可見彩虹評估概念模型構(gòu)建及全國范圍內(nèi)彩虹資源時(shí)空分布特征分析

陳青昊 王秀榮 于涵 王媛 趙嶸 盧燕宇

1 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081

2 新疆伊犁州昭蘇縣氣象局，新疆昭蘇 835600

3 安徽省氣象局，合肥 230031

1 引言

氣象氣候條件既是重要的自然資源，又是主要的自然景觀旅游資源之一（鄭霖, 2000）。我國文化傳統(tǒng)中隨處可見對氣象景觀的熱愛。在我國，把氣象景觀視作資源的觀點(diǎn)在1982 年已經(jīng)出現(xiàn)在相關(guān)研究文獻(xiàn)（艾定增, 1982）之中。1988 年以來，隨著旅游地學(xué)開始崛起，針對風(fēng)景地貌、水域景觀、森林植被等自然旅游資源的評價(jià)、構(gòu)景與旅游吸引力等方面做了大量研究工作，取得了良好的社會(huì)效益, 為我國旅游業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)（彭永祥等,2009）。氣象景觀作為氣象旅游資源的一個(gè)重要組成部分，它可以自成風(fēng)景，或與特定地形、環(huán)境等配景、構(gòu)成許多旅游景區(qū)內(nèi)的主景、名景或絕景。美麗的氣象景觀資源會(huì)對旅游者產(chǎn)生巨大吸引力，對其合理開發(fā)利用會(huì)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益（馮新靈, 1997）。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平大幅提高，居民旅游消費(fèi)需求正處于爆發(fā)式增長階段，在這種社會(huì)背景下，人們踏進(jìn)大自然，享受良好生態(tài)資源環(huán)境，欣賞大自然美景、康體養(yǎng)心的愿望明顯增強(qiáng)，針對氣象和旅游的相關(guān)服務(wù)和研究逐漸被得到重視（張愛英等, 2018）。在對氣象景觀資源的研究方面，截至目前，不僅出現(xiàn)了對特定景區(qū)如黃山（楊賢為等, 1999; 程靜靜,2010）、廬山（岳旭和張小鵬, 2018）、華山（曹慧萍, 2016）、井岡山（周瑋, 2013）等著名景區(qū)內(nèi)氣象景觀資源的總體分析，也有針對部分省域范圍內(nèi)的氣象景觀資源分析（楊尚英, 1996; 黃東林等,2013）；部分研究成果中則專門針對某地某種特定氣象景觀特征及其景觀預(yù)報(bào)模型進(jìn)行了分析探討（吳有訓(xùn)等, 2005; 張鍇, 2019; 章開美等, 2020），周麗賢等（2016）則對全國范圍內(nèi)霧凇景觀資源時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。

隨著氣象景觀作為旅游資源日益得到重視，2016 年4 月，中國氣象服務(wù)協(xié)會(huì)發(fā)布團(tuán)標(biāo)《氣象旅游資源分類與編碼(T/CMSA 0001-2016)》（中國氣象服務(wù)協(xié)會(huì), 2016），將彩虹中的虹和霓列入到了氣象旅游資源中的天氣景觀資源的分類中。彩虹景觀具有極高的觀賞價(jià)值，在當(dāng)前國家鼎力發(fā)展全域生態(tài)旅游的大背景下，一些彩虹資源比較豐富的地區(qū)，完全可以將彩虹資源作為吸引游客的氣象旅游資源進(jìn)行推廣。各地彩虹出現(xiàn)的可能性和頻次看似隨機(jī)，實(shí)則大有規(guī)律可循。針對彩虹這一自然現(xiàn)象，歷史上，很早開始就有人試圖探索它的形成原因，而且也發(fā)現(xiàn)了一些科學(xué)性的內(nèi)在規(guī)律（方兆佳, 1996）。截至目前，學(xué)術(shù)界對形成彩虹的物理機(jī)制以及色彩、亮度分布的研究已經(jīng)相當(dāng)完善（Adam, 2002），但尚未見有針對全國范圍內(nèi)彩虹資源時(shí)空分布屬性的系統(tǒng)性分析研究成果。另外，按《地面氣象觀測規(guī)范天氣現(xiàn)象(GB/T35224-2017)》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì), 2017b）的規(guī)定，彩虹不是常規(guī)氣象觀測業(yè)務(wù)中的觀測內(nèi)容，僅在個(gè)別地方依據(jù)氣象服務(wù)的需求進(jìn)行觀測，所以無法直接獲得全國范圍內(nèi)彩虹資源的空間分布情況以及各地彩虹可能出現(xiàn)的一些規(guī)律特征。為此，本研究基于彩虹形成的光學(xué)原理和天氣學(xué)原理等，構(gòu)建彩虹資源評估概念模型；并依據(jù)此模型，對全國范圍內(nèi)彩虹資源的時(shí)空分布情況展開全面分析，以期為廣大彩虹觀賞愛好者或者一些地方政府及旅游資源開發(fā)部門合理開發(fā)利用彩虹資源和宣傳等提供參考。

