本文中使用了以下资料：

(b) 美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，简称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，简称VIIRS)提供的可见光卫星云图。这些云图同样可以在Worldview和全球图像浏览服务(GIBS)中可视化，传感器分辨率为750 m和375 m，时间分辨率1 d，下载地址为： https://worldview.earthdata.nasa.gov/ 。

(c) 云顶信息和云微物理信息来自NASA提供的MODIS Level-2级数据产品。MODIS云产品结合红外发射和太阳反射辐射技术来确定云的物理特性和辐射特性，云顶高度、云顶温度和云顶有效发射率的结果通过红外检索方法在白天和夜间以5 km × 5 km或1 km × 1 km的分辨率生成。本研究所使用的云顶信息包括云顶高度、云顶气压、云顶温度等。这些数据均可从MODIS提供的MOD06 (Terra卫星)和MYD06 (Aqua卫星)上获取，传感器分辨率为5 km，图像分辨率为2 km，时间分辨率为1 d。

(d) 本文使用的气象分析资料来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，简称ECMWF)提供的第五代ERA5再分析资料，全球范围，时间间隔为1 h，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚。本文使用了海平面气压、海表面温度、10-m高度上的u，v风、2-m高度上的温度，还有不同气压层上的温度、位势高度、比湿、散度、垂直运动速度等物理量。地球表面单层资料的下载地址为： 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 。

(a) 时间插值方法

由于“千足虫状”云发生的时间未必是整点时刻，故采用拉格朗日(Lagrange)多项式插值法来获取其发生时刻的物理量。本文采用五阶拉格朗日插值多项式法，即选取个例发生前后各3 h的ERA5再分析资料进行插值，插值系数的计算公式如下：

$l_i\left(x\right)=\frac{\left(x-x_0\right)\left(x-x_1\right)\cdots \left(x-x_{i-1}\right)\left(x-x_{i+1}\right)\cdots \left(x-x_n\right)}{\left(x_i-x_0\right)\left(x_i-x_1\right)\cdots \left(x_i-x_{i-1}\right)\left(x_i-x_{i+1}\right)\cdots \left(x_i-x_n\right)}$(1)

$Y\left(x\right)={\displaystyle {\sum }_{i=0}^n{y}_i{l}_i\left(x\right)}$(2)

公式(1)中 $x_i$表示第i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)为物理量的计算公式， $y_i$表示第i时刻物理量的值，取n = 5。

(b) 云个例识别

由于“千足虫状”云常发生于浓密的层积云中，与大片的“闭口细胞状”云(Closed Cellular Cloud)和“开口细胞状”云(Open Cellular Cloud)伴随发生 [5] [6] ，搜寻方式须依据云的组织结构、外观形态以及周围环境进行判断，目前还难以找到一种客观方法来进行识别，只能采用人工识别方法，即从NASA提供的极轨卫星云图中，识别出具备以下特征的云系：(1) 云系中心有一条明显的“中轴线”，长度在几百千米至几千千米；(2) 有多条轮廓清晰的、长度为几十千米的径向云臂，由“中轴线”向两侧延伸，形似“千足虫”的腿。由于“千足虫状”云的生命周期往往在一天以上，因此，可以看到一个“千足虫状”云个例至少会在极轨卫星拼接云图中出现一次。另外，在统计时，若观察到连续两天及以上的卫星云图中“千足虫状”云个例位置不动，则将其统计为一个个例。

统计分析发现，2012年至2016年共有183个“千足虫状”云个例发生在中低纬度的东南太平洋和东北太平洋上空，其中北半球有19个，南半球有164个。“千足虫状”云的空间分布具有明显的区域性特征，绝大多数的“千足虫状”云发生在低纬度的热带和副热带海域上空(见 图2 )。进一步分析发现，北太平洋上空大多数“千足虫状”云发生在20˚N附近；南太平洋上空“千足虫状”云具有大致相同的分布特征，大多发生在0˚~30˚S之间。从东西方向看，北太平洋上空的“千足虫状”云个例均分布在大陆以西170˚W~110˚W范围内，而南太平洋上空“千足虫状”云则集中分布在大陆西岸120˚W~80˚W的范围内。总体看来，南北半球“千足虫状”云发生位置的空间分布有较大差异，北半球的“千足虫状”云分布较为离散；南半球分布较为密集且不均匀，低纬地区“千足虫状”云发生的频率较高，东南太平洋、秘鲁西部海域为“千足虫状”云多发的海域。

此外，基于“千足虫状”云的独特形态，云的长轴的延伸方向同样值得研究。由2012年至2016年“千足虫状”云在太平洋上空的地理位置分布图可以看出，云的长轴方向大致呈东西走向，即与纬度方向平行，长轴较长、云体较长个例的长轴有一定程度的弯曲，长轴南北向发展的个例数相对较少。

