大气光象(卷名：大气科学 海洋科学 水文科学)
photometeors
在太阳和月球等自然光源的照射下，由于大气分子、气溶胶和云雾降水粒子的反射、折射、衍射和散射等作用而引起的一系列光学现象。这些光象包括曙暮光、朝晚霞、虹、晕、华、宝光环、海市蜃楼和星光闪烁等。它们往往是某种大气状态的反映，或是坏天气来临的征兆，因此研究大气光象对于了解大气状态和天气预报有一定的作用。
曙暮光 太阳位于地平以下时，阳光仍可照射到大气的高层，由于高层大气分子对日光的散射（见大气散射）而使地面有一定的照度。在日出前称为曙光，日落后称为暮光，曙光和暮光统称为曙暮光，亦称晨昏蒙影。
日落后，随着太阳在地平以下角度（α）的增大，能受到太阳照射的大气层越来越高，而大气分子数随高度按指数规律递减，所以天空散射光的强度越来越弱，使地面照度越来越小。反之，在日出前，天空散射光的强度逐渐增强，地面照度也逐渐加大。由于曙光开始和暮光终了的时间标准不同，有民用曙暮光、航海曙暮光和天文曙暮光之分。当大气散射光使地面照度减弱到不用人工照明就难以在户外正常活动时（如难以辨认印刷品的特大号字体，交通运行发生困难等），就是民用曙光的开始或暮光的终了。晴天时，这相当于太阳降到地平以下α为6°～8°处。航海人员用沿岸目标物在海上确定方向，可以在光亮程度比民用曙暮光更弱的情况下进行，但当 α约12°时不用信号灯已不能辨别方向，这就是航海曙光的开始或暮光的终了。当α约18°时，这种散射光已极其微弱，天空相当黑暗，可以看到所有肉眼能看到的恒星，即六等量以下的恒星，这就是天文曙光的开始或暮光的终了。曙暮光的持续时间在赤道最短，随纬度增高而逐渐增加。
曙暮光现象与高层大气光学性质密切相关，通过对曙暮光亮度、偏振度和色彩的观测，可推断大气的密度和气溶胶的分布，这是一种间接探测高层大气的方法。
朝晚霞 日出前和日落后，主要在太阳附近的天空出现色彩缤纷的现象。出现在早晨的，叫朝霞，出现在傍晚的，叫晚霞，统称朝晚霞。当朝阳初升或日落以前，太阳接近地平时，带着橙黄色甚至红色，从太阳升起或下落的地方顺天空向周围展现扇形的彩带。太阳离地平还远时，颜色很淡，离地平越近，就逐渐加深，扇形也随着缩小。即使是朝阳升上地平之前或夕阳落下地平之后，也有彩霞出现。每当民用曙光初现，朝霞就开始映射；而当民用暮光终止时，晚霞就随着消失。大气中的水汽和灰尘含量愈多，朝晚霞现象就愈显著，且愈富于红色。理论上完整地解释朝晚霞的复杂现象还比较困难，但它不外乎是大气分子、气溶胶粒子和水汽凝成物等对太阳光的散射和衍射所造成的。
霾 浓度较大、直径很小的气溶胶粒子对太阳光散射造成的光象。出现霾时，大气混浊，呈乳白色，水平能见度明显降低，一般降到10公里以下，给人以不甚透明的感觉。透过霾层远望时，犹如隔了一层有色的薄幕使物体染色。当背景发暗时，薄幕呈浅蓝色；当背景明亮时，薄幕呈淡黄色或红色。（见彩图)
虹 阳光射入水滴（雨滴、毛毛雨滴或雾滴）经折射和反射而形成在雨幕或雾幕上的彩色或白色光环，称为虹，它对观测者的角半径约42°，色序排列是内紫外红，总宽度约2°，又称主虹，在主虹的外侧，有时还能看到角半径约52°的同心光环，称为霓，又称副虹。副虹的色序和主虹相反，外紫内红，宽度约为主虹的两倍，但亮度比较弱（见彩图）。偶尔，在主虹虹圈以内和副虹虹圈以外还可看到很弱的彩环，称为附属虹。