2 研究方法

2.1 彩虹形成的物理機(jī)制

彩虹是虹（稱主虹）和霓（稱副虹）天氣現(xiàn)象的總稱，是一種發(fā)生在大氣中的光學(xué)現(xiàn)象。

以幾何光學(xué)的觀點(diǎn)看，陽光照射到空中的一個(gè)水滴時(shí)，在進(jìn)入和離開水滴的過程中會(huì)經(jīng)歷兩次折射，在水滴內(nèi)部會(huì)經(jīng)歷一次反射，最終入射光線和出射光線形成大約42°的夾角；當(dāng)陽光照射在大量的空中水滴上，會(huì)在觀察者眼中呈現(xiàn)出在太陽相對的方向、角半徑約42°、外紅內(nèi)紫的彩色圓弧，被稱作虹（亦稱主虹、1 階彩虹）；在虹的外側(cè)，有時(shí)能觀察到另一條彩色圓弧帶，稱為霓（亦稱副虹、2 階彩虹）。形成霓時(shí)，入射陽光在水滴內(nèi)部比形成虹時(shí)多經(jīng)歷一次反射（盛裴軒等, 2013）。這使得霓的亮度僅有虹的1/8 左右（K?nnen, 2017）。另外，光線還可能經(jīng)過更多次數(shù)的反射形成高階彩虹，但高階彩虹亮度很暗，在自然界中極不容易被觀察到（Hau?mann, 2016）。

彩虹形狀實(shí)際上是一個(gè)完整的圓。由于球形水滴的對稱性，大量雨滴的出射光線，在觀察者眼中會(huì)呈現(xiàn)出一條圓心為對日點(diǎn)、角半徑約為42°、寬度約為2°、內(nèi)側(cè)為紫色、外側(cè)為紅色的彩色圓弧帶。如果觀察者位于孤立山峰或在飛行的空中，陽光可以照射到比觀察者所處位置更低的地方，當(dāng)這些地方有足夠數(shù)量和大小合適的水滴，而且范圍足夠大的情況下，就可以看到完整的彩色圓環(huán)，也就是“全圓彩虹”。該現(xiàn)象被多次觀測攝影拍到（Crockett, 2014; 賴比星等, 2017）。

通過對形成彩虹的物理機(jī)制的分析與計(jì)算，得知彩虹亮度首先是依賴于入射陽光的強(qiáng)度：陽光越強(qiáng)，則彩虹的亮度越高，越顯眼。入射陽光的平行度越好，也就是散射光越少，則彩虹的色彩越鮮艷。其次，虹的色彩、亮度分布與雨滴大小之間也有一定的關(guān)系，一般而言，雨滴越大，虹的色彩就越鮮艷明亮（Lee, 1998）。當(dāng)雨滴的直徑在1～2 mm時(shí)，紫色和綠色光環(huán)特別鮮明，紅色光環(huán)也很純凈（《大氣科學(xué)辭典》編委會(huì), 1994）。

2.2 形成可見彩虹的自然因素

從形成彩虹的物理機(jī)制可以推斷出，出現(xiàn)彩虹所需要具備如下4 個(gè)主要自然條件：

2.2.1 空中水滴

若要形成五彩繽紛的彩虹現(xiàn)象，首先在太陽的相對方向要有降雨，使得空中有足夠數(shù)量和大小合適的水滴來形成雨幕。雨滴數(shù)量越多、直徑大，則會(huì)有更多的陽光被雨滴攔截，通過雨滴對光的折射、反射等過程而形成彩虹。雨滴直徑大也會(huì)使得彩虹更為鮮艷。

