來去匆匆話冰雹

王奉安

近來，有關(guān)冰雹天氣的報道屢見不鮮：5月17日，山東青島等多地出現(xiàn)強對流天氣，竟然落下雞蛋般大小的冰雹；5月31日，甘肅天水遭遇近年來最強冰雹災(zāi)害，受災(zāi)人口多達15.6萬；6月1日，山東泰安突降冰雹，其中，泰山地區(qū)所降冰雹最大直徑達3.1厘米，大如湯圓……

所謂冰雹，是指從強烈發(fā)展的積雨云中降落下來的固態(tài)降水物；在氣象學(xué)中，把直徑在5毫米以上的這種固態(tài)降水物稱為冰雹。冰雹的形狀不規(guī)則，大小不等，大多數(shù)呈橢球形或球形，小的如綠豆、黃豆，大的似栗子、雞蛋，特大的冰雹比柚子還大。

冰雹災(zāi)害帶來的最大影響就是對農(nóng)業(yè)的危害，大田作物以及蔬菜、水果、花卉等較為脆弱的經(jīng)濟作物在冰雹天氣中所受的危害尤為巨大。此外，冰雹損壞房屋、造成人畜傷亡的案例也不少見。

天上云端“滾元宵”

冰雹和雨、雪一樣都是從云里掉下來的。大氣中有各種不同形式的空氣運動，形成了不同形態(tài)的云。因?qū)α鬟\動而形成的云有淡積云、濃積云和積雨云等，在氣象學(xué)中統(tǒng)稱為積狀云。只有發(fā)展特別強盛的積雨云，云體十分高大，云中有強烈的上升氣流，云內(nèi)有充沛的水分，才會產(chǎn)生冰雹。這種云也被稱為冰雹云。

冰雹云是由水滴、冰晶和雪花組成的，一般分為3層：離地面最近一層的溫度在0℃以上，由水滴組成；中間一層的溫度為-20～0℃，由過冷卻水滴（指的是0℃以下還沒有結(jié)冰的水滴）、冰晶和雪花組成；最上面一層的溫度在-20℃以下，由冰晶和雪花組成。

在冰雹云中，冰雹又是怎樣長成的呢？

在冰雹云中，強烈的上升氣流攜帶著大大小小的水滴和冰晶，它們不停地運動著，其中有一些水滴和冰晶合并、凍結(jié)成較大的冰粒，這些粒子和過冷卻水滴被上升氣流輸送到含水量累積區(qū)，就可以成為冰雹核心（簡稱雹核）；對于雹核來說，含水量累積區(qū)有著良好的生長條件。雹核被上升氣流帶入生長區(qū)后，在水量較多、溫度不太低的區(qū)域與過冷卻水滴碰并，形成一層透明的冰層；再向上進入水量較少的低溫區(qū)，這里主要由冰晶、雪花和少量過冷卻水滴組成，雹核與它們粘并、凍結(jié)，形成不透明的冰層。這時，冰雹已經(jīng)長大，而那里的上升氣流較弱，當較弱的氣流支撐不住長大了的冰雹時，冰雹便會下落，并在下落過程中不斷并合冰晶、雪花和水滴繼續(xù)生長；當它落到溫度較高的區(qū)域時，碰并上去的過冷卻水滴便形成透明的冰層。這樣，冰雹就一層透明、一層不透明地增長；最后，當上升氣流再也支撐不住時，冰雹就從云中落了下來。

不過，隨著氣象科學(xué)的發(fā)展，人們逐步認識到“滾元宵”的說法有點太簡單了，它回答不了關(guān)于冰雹結(jié)構(gòu)的許多問題，諸如：為什么冰雹的透明層常常比不透明層厚？為什么在冰雹的同一層，有的地方厚，有的地方??？為什么雹胚有時會偏在冰雹的某一側(cè)？為什么會有奇形怪狀的冰雹？對此，中外的云霧物理學(xué)家根據(jù)觀測和實驗，提出了一些新的解釋。觀測發(fā)現(xiàn)，在-2～0℃甚至更冷的云層內(nèi)，云滴并未凍結(jié)，水依然是液態(tài)的，這就是過冷卻水滴。過冷卻水滴和云中的雹胚相碰時，會立即凍結(jié)，并釋放熱量，即潛熱。潛熱使冰雹表面的溫度升高到0℃，冰雹就可以在其表面水分保持液態(tài)的狀態(tài)中長大，形成透明冰層。冰雹的這種增長方式叫“濕增長”；如果冰雹表面由于熱傳導(dǎo)和蒸發(fā)冷卻作用而大量損失熱量、溫度下降，在撞凍過程中就會形成不透明冰層，冰雹的這種增長方式叫“干增長”。也就是說，雹塊中密度小的不透明層是在“干增長”過程中形成的，密度大的透明層是在“濕增長”過程中形成的。由于干濕增長交替進行，而且運動狀態(tài)并不均勻，所以有的冰雹的透明層比不透明層厚，甚至在同一層內(nèi)也出現(xiàn)厚薄不均的情況，還有的冰雹的雹胚并不處于正中心，而是偏向某一側(cè)，有時甚至形成奇形怪狀的冰雹?？傊眠@一理論，冰雹層結(jié)構(gòu)的許多特殊現(xiàn)象都可以得到很好的解釋。