根据几何光学原理，当平行的太阳光束照射到水滴上时，从不同部位入射的光经水滴折射和内反射后，向各个方向射出，大部分是发散光，只有从某一适当部位以一定入射角射入的光束，射出时仍保持平行，这时入射光和出射光的夹角β（偏向角）最小（图1），光的强度也最大。这种以一定入射角入射经水滴一次内反射而满足最小偏向角的那部分光线，构成了虹，而以一定入射角入射经水滴两次内反射且满足最小偏向角的光线则构成霓。观测角θ=180°-β。要完整地解释虹的全部现象，必须借助于衍射理论，这样才能说明虹的亮度和附属虹现象。但也有人用米散射理论来解释的。
通常雨滴越大，虹越鲜艳明亮。当雨滴平均直径在1～2毫米时，紫和绿光环特别鲜明，红光环也很纯净，但蓝光环几乎消失，而在主虹内侧出现好几条(往往为5条)色带较窄的紫和绿交替排列的附属虹；当雨滴平均直径为0.5毫米时，红光环的亮度大为减弱，附属虹较少；当雨滴平均直径为0.2～0.3毫米时，不出现红光环，其余的光环却很清晰，虹带显得宽些，附属虹的数目也较多，且显黄色；当雨滴平均直径为0.08～0.1毫米时，虹带较宽较淡，只有紫色较显著，附属虹呈白色；当雨滴平均直径小于0.06毫米时，主虹已无彩色，仅出现清晰的白光环而已；当雨滴平均直径小于0.05毫米时，则出现淡白光环，亦称白虹。因为在同一时刻，空中雨滴的大小并不会完全一致，即使在同一虹中，甚至同一彩色光环中，它的颜色、亮度都会有变化。因此我们能够根据虹的色彩变化，大致估计雨滴的大小。
晕 它是悬浮在大气中的冰晶(卷云、冰雾等)对日光或月光的折射和反射作用而形成的一组光学现象（或称大气晕族），呈环状、弧状、柱状或亮点状。大气晕族主要包括22度晕、46度晕、近幻日、远幻日、近幻日环、环天顶弧、环地平弧、内晕珥、 日柱、 反假日等（图2）。其中最常见的是22度晕(见彩图)，因其晕环对观测者的张角半径为22°而得名，又称内晕。它色彩鲜明，色序内红外紫，与虹相反。通常以红色最清晰，橙、黄次之，绿、蓝甚浅淡，紫色不显。出现在22度晕上、下的两个切弧称外切晕。和22度晕相类似但出现机会少得多的是46度晕，它对观测者的张角半径为46°，又称外晕。外晕的色序与内晕相同，但色彩不鲜明，亮度也弱，往往只能看到白色的光环而已。
造成大气晕族的云中冰晶形状主要有四种，即六角板状、六角柱状、带帽盖的六角柱状和六角锥状。六角形冰晶，如光线以入射角i由一侧射入，从相间的另一侧面射出时，只有入射角i＝（β＋γ）/2时才满足最小偏向角条件，形成最大亮度。式中β为最小偏向角，γ为冰晶相间侧面的交角。这时，折射定律可写为
式中m为冰晶的复折射率，约1.31。由此可算得当γ＝60°时（冰晶轴呈水平方向），β约为22°;当γ＝90°时（冰晶轴呈铅直方向，光线由六角形冰晶的侧面射入而由端面射出，反之亦然），β约为46°。因为冰晶轴呈水平方向的状态较铅直方向稳定，所以22度晕（图3）比46度晕更稳定和常见。46度晕即使出现，也难以形成完整的晕圈，而表现为晕圈的一段光弧。
除22度晕和46度晕而外，还有一些人们不太熟悉的大气晕族：
近幻日环 位于与太阳同一高度角上并穿过太阳的白色水平光环，它是由太阳光在云层中一定取向的冰晶的外表面上反射而形成的。因为云层经常不能均匀地覆盖天空，所以很少看见完整的近幻日环。
近幻日 位于近幻日环上的彩色光点。22度晕左右两旁有两个近幻日（见彩图），46度晕左右两旁也各有一个近幻日。22度晕和它的近幻日成因相似，比较常见，但46度晕的近幻日却很少见。
远幻日 位于离太阳120°处的几个稍大于太阳光盘的白色圆点。有时也可在离太阳90°处出现。 远幻日在地平上的高度和太阳的高度相同。