從對不同種類的云所形成的降水的雨滴大小分布，也就是雨滴譜的研究結(jié)果看，積雨云和積層混合云降水譜很寬，而且大水滴偏多（陳寶君等,1998）。依照天氣學(xué)原理，這類云由于在形成時(shí)對流旺盛，往往伴隨著雷暴活動(dòng)。同時(shí)，在出現(xiàn)彩虹的方向，若形成降雨的云厚度和密度較高，則云底的亮度低，能夠更好地反襯出彩虹。而在面對太陽的方向，需要有云的空隙，使得陽光能夠透過云隙直射到對面天空的雨幕上。這就要求形成降雨的天氣系統(tǒng)尺度不能太大，這種小尺度的天氣系統(tǒng)多是容易出現(xiàn)在形成雷陣雨的對流性降水天氣系統(tǒng)中（朱乾根等, 2000）。所以，發(fā)生雷暴天氣越多的地方，出現(xiàn)彩虹的幾率則可能會(huì)越大。

2.2.2 太陽高度角

太陽的高度也是決定能否出現(xiàn)可見彩虹的重要因素之一。從虹的幾何光學(xué)解釋中，可以推斷出，當(dāng)太陽的高度角為h時(shí)，虹的最高點(diǎn)的仰角θ=42°-h（Cowley and Schroeder, 2018）（圖1a）。也就是說，在平坦地形中，太陽的角度越低、越接近地平線，虹的最高仰角越大，觀察者可以見到更高、更大的彩虹。當(dāng)太陽地平高度角h＞42°時(shí)，可計(jì)算得出虹的最高點(diǎn)仰角θ＜0，其物理意義是虹的最高點(diǎn)位于地平線以下。所以，在平坦地形中，這種情況下觀察者看不到彩虹。（圖1b）。

圖1 （a）彩虹最高點(diǎn)視角與太陽高度角的關(guān)系示意圖；（b）當(dāng)太陽高度角大于42°時(shí)彩虹不可見示意圖Fig. 1 (a) Relationship between the rainbow apex and the solar altitude; (b) sketch map of a rainbow that cannot be seen when the solar altitude is over 42°

由此可見，由于地球的形狀和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在一年內(nèi)的每一天，假設(shè)形成彩虹的其他條件都成立，在平坦地平面上觀察者能否看到彩虹還決定于太陽高度角是否小于42°。因此，對某一地點(diǎn)而言，若其他條件相同，則太陽高度角小于42°的時(shí)間越長，出現(xiàn)可見彩虹的可能性越大。

2.2.3 空氣透明度

在形成彩虹的過程中，大氣對陽光的吸收和散射會(huì)降低照射到雨幕上的光線的強(qiáng)度，使得彩虹的亮度降低，降低了彩虹的觀賞品質(zhì)。而散射使得入射陽光的方向變得散亂，平行度變差，光線的入射角不僅分布在0.5°的范圍內(nèi)，在其他角度上也會(huì)有光線。這樣，在觀察者某一視角上，不僅有主要形成彩虹的彩色光線，同時(shí)也可能有其他入射角度的不同色彩的光線。不同色彩的光混疊在一起，光譜分布變寬，造成色彩飽和度下降（李林, 2010），也會(huì)導(dǎo)致彩虹觀賞品質(zhì)下降。同樣，對于從空中水滴中出射的彩色光線而言，空氣的吸收會(huì)降低彩色光線的亮度；空氣的散射會(huì)令不同波長也即是不同顏色的光線混疊在一起，降低色彩的飽和度。兩個(gè)因素共同使得彩虹變得黯淡。

可見，空氣透明度會(huì)在相當(dāng)程度上影響到彩虹的觀賞價(jià)值，空氣透明度差則彩虹的觀賞品質(zhì)也差。但是在現(xiàn)有的氣象觀測資料中，沒有空氣透明度的數(shù)據(jù)，但大氣能見度是反應(yīng)大氣透明度的一個(gè)重要指標(biāo)（施憫憫等, 2017）。因此，可以用雷暴日，也就是有可能出現(xiàn)彩虹的天氣中，大氣最大能見度數(shù)據(jù)來衡量總體的彩虹的觀賞品質(zhì)，即雷暴日平均最大能見度越高，總體的彩虹觀賞品質(zhì)越高。