图2. 2012年至2016年，太平洋上空“千足虫状”云的地理位置分布图。(a) 2012年，(b) 2013年，(c) 2014年，(d) 2015年，(e) 2016年，红色实线表示“千足虫状”云系长轴(中心轴线)的位置

2012年至2016年“千足虫状”云的逐月发生个数分布如 图3 所示。“千足虫状”云发生个数可分为三个时段，高频发生月份(6、7、8月)，中频发生月份(5、9、10月)，低频发生月份(1、2、3、4、11、12月)。183个“千足虫状”云个例中，在高频发生月份(6、7、8月)有131个，约占总数的72%，其中最多的是7月份，共48个。在中频发生月份(5、9、10月)有37个，约占总数的20%。在低频发生月份(1、2、3、4、11、12月)有15个，约占总数的8%。各月均有“千足虫状”云发生，表明“千足虫状”云是全年均可发生的现象。

“千足虫状”云在不同季节的发生频率变化较大。考虑到南北半球“千足虫状”云有所差异，本文分别统计了南半球和北半球“千足虫状”云的月份分布情况，逐月发生个数分布情况见 图4 以及 表1 。4月至10月、12月当中南太平洋上空发生个数多于北太平洋，且6、7、8月相差最大，最大差距可达46个(7月份)，这时对应南半球冷季。在1、2、3、11月当中，北半球发生的“千足虫状”云个数要多于南半球，这时对应北半球的冷季。由此可推论，冷季可能更有利于“千足虫状”云的发生。

图5 展示了2012年8月22日20:05 UTC发生在南太平洋上空的一个典型“千足虫状”云个例的卫星云图和云顶高度、云顶气温和云顶气压等特征，云系中心位于(15.7657˚S, 97.8674˚W)附近，云系面积约为795642 km²，长轴长度约为2447 km。其南北两侧均与大面积的“开口细胞状”云相连接，东西两侧“千足虫状”的形态并不显著，“中轴线”清晰可辨，从“中轴线”出发的云臂之间无云区明显，并随着云臂延伸，外端逐渐发散并近似连成一个整体，云系整体组织结构清晰，可以认为是一个典型的“千足虫状”云个例。

该“千足虫状”云个例的云顶高度、云顶气温和云顶气压如 图5(b) 、 图5(c) 和 图5(d) 所示。该个例的“中轴线”以及云臂处的云顶高度约为1600 m~2400 m，云顶温度约为280 K~285 K，云顶气压约为800 hPa~850 hPa。该个例云顶高度分布相对均匀，“中轴线”南侧云高略高于北侧，且云顶高度与北侧“开口细胞状”云相差不大，云顶温度也呈现类似特征。

Fu et al. [4] 分析指出，“千足虫状”云是一类低云，云顶气压一般在800 hPa~850 hPa之间。针对该个例，我们根据2012年8月22日20:05 UTC的Aqua卫星云图( 图6 )中的ABCD剖线，利用ERA5再分析资料，先按照公式(1)和(2)进行时间插值，然后绘制了2012年8月22日20:05 UTC的垂直剖面图(见 图7 )。

由气温垂直剖面可知，在850 hPa以下，等温线基本平行，气温的垂直分布符合对流层气温随高度升高而降低的特征。但在800 hPa至850 hPa之间等温线密集，表明“千足虫状”云在接近云顶附近区域温度垂直梯度较大。同时在该区域范围，气温随高度升高而升高，说明在接近云顶附近存在明显的逆温层。而在800 hPa以上和850 hPa以下，气温随高度升高而降低( 图7(a) )。对于“千足虫状”云而言，云顶附近的逆温层可使得上下层水汽交换变弱，下层大气水汽含量大，有利于“千足虫状”云形成；但对于上层大气，逆温层会抑制对流的形成，不利于水汽的垂直输送，从而导致800 hPa以上的水汽含量较低，空气干燥。分析比湿垂直剖面可知，在850 hPa以下比湿较大，有利于云的形成。但850 hPa至800 hPa之间比湿急剧减小，表明在接近云顶附近区域，垂直方向水汽的分布差异很大。800 hPa以上比湿很小，空气干燥，近乎无云形成( 图7(b) )。水平散度垂直剖面中，950 hPa以下散度为负值，表明近地面空气辐合。850 hPa至900 hPa之间散度为正值，表明在“千足虫状”云中层内部空气辐散。在800 hPa至850 hPa之间，散度较小，表明水平运动较弱，可能受到逆温层的影响。空气低层辐合，高层辐散，由此推测在“千足虫状”云发生区域，空气主要以上升运动为主( 图7(c) )。垂直运动速度剖面反映了垂直运动速度多都为正值，表明在“千足虫状”云发生区域，空气以上升运动为主。在900 hPa层上，垂直运动速度有正值中心，表明该层空气有较强的上升运动。在800 hPa至900 hPa之间，随着高度抬升，垂直运动速度有所减小，上升运动有所减弱。在800 hPa层上，垂直运动速度非常接近于零，说明受到逆温层的影响，大气垂直运动微弱( 图7(d) )。综合分析 图7(c) 、 图7(d) 可知，“千足虫状”云内部的特征为：近地面至云系低层有辐合上升运动；云系中层以上为上升运动，水平运动较弱；云顶处由于受到逆温层的影响，大气垂直运动微弱，水汽无法继续进行垂直输送，从而阻碍了云系的向上发展。