环天顶弧 位于以天顶为中心的水平面上的发光彩色圆弧。光从冰晶的上水平面射入，由垂直侧面射出。当太阳高度角大于32.2°时，光在冰晶内部将全反射；高度角等于32.2°时，射出的光笔直向下传播，使环天顶弧呈现为亮斑；当太阳落到32.2°以下时，这个亮斑就展现为以天顶为中心，朝向太阳的华丽彩弧。因此，环天顶弧只在太阳高度角小于32°左右时才能看到。
环地平弧 靠近地平面而呈水平环状的发光彩色圆弧。它是环天顶弧的补充，也可称为下环天顶弧。根据对称性，可以推断环地平弧不能在太阳高度角低于57.8°（即90°-32.2°）时出现，随着太阳升高，环地平弧也升高，它是一种罕见的光象。
内晕珥 位于22度晕的上方和下方，分别称为上内晕珥和下内晕珥，类似于环天顶弧和环地平弧。产生内晕珥的是柱状冰晶，光线的传播路径与22度晕类似。
日柱 从地面看到的太阳正上方或正下方的白色、橙色或红色光柱， 可以是连续的或不连续的。 它是由板状冰晶和带帽盖的柱状冰晶的基面反射太阳光时形成的。沉降的冰晶在其平均取向附近摆动，使所反射的太阳图象在铅直方向形成模糊不清的漫射光柱。（见彩图)
反假日 在近幻日环上和太阳相对处出现的白色光点。它是阳光由柱状冰晶侧面射入，在底面和另一侧面均发生全反射后，由原侧面再次射出的光线所形成的。通常将反假日、近幻日和远幻日统称为假日。
除太阳光外，月光也能形成相应的晕象。晕象经常是坏天气的征兆。
华 天空有薄云存在时，透过云层在太阳或月亮周围看到的彩色光环，其色序为内紫外红，最多可重复出现三次。最靠近华发光体的光环叫华盖，华的内侧呈白色或青白色，中间是黄色，外缘呈红褐色。其角半径通常小于5°，一般只包含华盖部分，然而发展完善的华，其角半径可达10°。因日光太亮，日华不易被观测到，月华则较为常见。（见彩图)
光通过大小和光波波长相当的小孔或狭缝等微小障碍物时，会发生衍射。华就是由日光或月光在云中水滴或冰晶间发生衍射而生成的。华的彩环位置和云滴直径d 有关，sinφ＝（n＋0.22）λ／d。式中φ是波长为λ的第n级光环的角半径。由此看出，云滴越小，光环越大。根据这种关系，只要测定华的彩环张角，就能大致估计云滴的平均大小。火山爆发后，空中悬浮大量和光波长大小相近的火山尘，当它们飘浮在太阳或月亮光盘之下时，因衍射作用也能生成类似于华的彩色光环，角半径约22°，称为毕旭甫光环(Bishop's ring)。
华是一种地方性的天气预兆，如果从晕变到华，而且华的张角又在变小，则表示云中水滴增大，云层变厚，因而有降水的可能。
宝光环 人在背向太阳时，从小水滴组成的云、雾背景上可能看到在自己影子周围出现的彩色光环，色序与华相同，内紫外红，有时可达五层之多，而在距彩色光环一定间隔的最外缘，有时还可看到角半径为30多度的白色大环。因宝光环与华类似，但出现在太阳对面，又称“反华”。它也是一种衍射现象，但形成衍射的光是阳光在水滴中折射、反射，再沿水滴表面传播一定距离后平行于原方向射出的光线。与华相似，宝光环的角半径随云滴增大而变小。因为日、月光源对人眼的张角均在半度左右，所以每个光环都至少要有半度宽，当环直径小到使各环的间距仅为半度时，则看不出明显的环，而是形成一片光亮的华盖。当我们看到明显的宝光环时，可以断定云滴直径小于50微米。