2.2.4 地形

地形條件會(huì)從兩個(gè)方面影響到出現(xiàn)彩虹的可能性。一方面，各類天氣的出現(xiàn)會(huì)和地形有一定的相關(guān)性，地形對強(qiáng)對流和暴雨有明顯影響（伍榮生,1999），而強(qiáng)對流往往導(dǎo)致雷陣雨，雷陣雨越多的地方，越容易出現(xiàn)彩虹。夏季山區(qū)對流性降水遠(yuǎn)多于平原，這是因?yàn)樵谏絽^(qū)陽坡上容易接受較多太陽光，造成午后陽坡溫度遠(yuǎn)高于周邊空氣溫度。較大的溫差，導(dǎo)致形成熱對流中上升氣流更為旺盛，隨后迅速發(fā)展成為雷陣雨天氣，俗稱過雨和太陽雨，形成彩虹現(xiàn)象，同時(shí)也容易形成大的雨滴，進(jìn)而出現(xiàn)高品質(zhì)的彩虹。另一方面，在視野開闊，沒有高山阻擋視線的地區(qū)，意味著在更大范圍內(nèi)出現(xiàn)的彩虹可以被觀察到，看到彩虹的可能性有所增加。當(dāng)然，若觀察點(diǎn)高于周邊（如飛機(jī)，或者是山峰上），則在太陽高度角大于42°時(shí)也能夠看到彩虹，增加了看到彩虹的可能性。

2.3 可見彩虹評估概念模型構(gòu)建

2.3.1 評估概念模型構(gòu)建

從以上各項(xiàng)自然條件綜合分析可見，發(fā)生雷暴天氣越多的地方，出現(xiàn)彩虹的幾率則可能會(huì)越大；一天之中太陽高度角小于42°的時(shí)間越長，出現(xiàn)彩虹的幾率也會(huì)越大；同時(shí)，地形決定了能看到多大范圍內(nèi)出現(xiàn)的彩虹，影響彩虹出現(xiàn)的概率；空氣能見度的高低，則決定了總體的彩虹的觀賞品質(zhì)。

由此，可以得出，在同一個(gè)地點(diǎn)，在所評估的時(shí)段內(nèi)、所有觀測到的雷暴日中、太陽高度角小于42°的總時(shí)長，與所評估的時(shí)段內(nèi)觀測數(shù)據(jù)總時(shí)長的比值，能夠反映出此地在時(shí)間維度上出現(xiàn)彩虹的可能性大小，可以由此評估出此地彩虹資源的豐富程度，并可依據(jù)該比值對不同地區(qū)之間彩虹資源進(jìn)行比較。將該比值定義為彩虹資源數(shù)量指數(shù)RRQI（Rainbow Resource Quantities Index），其計(jì)算方法如下：

其中，n為評估時(shí)段內(nèi)觀測資料總?cè)諗?shù)；m為雷暴日數(shù)；ti為當(dāng)日太陽高度角小于42°時(shí)長（單位：h）。綜合考慮雷暴日數(shù)、太陽高度角、地形及空氣能見度這4 個(gè)因素，構(gòu)建可見彩虹資源評估概念模型，如圖2 所示。此概念模型中，雷暴日、能見度可以從常規(guī)地面氣象觀測資料中獲??；地形資料來自于相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)；某地區(qū)太陽高度角小于42°時(shí)長則可以由其所在緯度計(jì)算得知。

2.3.2 彩虹可見的適宜太陽高度角時(shí)長計(jì)算方法

一天之中太陽高度角h＜42°的時(shí)長隨地理位置和日期是不斷變化的。從文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果看，目前沒有直接計(jì)算太陽高度角在一定范圍內(nèi)的時(shí)長的計(jì)算方法。所以，有必要從已有文獻(xiàn)中的太陽高度的計(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo)。

對于太陽天體，在不同的時(shí)間和地點(diǎn)，高度角的計(jì)算有如下方法（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì), 2017a）：

其中，h為太陽的高度角；Φ 為緯度值；DE為太陽的赤緯值，隨日期而變化,可以用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算；T0為太陽的時(shí)角。

對于同一地點(diǎn)（緯度Φ 為固定值），同一天中（因?yàn)樘柍嗑暯窃谝惶熘凶兓苄?，可視DE為固定值），當(dāng)太陽的時(shí)角T0=0°時(shí)，sinh有最大值。對應(yīng)的實(shí)際情況是正午時(shí)，太陽仰角為一天內(nèi)的最高。之后隨時(shí)間推移，太陽向西移動(dòng)，時(shí)角T0不斷增大，太陽高度角h及其正弦值sinh不斷減小。

