我们来详细解读彩虹光环（日晕、月晕）的光学成因及其与天气变化的潜在联系。
一、光学成因：冰晶的折射与色散
日晕和月晕（统称为晕）本质上是一种大气光学现象，其核心成因是高层大气中的冰晶对阳光或月光的折射和色散。
关键要素
光源： 太阳或月亮。
介质： 位于
卷层云中的
六角柱状冰晶。卷层云通常出现在5-10公里的高空，温度非常低（远低于0°C），水汽以冰晶形式存在。
冰晶形状： 最关键的冰晶形状是
正六角柱体（像一根铅笔，横截面是正六边形）。这些冰晶可以随机取向，也可以在某些条件下（如缓慢沉降）呈现水平取向（这对形成幻日很重要）。
物理过程：- 折射： 当光线从一个介质（空气）进入另一个介质（冰晶）时，会发生偏折，这就是折射。冰的折射率约为1.31。
- 色散： 不同颜色的光（不同波长）在冰晶中的折射率略有不同（红光最小，紫光最大），导致它们被折射的角度不同，从而将白光分解成光谱色。
- 最小偏向角： 光线穿过冰晶时，其路径会发生偏折。对于特定形状的棱镜（如六角柱的侧面），存在一个特定的入射角，使得光线穿过棱镜后的总偏折角度最小，这个角度称为最小偏向角。对于六角形冰晶侧面构成的60°顶角棱镜，这个最小偏向角约为22°。
形成过程（以最常见的22°晕为例）
光线入射： 太阳光（或月光）照射到高空中卷层云里的六角柱状冰晶上。
棱镜作用： 光线从空气进入冰晶的一个侧面（如六边形的一个面），发生第一次折射（并伴随色散）。
内部传播： 光线在冰晶内部传播。
第二次折射： 光线从冰晶的另一个侧面（与第一个面成60°角的相邻面）射出，发生第二次折射（再次伴随色散）。
最小偏向角路径： 大部分能形成清晰晕的光线，其入射角和出射角满足使总偏折角接近最小偏向角22°的条件。
汇聚成环： 天空中分布着无数个随机取向的冰晶。对于观察者来说，所有那些将光线偏折了大约22°的冰晶，都位于一个以太阳（或月亮）为中心、视角半径为22°的圆形光环上。
色散显现： 由于色散作用，红光偏折角度最小（约21.7°），蓝紫光偏折角度最大（约22.4°）。因此，在22°光环上，
内侧（靠近光源一侧）呈现红色，外侧（远离光源一侧）呈现蓝紫色，中间是其他颜色。但由于冰晶形状的不完美、大小不一、取向不完全随机以及大气散射等因素，颜色通常比较柔和，有时甚至呈现白色。
常见类型
- 22°晕： 最常见，围绕太阳或月亮22°视角半径的明亮光环。
- 46°晕： 较罕见，视角半径约46°。成因是光线穿过六角柱冰晶的端面（90°顶角）和侧面（60°顶角）构成的棱镜，其最小偏向角约为46°。颜色排列与22°晕类似，但更暗淡。
- 幻日： 出现在22°晕左右两侧、与太阳同高度的两个明亮光斑（有时有彩色）。成因是大量六角片状冰晶在空气中水平漂浮（像盘子一样）。光线从冰晶的侧面进入，从另一个侧面（成60°角）射出，水平取向的冰晶使得这种折射路径主要发生在水平方向两侧，形成左右两个光点。颜色排列也是内红外紫。
- 上/下切弧/幻日环： 更复杂的光弧，与冰晶特定取向和光线路径有关。
二、与天气变化的潜在联系
晕的出现，特别是稳定、清晰的晕，通常被认为是天气可能转坏（降水）的一个征兆，但这并非绝对，需要结合具体云系演变来看。其联系主要基于以下气象学原理：
卷层云的指示意义： 晕的形成需要卷层云。卷层云本身是一种薄而透光的高层云，通常由冰晶组成。
锋面系统的前兆： 在温带地区，大范围的、逐渐增厚的卷层云通常是
暖锋或
锢囚锋前锋云系的
最前端部分。暖锋是暖空气主动向冷空气区域推进时形成的锋面。
云系演变顺序：- 前兆： 暖锋来临前，高空暖湿空气首先在冷空气楔上方爬升，在高空形成卷云，然后演变成覆盖范围更广、更连续的卷层云（此时可能看到晕）。
- 发展： 随着暖锋系统逼近，中层的云（如高层云）会逐渐增厚并覆盖天空，卷层云下方出现高层云。
- 降水： 暖锋主体到达时，高层云进一步增厚、降低，发展成能产生连续性降水的雨层云或高层云。
时间关联： 因此，当看到稳定、清晰的日晕或月晕时，意味着：
- 高空中存在大量冰晶（卷层云）。
- 这些卷层云很可能是一个正在逼近的、具有一定规模的天气系统（特别是暖锋）的前兆云系。
- 根据系统移动速度，通常在晕出现后的 12小时到48小时 内，天气可能转坏，出现降水（雨或雪）。民间谚语“日晕三更雨，月晕午时风”、“日枷风，月枷雨”就反映了这种经验性的关联。
需要谨慎判断：- 并非所有卷层云都预示降水： 有些卷层云是孤立的、不发展的，或者与微弱的扰动有关，并不一定带来显著降水。
- 晕的清晰度和稳定性： 模糊、短暂或不完整的晕可能指示云层较薄、不稳定或冰晶不足，其预示意义较弱。
- 系统路径： 锋面系统可能改变路径，未能直接影响观测地。
- 季节和地区： 在干旱地区或稳定高压控制下出现的卷层云，降水可能性较低。冬季的卷层云可能更多预示降雪。
- 其他云系： 需要观察后续云系的发展（如高层云增厚、云底降低）来综合判断。
总结
光学成因： 日晕和月晕主要是阳光/月光穿过
卷层云中大量随机取向的六角柱状冰晶时，光线在冰晶侧面（构成60°顶角棱镜）发生
两次折射并产生色散，最终以
最小偏向角约22° 汇聚到观察者眼中形成的彩色（或白色）光环。
天气联系： 稳定清晰的晕的出现，常被视为
锋面系统（尤其是暖锋）正在逼近的前兆信号。它指示高空存在大量冰晶（卷层云），根据锋面移动速度，通常在
未来12-48小时内，天气可能转坏并伴有
降水。但这是一种概率性的指示，需要结合后续云系演变、天气图和其他气象信息进行综合判断。
因此，下次看到美丽的日晕或月晕时，除了欣赏其光学奇观，不妨也留意一下天空的变化，它可能正在向你传递天气即将转变的信息。