宝光环常在德国哈茨山脉布罗肯峰附近观测到，所以又叫 “布罗肯宝光” (Brocken spectrum或Brockenbow)。在多云雾的山峰一般常可看到宝光环。如中国四川峨眉山等地也常看到这种光象（见彩图）， 在中国把宝光环称为 “峨眉宝光”。当飞机在云层上空飞行而上方有阳光照射时，飞行员或乘客有时也能在云幕上看到内含飞机影子的宝光环。
海市蜃楼 由于剧烈的温度梯度使光线发生显著折射时，在空中或地平线下出现的奇异幻景，又称“蜃景”（见彩图）。“海市”是传说中海上神仙的居所，蜃是传说中的蛟龙，能“吐气为楼台”，所以“海市蜃楼”或“蜃景”均指虚无飘渺的幻景。海市蜃楼常发生在海边和沙漠地区，常见的有上现蜃景和下现蜃景，有时还会发生更复杂的蜃景。
上现蜃景 常出现在雪原、寒冷海洋等地区。这些地区近地面冷却所形成上热下冷的剧烈温度梯度，使得低层空气密度比高层大得多，由于大气折射作用使地面实物的景象向上抬升而显示在空中，看起来远处的景物似乎处于天空的某一高度上，甚至能见到远在地平线以下的景物（图4）。
下现蜃景 常出现在由于暴晒而强烈增温的水域、陆地、海滨和公路等上空。地表增温所形成的上冷下热的剧烈温度梯度，使高层空气的密度反而比低层大，在这种情况下的大气折射，使地上实物的景象下降到地面之下，看起来远处的景物似乎都处于地面之下，甚至看不到本来位于地平线上的目标。这种蜃景往往为倒象。因为上重下轻的空气状态是不稳定的，所以下现蜃景存在的时间一般较短。
侧现蜃景 海市蜃楼的一种，当铅直面暴晒而形成水平温度梯度时，由于大气折射而在实物侧面所出现的幻景。由于温度梯度分布的不同，加之大气湍流的影响，海市蜃楼往往还会发生伸长、缩短，以及强度和形状变化极快的闪晃现象。此外，还有一种变幻不定的蜃景叫做复杂蜃景(Fata Morgana)，原指在意大利西西里岛东北墨西拿海峡所出现的复杂蜃景。它是由与下现蜃景类似的不稳定状态再加上湍流活动所形成的。
星光闪烁 星光通过大气之后，强度发生随机变化的现象，是一种光波在湍流大气中的传播效应。晴空夜晚，肉眼就能看到这种星光亮度时明时暗的闪烁现象，俗称星星眨眼。通过望远镜观察，便会清楚地看到，除了亮度不断变化之外，星的位置和色彩也不断变化。这种位置振动的振幅约为几分之一［角］秒至几［角］秒，振动频率约为2～30赫，常把这种位置的变化称为抖动。星光亮度的闪烁系光波强度起伏引起，而星光位置的抖动系光波相位起伏引起。星的高度角越小，星光通过的路径越长，则星光闪烁现象越明显（见大气折射）。星光闪烁是天文闪烁的一种，光波在近地面大气水平方向传播时也会出现这种现象，相应的叫地面闪烁。当地面闪烁强烈时，会妨碍闪亮信号灯的作用，限制望远镜瞄准的精度等。夏日观测远处地面的景物时，常有晃动的感觉，这就是地面闪烁的效应，也称为闪晃。由高灵敏度光电仪器记录的星光强度的变化，可以发现在星光平均强度背景上叠加着许多不规则的起伏。分析表明，这种起伏周期主要在1～100赫之间。闪烁的频谱与光波传播路径上的横向风速分量有关，风速加大，频谱向高频方向移动。闪烁强度也与大气湍流强度有关，因此有明显的日变化，中午最强，夜间最弱。利用上述效应测量闪烁强度的变化，有可能推断大气中的风速结构和湍流状况。
参考书目
E.J.McCartney，Optics of the Atmosphere，John Wiley & Sons，New York，1976.
R.A.R.Tricker，Introduction to MeteorologicalOptics，American Elsevier，Publ.，New York，1970.