图7. 2012年8月22日20:05 UTC南太平洋上空“千足虫状”云个例的垂直剖面图。(a) 气温垂直剖面(单位：K)，(b) 比湿垂直剖面(单位：g/kg)，(c) 水平散度垂直剖面(单位：10⁻⁵/s)，(d) 垂直运动速度剖面(单位：m/s)

为分析该个例环境背景气象要素特征，本文选取了925 hPa、875 hPa、825 hPa和700 hPa四个气压层，分析各层的位势高度、气温、水平风场、比湿分布特征。

由 图8 可知，该“千足虫状”云发生区域整体受到高压系统的控制，海平面高压中心位于(35˚N, 100˚W)附近，中心气压约为1032.0 hPa，高压中心西南侧存在一个小低压中心，高低压中心之间等压线密集，气压梯度大，风速较大。“千足虫状”云发生区域位于海平面高压中心的偏北侧，其走向与等压线近似平行，该区域内海平面风向为东南风，冷平流贯穿整个“千足虫状”云发生区域，由云区右侧至左侧，2 m高度风场方向逐渐偏转，与“千足虫状”云长轴方向趋于一致。受高压系统的影响，该区域整体风速较小，有利于云状的维持。

分析各层的位势高度和气温特征( 图9 )。925 hPa层上的位势高度场形势与海平面气压场基本相似，高压中心位置略向北偏移。875 hPa、825 hPa层上的闭合等压线数量减少，高压中心略微向西移动。700 hPa层上高压中心已不存在闭合等压线，高压中心向西北方向偏移，低压中心位置随高度增加未发生明显偏移。总体来看，高压系统较为深厚，云体更容易维持。

分析区域(50˚S~10˚N, 140˚W~80˚W)温度分布特征，来判断“千足虫状”云发生区域的温度背景场特征。在925 hPa层上，温度形势与海平面类似，西北侧小范围闭合等温线增多( 图9(a) )。在875 hPa层上，闭合等温线进一步增多，等温线更加密集，整体温度梯度增大( 图9(b) )。在825 hPa层上，等温线分布明显更为密集且较为破碎，在云体发生区域附近存在较大的温度梯度( 图9(c) )。在700 hPa层上，温度梯度减小，等温线变得光滑且与槽脊线走向类似，表明该“千足虫状”云个例并未发展到700 hPa的高度( 图9(d) )。同时，随着高度升高，槽脊逐渐发展，北抬脊加强，南伸槽加深，导致南部的冷空气向北侵入与暖空气汇合，形成较大的温度梯度，等温线密集，导致该区域东侧温度异常，进而促进了云的扰动与发展。

图10 为该“千足虫状”云个例不同气压层上的比湿场和温度场分布。在925 hPa层上( 图10(a) )，比湿场整体分布呈现出西北高、东南低，由西北向东南递减的特征，“千足虫状”云个例发生区域附近水汽充足，有利于云的形成。在云体发生区域，等温线、等比湿线都明显向东侧弯曲，表明云的发生区域内温度、比湿明显大于周围区域。在875 hPa层上( 图10(b) )，闭合等比湿线减少，比湿梯度减小，温度梯度有所增加。在825 hPa层上( 图10(c) )，个例发生区域出现了较大的温度梯度，且温度相较于875 hPa层有所升高，比湿下降较快。气温和比湿的垂直剖面图( 图7(a) 、 图7(b) )显示，逆温层可以发展到850 hPa及以上的高度，且此处温度梯度，比湿梯度都较大。可以判断该区域(23˚S~10˚S, 107˚W~85˚W)被干暖气团覆盖，温度相较于875 hPa层有所升高，说明该区域已被逆温层覆盖，逆温层中的干暖空气与云带中的暖湿空气形成鲜明的对比。在700 hPa层上( 图10(d) )，整体比湿大幅降低，等温线、等比湿线都非常稀疏，可见该“千足虫状”云个例未发生至此高度。