探讨冰雹形成过程中的大气物理变化及相关科学研究成果

一、 冰雹形成的核心前提条件 强烈的深层垂直上升气流： 这是冰雹形成的“发动机”。需要强大的上升气流（通常速度 > 15-20 m/s，甚至可达 50 m/s 以上）将水滴抬升到冻结层以上，并有足够的力量支撑正在增长的雹块（可能重达数公斤）在空中停留足够长的时间以增长。 丰富的过冷水滴： 在温度低于 0°C 但尚未冻结的液态水滴（过冷水滴）是冰雹增长的主要“原料”。风暴中需要有充足的水汽供应和凝结核，形成大量的云滴，并在上升过程中冷却成为过冷水滴。 足够厚的负温区： 从 0°C 层向上延伸到 -20°C 甚至 -40°C 的深厚低温区域。这个区域提供了过冷水滴存在的空间和冰雹增长的“工作区”。厚度越大，冰雹增长的时间窗口越长。 合适的冻结层高度： 0°C 层（冻结层）的高度需要适中。太低（如接近地面），形成的冰粒可能很快落下，来不及增长；太高，则增长区厚度可能不足，且最终落下的冰雹在通过暖层时融化过多。 二、 冰雹形成过程中的关键物理变化

初始冰核的形成：

• 变化： 在云中温度低于约 -10°C 的区域（冰核活化温度），大气中的冰核（如矿物粉尘、生物质颗粒、烟尘等）开始活化，水汽在其表面直接凝华（水汽→冰晶）或过冷水滴在其表面冻结，形成最初的冰晶或冻滴。
• 物理过程： 异质核化（凝华核化或凝结核化）。

冰晶的繁生：

• 变化： 在 -3°C 到 -8°C 的温度区间（霰胚形成的关键温度），冰晶通过贝吉隆过程（冰晶效应）快速增长。由于冰面饱和水汽压低于水面饱和水汽压，环境中的水汽会优先凝华到冰晶上，导致冰晶迅速增大，形成霰胚。
• 物理过程： 水汽扩散增长（贝吉隆过程）。

霰胚的形成与干/湿增长：

• 变化： 霰胚（小冰雹核心）在上升气流中继续运动，与大量过冷水滴发生碰撞。
• 干增长： 当环境温度很低（通常低于 -15°C 至 -20°C）或过冷水滴浓度较低时，碰撞的过冷水滴在霰胚表面瞬间冻结，形成不透明的、含有大量气泡的白色冰层（疏松结构）。释放的潜热能被快速散发。
• 湿增长： 当环境温度相对较高（接近 0°C）或过冷水滴浓度很高时，碰撞的过冷水滴在霰胚表面不能瞬间完全冻结。部分水在表面形成一层薄水膜，然后才逐渐冻结（或在后续碰撞中冻结），形成相对透明的冰层（致密结构）。释放的潜热使粒子表面温度接近 0°C。
• 物理过程： 碰撞并合、水滴冻结（瞬时或延迟）、潜热释放与耗散。干湿增长模式决定了雹块最终的密度、透明度和结构。

冰雹的循环增长：

• 变化： 这是形成大冰雹的关键。在超级单体风暴中，存在一个倾斜的、强烈且相对稳定的上升气流。小雹块（胚胎）在上升气流边缘形成后，可能被带入主上升气流区向上抬升增长。当它们增长到上升气流托不住的程度时，会从上升气流边缘（或穿过较弱上升气流区）下落。在下落过程中，它们可能再次进入上升气流区（尤其是主上升气流前侧的下沉气流较弱或有弱的辐合区），开始新一轮的上升和增长。这种“循环”过程使雹块在云中滞留时间大大延长，经历多次干/湿增长循环，最终形成层状结构（透明层与不透明层交替）的大冰雹。
• 物理过程： 复杂的流场结构（上升/下沉气流配置）、粒子轨迹动力学、多次碰撞增长循环。

冰雹的降落与融化：

• 变化： 当冰雹增长到足够大，其下落末速度超过所在高度的上升气流速度时，它开始下落。在穿过 0°C 层以下的暖区时，冰雹表面开始融化。融化程度取决于暖层的厚度和温度、冰雹的大小和初始温度、下落速度等。小冰雹可能完全融化成为雨滴，大冰雹则部分融化后到达地面。
• 物理过程： 重力沉降、空气动力学拖曳、融解（相变吸热）。