依據(jù)公式（2），可以推得當(dāng)給定某一太陽高度角時(shí)，太陽時(shí)角的計(jì)算方法：

需要注意的是，因?yàn)楫?dāng)緯度為±90°時(shí)，公式（3）的分母為0，所以不能用來計(jì)算南、北極點(diǎn)的情況。

由此可以求得除南北極點(diǎn)（Φ=±90°）之外太陽地平高度角為42°時(shí)太陽的時(shí)角T42：

考慮大氣層對光線的折射，將h=-0.6°，也就是太陽實(shí)際高度角在地平線下方0.6°作為日落的條件，代入可以求得除南北極點(diǎn)（Φ=±90°）之外日落時(shí)太陽的時(shí)角Tsunset：

在式（4）和式（5）中求取反余弦值時(shí)，可以得到正負(fù)兩個(gè)結(jié)果，分別對應(yīng)著上午和下午兩種情況，取兩個(gè)結(jié)果中的正值，也就是僅計(jì)算下午的情況。

由于太陽一小時(shí)內(nèi)在天球上大致運(yùn)行15°（劉學(xué)富, 2004）。可計(jì)算出正午之后，太陽高度角低于42°的時(shí)長t（單位：h）：

在忽略一天中太陽赤緯角微小變化的條件下，某一地點(diǎn)上午太陽高度角低于42°的時(shí)長與下午相同，所以全天太陽高度角低于42°的時(shí)長為（6）式計(jì)算出的t的兩倍，也就是2t。

3 全國彩虹資源時(shí)空分布特征評估分析

基于本研究構(gòu)建的彩虹資源評估概念模型，應(yīng)用全國2410 個(gè)氣象觀測站雷暴日和能見度歷史常年資料（1981～2010 年）及其相關(guān)經(jīng)緯度坐標(biāo)，對全國范圍內(nèi)的彩虹資源時(shí)空分布進(jìn)行定性或定量評估，以期對我國的彩虹景觀資源分布做摸底調(diào)查，為全域生態(tài)旅游建設(shè)提供支撐依據(jù)。

3.1 全國雷暴日時(shí)空分布統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用1981～2010 年全國2410 個(gè)氣象觀測站的地面觀測數(shù)據(jù)中的雷暴日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到全國年均雷暴日數(shù)分布情況，如圖3 所示。

圖3 1981～2010 年全國年均雷暴日數(shù)分布Fig. 3 Annual average thunderstorm days in China during1981-2010

可以看出，全國雷暴天氣多發(fā)地區(qū)主要在華南、云南南部和青藏高原部分地區(qū)。在北方，華北北部和新疆西部的部分地方雷暴天氣相對較多，其中新疆的昭蘇尤為突出，全國的站點(diǎn)中可以排到第46 位。

在不同的季節(jié)中，雷暴的分布呈現(xiàn)著不同的特點(diǎn)。每年冬季（12 月至翌年2 月），全國雷暴天氣頻率總體不高，雷暴天氣最多為云南江城，月平均雷暴日數(shù)為1.59 d。北方多數(shù)地區(qū)基本沒有雷暴天氣。如果考慮此時(shí)日照時(shí)數(shù)總體偏短，可以認(rèn)為，這個(gè)季節(jié)出現(xiàn)彩虹的可能性總體很低（圖略）。

春季（3～5 月），全國雷暴天氣逐漸活躍，大多數(shù)地方都可能出現(xiàn)雷暴天氣。雷暴相對較多的地方主要是南方和青藏高原的部分地區(qū)，最多的地方是在云南南部和海南北部（云南勐臘月均雷暴日數(shù)最多，有12.37 d，其次是海南北部的澄邁，月均雷暴日數(shù)10.64 d）。值得注意的是，在新疆西部靠近邊境的一些地方，部分地方雷暴天氣和北方其他地區(qū)相比要偏多。如新疆的昭蘇，月均雷暴日數(shù)5.61 d，在全國2410 個(gè)站點(diǎn)中排名第410 位，在北方地區(qū)位居首位（圖略）。

夏季（6～8 月），是全國出現(xiàn)雷暴最頻繁的季節(jié)。總體看，雷暴最多的地方集中在華南、青藏高原一帶（海南澄邁月均雷暴日數(shù)最多，達(dá)到20.32 d）。在北方，新疆的昭蘇極為突出，月均雷暴日數(shù)18.68 d，不僅超出了北方其他站點(diǎn)，在全國的排名中也僅次于海南的澄邁和廣西的東興，位于第3 位。

秋季（9～11 月），全國雷暴天氣總體上明顯減少，全國雷暴日數(shù)最多的云南的瀾滄，月均雷暴日數(shù)為8.83 d。華南、青藏高原雷暴日數(shù)相對較多一些。再加上日照時(shí)間變短，出現(xiàn)彩虹的可能性明顯降低（圖略）。

