云顶可见的凸起是因为云中气团的持续上升造成的。云中存在水滴和冰晶。
图9 积云（尚华哲 摄影）
（10）积雨云（Cumulonimbus）云顶高度可以达到12-16km，甚至突破对流层。对流云呈现典型的铁砧形状，较平的云顶说明云上部大气条件的稳定。云层中一般有降雨或者降雪，导致观察到的云边界较为模糊。积雨云可以形成多种极端天气，包括暴雨、冰雹、雷暴以及闪电等。
图10 积雨云（尚华哲、姬大彬 摄影）
现实生活中我们往往通过云呈现的形态、高度等特征作为我们预测天气的依据。云具有复杂多变的形态特征和纹理特征，特别是在地形复杂、天气多变的青藏高原地区。在青藏高原地区对卷积云、卷云、卷层云、高积云、高层云、层积云、层云、雨层云、积云、积雨云等典型云类别的科考观察及图片收集，为该区域云的研究提供借鉴。
作者：尚华哲、姬大彬、胡斯勒图
来源：中国科学院空天信息创新研究院