奇冰怪雹面面觀

除了我們見過的常規(guī)冰雹外，歷史上也曾出現(xiàn)過一些奇怪的冰雹。

冰雹冠軍

冰雹大小通常在直徑5毫米以上，但在古今中外，曾出現(xiàn)過很大的冰雹。1788年7月13日，一場冰雹襲擊了大半個法國，最大的雹塊重達2500克以上，砸死了許多飛禽和牲畜。1968年3月，印度比哈爾邦的一場冰雹中，最大雹塊重l000克，當場將小牛砸死。1970年9月3日，美國堪薩斯州出現(xiàn)的一場冰雹中，最大的雹塊重776克，直徑有十一二厘米，大如飯碗。在我國歷史古籍《后漢書》中，有記載說：“延光二年，河西雹如斗?！鼻宕氖窌校灿嘘P(guān)于大冰雹的記載：清咸豐八年（1858年）七月十九，河北定州冰雹，大者如碗。 1960年5月3日凌晨3時，我國湖南省古文縣下了一場冰雹，最大雹塊重達3500克。更為罕見的是，1981年的一天，西班牙拉加省阿洛拉市附近的農(nóng)民正在田里干活，忽然聽見一道刺耳的尖嘯聲，就像是炮彈從頭頂呼嘯而過所發(fā)出的聲音一樣；緊接著，一個巨大的球形冰塊從天而降。這個大冰塊重約100千克，掉到地面后碎成許多塊，濺撒在直徑40米的范圍內(nèi)。2020年 4月30日，阿根廷降下一個直徑19～24厘米的巨大冰雹。

從時間上看，冰雹經(jīng)常出現(xiàn)在春季到秋季這段時間，尤以春夏之交和夏秋之交為多，冬季很少降雹，而且在我國，冰雹呈現(xiàn)有規(guī)律地自南向北推移的特點。成片雹區(qū)大體在3個地帶，淮河以南主要集中在2—5月，黃淮海地區(qū)集中在4—7月，黃河以北地區(qū)集中在5—10月。青藏高原和其他高山地區(qū)則在6—9月多冰雹活動。就日分布來說，各地的冰雹多出現(xiàn)在午后，夜間和清晨一般較少。

人們經(jīng)常說“雹打一條線”。這是因為冰雹云單體的直徑一般只有10～20千米，并且在上升氣流區(qū)，其直徑更小。冰雹云單體的持續(xù)時間多為1小時左右，移動時速為20～40千米。因此，在冰雹云經(jīng)過的區(qū)域，會出現(xiàn)一條狹長的“雹擊帶”，其帶寬不足5千米，長20～30千米。在這條“雹擊帶”內(nèi)，冰雹的降臨就像陣雨的出現(xiàn)一樣是間歇性的、陣性的，冰雹所路過區(qū)域是跳躍式的。前一個冰雹云單體降下冰雹后迅速消散，而后，另一個冰雹云單體迅速發(fā)展，孕育出新的冰雹，整個過程有點像蛤蟆跳過的區(qū)域。所以，人們形象地稱之為“降雹蛤蟆跳”。

從世界范圍來看，中緯度山區(qū)經(jīng)常降雹，平原少見，熱帶或寒帶則絕無僅有。中亞、美國中部每年都有幾次到幾十次的降雹。

冰雹預(yù)報與人工防雹

既然冰雹帶來的災(zāi)害如此大，我們有沒有什么辦法減少雹災(zāi)，甚至實現(xiàn)人工防雹呢？

人工防雹需要準確的冰雹預(yù)報，而要進行準確的冰雹預(yù)報，目前還存在不小的難度。冰雹預(yù)報的關(guān)鍵是識別冰雹云，而冰雹云只是積雨云的一種；因此，如何從不同類型的積雨云中識別出冰雹云，也就成為人工防雹首先要解決的問題。自20世紀60年代以來，國內(nèi)外氣象科技人員利用飛機、氣象雷達和無線電探空等手段，對冰雹云和雷雨云的結(jié)構(gòu)及演變等物理特性進行了大量的觀測分析，并研究了冰雹和雨滴在云中生長的條件與物理過程，從而對冰雹云的特征有了一定的認識。同其他積雨云相比，冰雹云具有發(fā)展更加旺盛、厚度更大、云中上升氣流更強、水量更充沛、在0°C層以上常有過冷卻大云滴較集中的區(qū)域等特點。云的外觀具有云底黑暗或呈黃色、翻滾強烈的特征。此外，在氣象雷達回波上可見發(fā)展高、強度大和閃電頻繁等特征。

人工防雹的原理就是采用人為辦法對一個地區(qū)上空可能產(chǎn)生冰雹的云層施加影響，阻止云中的冰雹胚胎形成雹粒，或者使小冰粒在變成大冰雹之前就降落到地面。這需要向云中播撒足夠量的催化劑，以產(chǎn)生大量冰晶，使其迅速形成更多的水滴或冰粒，造成同雹胚競爭水分的優(yōu)勢，從而抑制雹塊的增長。通常，人工防雹是用高炮或火箭將裝有碘化銀的彈頭發(fā)射到冰雹云的適當部位，以噴焰或爆炸的方式播撒碘化銀，或用飛機在云層下部播撒碘化銀焰劑。我國已有多個省份開展過人工防雹作業(yè)。