總體看，在雷暴日數(shù)這個(gè)因素上，華南、云南南部和青藏高原地區(qū)相對較多。冬季，華南一帶看到彩虹的可能性在全國范圍內(nèi)排名靠前，但是總體數(shù)量不多。在其他的季節(jié)當(dāng)中，出現(xiàn)彩虹的可能性位居前列。但是也要看到，北方地區(qū)雖然整體上雷暴日數(shù)相對較少，出現(xiàn)彩虹的可能性不高，但個(gè)別地方在春末至秋初這個(gè)時(shí)段，會(huì)在全國排名中非?？壳啊?/p>

3.2 太陽高度角在我國范圍內(nèi)變化規(guī)律分析

由歷法的制定原則可知，每年度內(nèi)的同一日期中太陽高度角變化幅度不大（余明, 2001）?？紤]到太陽高度角南北半球的對稱性，以及上下午的對稱性，因此以公式（6）計(jì)算了一年中北半球范圍內(nèi)下午的太陽高度角小于42°的時(shí)長(t)，從中可以看出太陽高度角小于42°時(shí)長的總體分布趨勢。計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 中，橫坐標(biāo)為年度日期變化（1 月1 日至12 月31 日）?？v坐標(biāo)為正午之后到日落、太陽高度角小于42°的時(shí)長（t）的變化。圖中每一條線表示出某一緯度下年度內(nèi)t隨日期的變化。

圖4 彩虹可見的適宜太陽高度角時(shí)長在一年內(nèi)隨緯度變化示意圖Fig. 4 Variation with the latitude of the suitable solar altitude angle duration (t) for rainbow visibility in one year

選取0°（赤道）、10°N、23°26′N（北回歸線）、30°N、40°N、50°N、66°34′N（北極圈）、70°N 以及接近北極點(diǎn)的89°N 的變化情況進(jìn)行分析。從圖中可以看出，從春分日到秋分日這段時(shí)間，隨緯度的增高，每天能夠形成彩虹的太陽高度角時(shí)長t快速增加，在40°N 以南大部地區(qū)，大多日期內(nèi)均在4 h 以下；而在以北地區(qū)，t基本隨緯度增長而快速增長，在70°N 以北地區(qū)，能夠高達(dá)11～12 h。因此，對于越往北地區(qū)，在這個(gè)時(shí)段中，形成彩虹的因素里，太陽高度角方面具有優(yōu)勢。

在從秋分到翌年春分的較冷時(shí)間段內(nèi)，太陽高度角隨緯度變化較為復(fù)雜。但由于發(fā)生雷暴天氣越多的地方，出現(xiàn)彩虹的幾率則可能會(huì)越大，而雷暴天氣又多出現(xiàn)在暖季對流性天氣系統(tǒng)中，因此從秋分到春分氣候冷季中出現(xiàn)雷暴天氣的可能性小，使得出現(xiàn)彩虹的可能性小。所以，這個(gè)時(shí)段太陽高度角隨緯度的變化情況不再進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.3 彩虹資源數(shù)量指數(shù)（RRQI）分布情況

首先由全國范圍內(nèi)各站的經(jīng)緯度，應(yīng)用公式（6）計(jì)算得出1981～2010 年每一天的可見彩虹適宜太陽高度角時(shí)長ti，然后結(jié)合各站雷暴的觀測數(shù)據(jù)，按照公式（1）計(jì)算得出1981～2010 年全年彩虹資源數(shù)量指數(shù)（RRQI），其全國分布情況如圖5所示。

圖5 1981～2010 年全年彩虹資源數(shù)量指數(shù)（RRQI）分布Fig. 5 Distribution of the rainbow resource quantity index (RRQI) during 1981-2010

從全年RRQI 的分布情況看，與雷暴日數(shù)量的分布情況有所類似。華南、云南南部以及青藏高原一帶明顯高于其他大多數(shù)地方。全國2410 個(gè)氣象站中，最高的地方是海南的澄邁，RRQI 為1.96。北方整體不高，但新疆昭蘇一帶非常突出，RRQI達(dá)到1.85，僅低于海南澄邁、云南勐臘、江城，位列第4。另外華北北部及東北一帶也有相對比較高的地域。

選取每年5～9 月的時(shí)段計(jì)算RRQI（圖6），全國平均值為1.39，相比于全年的全國平均值0.71 提高了將近一倍，這表明，全國的彩虹在這個(gè)時(shí)段出現(xiàn)得更為集中，出現(xiàn)頻率更高。