三、 相关科学研究成果

冰雹研究是强风暴研究的核心领域之一，科学家们利用多种手段进行探索：

雷达观测技术：

• 成果： 双偏振雷达是冰雹探测和识别的革命性工具。它能测量降水粒子的形状、大小分布、相态和空间取向。
  • 高差分反射率因子通常指示大冰雹或湿冰雹。
  • 高差分传播相移率表明存在非球形大粒子（如冰雹）。
  • 相关系数在冰雹区会降低（因粒子多样性）。
  • 强反射率因子（> 50-55 dBZ）且延伸到远高于冻结层的高度是强上升气流和大冰雹的经典标志。
• 意义： 极大提高了对冰雹风暴的实时监测、预警能力和对冰雹尺寸的估计精度。

数值模拟：

• 成果： 高分辨率云分辨模式（如 WRF 模式中的微物理方案）被广泛用于模拟冰雹形成过程。
  • 成功模拟了超级单体风暴中冰雹的循环增长过程，揭示了上升气流结构、过冷水分布与冰雹轨迹、增长模式的关系。
  • 研究不同微物理参数化方案（冰核谱、霰/雹的转化阈值、碰撞效率、干/湿增长判据等）对冰雹预报的影响。
  • 模拟不同环境条件（风切变、不稳定能量、水汽）对冰雹大小和数量的影响。
  • 研究城市热岛效应、气溶胶浓度变化对冰雹活动的影响。
• 意义： 深化了对冰雹形成物理机制的理解，为改进预报模式提供了理论基础。

现场观测与冰雹切片分析：

• 成果：
  • 对收集到的冰雹进行切片，观察其层状结构（透明层与不透明层交替），可以反演冰雹在云中的增长历史：透明层对应湿增长（较高温度、高过冷水浓度），不透明层对应干增长（较低温度、较低过冷水浓度或快速冻结）。层数大致反映了循环次数。
  • 通过同位素分析（如氧同位素 δ¹⁸O），可以推断冰雹形成不同阶段的环境温度和水汽来源。
• 意义： 提供了冰雹增长过程的直接“化石记录”，验证理论和模型。

人工影响天气（防雹）：

• 成果与理论： 主要基于“过量播撒”和“竞争性核化”理论。
  • 过量播撒： 向云中过冷水丰富区（雹胚形成区）大量播撒人工冰核（如碘化银），旨在产生大量的人工雹胚。这些人工雹胚与自然雹胚竞争过冷水资源，由于数量众多，每个个体只能增长到较小尺寸（小冰雹或霰），在落地前可能融化消失。
  • 动力效应（辅助）： 大量冰晶形成释放的潜热可能改变云内热力结构，影响上升气流强度。
• 现状： 防雹实践（尤其在中国、俄罗斯等冰雹灾害严重地区）广泛开展，但科学评估其效果存在挑战（难以设置严格对照实验）。效果存在争议，部分研究显示有一定减少大冰雹概率和损失的效果，但需要更严格的科学验证。

气候变化与冰雹活动：

• 成果与争议： 这是当前研究热点，但结论尚存不确定性。
  • 支持增加： 理论认为，全球变暖导致大气持水能力增加（约 7%/°C），可能提供更多水汽；同时，更强的对流有效位能可能增强上升气流强度。两者结合可能有利于更大冰雹的形成。
  • 支持减少或变化： 变暖导致 0°C 层高度抬升，冰雹需穿越更厚的暖层才能到达地面，融化加剧，可能使更多冰雹在落地前融化，减少小到中等冰雹数量，但可能有利于在更强风暴中形成能幸存落地的大冰雹。风切变的变化模式也复杂。
  • 观测证据： 区域差异大。一些地区（如美国中部、欧洲阿尔卑斯山麓）报告大冰雹事件频率或强度增加趋势，但全球尺度的清晰趋势尚不明显。数据质量和记录长度是挑战。
• 意义： 理解未来冰雹灾害风险的变化对防灾减灾至关重要。

总结

冰雹的形成是强风暴内部复杂物理过程的产物，核心在于强烈的上升气流、丰富的过冷水滴以及霰/雹粒子在特定流场中的循环增长。现代研究通过先进的雷达技术（尤其是双偏振雷达）、高分辨率数值模拟、冰雹物理分析和防雹实践，不断深化对冰雹微物理过程、风暴结构与冰雹关系、以及其在气候变化背景下可能演变的理解。虽然人工防雹技术在实践中应用，其确切效果的科学验证仍需加强。对冰雹形成物理机制的深入认识，是提高预报预警能力、评估未来灾害风险和探索有效干预手段的基础。