RRQI 分布的情況也有所變化：華南、云南南部及青藏高原一帶雖然仍然比其他大多數(shù)地方高，但因?yàn)榫暥容^低，太陽高度角小于42°的時(shí)長偏短，所以優(yōu)勢有所減弱。新疆伊犁河谷一帶得益于雷暴日多，且緯度較高，太陽高度角小于42°的時(shí)長較長，所以RRQI 的數(shù)值較大，其中昭蘇達(dá)到4.11，在全國2410 個(gè)氣象站中達(dá)到第一位。另外，華北北部以及東北一帶，得益于緯度較高，太陽高度角低于42°時(shí)長較長，5～9 月期間的RRQI 相比全年的分布更為靠前，考慮到5～9 月期間這一帶旅游季節(jié)的集中時(shí)段，也具有一定開發(fā)當(dāng)?shù)夭屎缳Y源的優(yōu)勢。

3.4 空氣透明度分析

應(yīng)用1981～2010 年全國2410 個(gè)氣象觀測站的能見度觀測數(shù)據(jù)，將每個(gè)雷暴日的最大能見度進(jìn)行累加，然后求取平均值，得到每個(gè)站點(diǎn)的雷暴日平均最大能見度。全國全年雷暴日平均最大能見度的分布趨勢如圖7 所示。

從圖7 分布趨勢看，全國大多數(shù)地方的雷暴日平均最大能見度能夠達(dá)到10 km 以上。其中，中東部平原地區(qū)最大能見度基本不足20 km，相對不利于出現(xiàn)觀賞品質(zhì)高的彩虹。我國中東部大部地區(qū)，僅內(nèi)蒙古中東部、華北北部的部分地區(qū)，以及川西高原、云南大部和海南大部雷暴日平均最大能見度能達(dá)到30 km 以上；在我國西部地區(qū)，除了新疆塔里木盆地由于存在塔克拉瑪干沙漠，以及一些戈壁、沙漠地帶外，大多數(shù)地區(qū)達(dá)到了30 km 以上。

圖7 1981～2010 年全國雷暴日平均最大能見度分布Fig. 7 Distribution of the daily mean maximum visibility of thunderstorms in China during 1981-2010

3.5 地形地貌

在對全國的彩虹資源進(jìn)行評估中，地形對天氣的影響結(jié)果包含在對雷暴數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)當(dāng)中。且在地形對可見彩虹范圍的影響上，對全國范圍來說意義不明顯。因此，在對全國范圍的彩虹資源分布情況進(jìn)行評估時(shí)，地形的因素不再單獨(dú)考慮。

4 全國范圍內(nèi)彩虹資源分布綜合評估結(jié)果分析

運(yùn)用彩虹資源評估概念模型，結(jié)合以上各項(xiàng)氣象觀測數(shù)據(jù)分析以及太陽高度角的變化規(guī)律，得出了全國彩虹資源的分布情況：

（1）華南以及云南南部和青藏高原地區(qū)雷暴日相對較多。冬季，華南一帶看到彩虹的可能性在全國范圍內(nèi)排名靠前，但是總體數(shù)量不多，其他的季節(jié)當(dāng)中，出現(xiàn)彩虹的可能性位居前列。北方地區(qū)整體上看雷暴日數(shù)較少，華北北部和新疆西部的部分地方雷暴天氣相對較多。同時(shí)季節(jié)差異比較大，使得在春末到秋初這個(gè)時(shí)段里分布集中，出現(xiàn)的頻率較高。

（2）結(jié)合太陽高度角的條件，可以計(jì)算出彩虹資源數(shù)量指數(shù)。從其分布情況看，全年華南、云南南部以及青藏高原一帶明顯高于其他大多數(shù)地方。在彩虹分布集中的5～9 月，北方地區(qū)優(yōu)勢上升，新疆伊犁河谷一帶達(dá)到領(lǐng)先位置，昭蘇躍居第一。另外，華北北部及東北一帶RRQI 也相對較高。

（3）在能見度方面，彩虹資源數(shù)量指數(shù)（RRQI）較高的地區(qū)中，華南一帶大多在30 km 以下，珠江三角洲人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的部分地區(qū)甚至不足20 km，這樣的能見度情況對出現(xiàn)觀賞品質(zhì)較高的彩虹不利。而在海南和云南南部的多數(shù)地方，雷暴日平均最大能見度基本都在30 km 以上，有利于出現(xiàn)觀賞品質(zhì)高的彩虹。新疆伊犁河谷一帶雷暴日平均最大能見度也基本都在30 km 以上。而在5～9月RRQI 相對較高的華北北部和東北一帶，內(nèi)蒙古中東部、河北北部的部分地區(qū)也達(dá)到30 km 以上。

綜合以上各指標(biāo)要素分析后可以得出，在海南、云南南部及新疆伊犁河谷彩虹數(shù)量多、觀賞品質(zhì)高；內(nèi)蒙古中東部大部及河北北部的部分地區(qū)，5～9月期間彩虹數(shù)量也相對較多，且觀賞品質(zhì)高。以上地區(qū)均具有開發(fā)彩虹這種生態(tài)旅游資源的優(yōu)勢。

5 討論

由以上模型構(gòu)建機(jī)理、各項(xiàng)指標(biāo)要素特征分析、以及對新疆昭蘇彩虹資源的評估應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果來看，依據(jù)本研究構(gòu)建的彩虹資源評估概念模型，可以較為準(zhǔn)確地評估全國總體或特定地點(diǎn)的彩虹資源分布情況。

從評估結(jié)果可見，華南、云南南部和青藏高原地區(qū)雷暴相對較多，北方地區(qū)整體上雷暴日數(shù)較少，但華北北部和新疆西部的部分地方雷暴天氣相對較多。且由于春末到秋初這個(gè)時(shí)段內(nèi)，北方地區(qū)在一天之中太陽高度角小于42°的時(shí)長相比于華南、云南南部及青藏高原地區(qū)明顯較長，加之影響彩虹觀賞品質(zhì)的空氣透明度因素上北方部分地區(qū)具有優(yōu)勢，所以，北方的個(gè)別地方彩虹資源的豐富程度，會(huì)在全國排名中非?？壳?。例如新疆昭蘇，每年5～9月期間，這里彩虹出現(xiàn)的數(shù)量和觀賞價(jià)值均位居全國前列。2019 年，本研究成員依據(jù)構(gòu)建的概念模型對新疆昭蘇可見彩虹資源進(jìn)行了全面和多維度的分析評估，充分驗(yàn)證了當(dāng)?shù)亍安屎缰肌钡拿耖g稱謂，評估結(jié)果得到了有關(guān)專家高度認(rèn)可，為新疆昭蘇地區(qū)生態(tài)旅游資源的挖掘和利用提供了充分的理論依據(jù)和支撐。

通過以上的應(yīng)用分析可以看出，依據(jù)光學(xué)、天氣學(xué)、天文學(xué)原理，從彩虹的形成機(jī)制出發(fā)，推斷出自然界出現(xiàn)彩虹所必需的條件中，不僅包含目前彩虹預(yù)報(bào)技術(shù)中關(guān)注的雷暴日的因素，而且，適宜的太陽高度角也是形成彩虹的決定性因素。雷暴日的數(shù)量和適宜的太陽高度角持續(xù)的時(shí)間基本決定了某一地點(diǎn)彩虹出現(xiàn)的數(shù)量，也就是彩虹資源的豐富程度。同時(shí)，能見度和地形因素對彩虹觀賞品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響。相比國內(nèi)黃山、昭蘇等一些地區(qū)已經(jīng)業(yè)務(wù)開展的彩虹預(yù)報(bào)方法，本概念模型考慮的因素?zé)o疑更為全面。因此可以結(jié)合現(xiàn)有的時(shí)空分辨率更高的降水、云量等數(shù)值模式天氣預(yù)報(bào)結(jié)果，建立新的彩虹預(yù)報(bào)模型，不僅可以更為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)彩虹出現(xiàn)與否，而且能夠得知彩虹出現(xiàn)時(shí)的方位、高度，乃至于彩虹的觀賞品質(zhì)。

由于受制于已有氣象觀測數(shù)據(jù)等的局限性，本研究在構(gòu)建模型時(shí)，其天氣因素中僅選取了雷暴日和能見度這兩個(gè)指標(biāo)，導(dǎo)致模型構(gòu)建仍未盡完美。隨著氣象科技水平和業(yè)務(wù)的發(fā)展，并基于出現(xiàn)彩虹的機(jī)理，未來需要進(jìn)一步引入時(shí)空分辨率更高的降水、云種、云量以及太陽輻射等數(shù)據(jù)。因此，此評估模型也有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。