從氣象學(xué)角度解析冰雹的大小差異成因及相關(guān)觀測研究進(jìn)展

我們從氣象學(xué)角度深入解析冰雹大小差異的成因，并介紹相關(guān)的觀測研究進(jìn)展。

冰雹的大小（直徑）差異巨大，從幾毫米（豌豆大小）到超過15厘米（比壘球還大）。這種差異主要源于冰雹胚胎在強(qiáng)雷暴云（特別是超級單體雷暴）中生長時所經(jīng)歷的微物理過程和動力環(huán)境的時空變化。核心因素包括：

可用過冷水含量：

• 核心因素： 冰雹生長依賴于與過冷水滴（溫度低于0°C但仍為液態(tài)的水滴）的碰撞并凍結(jié)。云中液態(tài)水含量越高，尤其是過冷水含量越高，冰雹胚胎能捕獲的水滴就越多，生長速度就越快。
• 大小差異： 在過冷水含量豐富的區(qū)域（通常位于強(qiáng)上升氣流核心附近），冰雹生長迅速，容易形成大冰雹。反之，在過冷水含量低的區(qū)域，生長緩慢，冰雹較小。同一風(fēng)暴中不同位置、不同時間，過冷水含量分布極不均勻。

上升氣流強(qiáng)度與持續(xù)時間：

• 托舉作用： 強(qiáng)烈的上升氣流是支撐冰雹胚胎懸浮在云中過冷水豐富區(qū)域的關(guān)鍵。上升氣流必須足夠強(qiáng)，才能克服冰雹自身的重力使其不提前下落。
• 生長時間： 上升氣流越強(qiáng)、持續(xù)時間越長，冰雹胚胎就有更多時間在過冷水豐富的區(qū)域（通常在-10°C到-30°C之間）循環(huán)往復(fù)，不斷碰撞、捕獲過冷水滴并生長。這是形成大冰雹的必要條件。短暫的強(qiáng)上升氣流只能支持小冰雹生長。
• 大小差異： 胚胎被卷入上升氣流核心且停留時間長的，有機(jī)會長得很大；在上升氣流邊緣或上升氣流較弱區(qū)域的胚胎，停留時間短，生長受限，形成小冰雹或霰。

冰雹生長模式（濕增長 vs. 干增長）：

• 濕增長： 當(dāng)環(huán)境溫度相對較高（通常在-10°C以上）或過冷水滴濃度非常高時，冰雹表面碰撞的過冷水滴來不及完全凍結(jié)，會形成一層水膜。冰雹在這種“濕”狀態(tài)下生長，捕獲效率高，生長速度快，結(jié)構(gòu)相對透明（因為包含氣泡較少），形成的冰雹密度較高。這種模式有利于快速形成大冰雹。
• 干增長： 當(dāng)環(huán)境溫度較低（低于約-15°C）或過冷水滴濃度較低時，碰撞的過冷水滴會迅速凍結(jié)在冰雹表面，形成多孔、不透明的冰層（包含大量氣泡）。這種模式生長速度較慢，冰雹密度較低。
• 大小差異： 在風(fēng)暴中不同高度、不同過冷水條件下，冰雹可能經(jīng)歷濕增長和干增長交替的過程。持續(xù)的濕增長環(huán)境更有利于形成巨大冰雹。濕增長區(qū)域往往位于上升氣流核心附近溫度較高的區(qū)域。

胚胎的類型和大小：

• 胚胎來源： 冰雹的核心（胚胎）可以是霰（小的、不規(guī)則的冰粒）、凍滴（凍結(jié)的大水滴）或小冰雹本身。霰是最常見的胚胎。
• 初始大小差異： 胚胎本身的大小就存在差異。較大的胚胎在相同條件下，其下落末速度更大，需要更強(qiáng)的上升氣流才能支撐，但也意味著它可能更容易停留在上升氣流中較長時間，有潛力長得更大。同時，較大的胚胎初始表面積更大，捕獲過冷水滴的效率更高。
• 位置差異： 不同胚胎在云中形成的位置不同，決定了它們被卷入主上升氣流并進(jìn)入最佳生長區(qū)域的概率。

冰雹的軌跡：

• 隨機(jī)性與復(fù)雜性： 冰雹胚胎在強(qiáng)風(fēng)暴復(fù)雜的三維流場中運動軌跡是高度隨機(jī)的。有些胚胎可能被直接卷入上升氣流核心，在過冷水豐富區(qū)長時間循環(huán)；有些可能在邊緣短暫停留就下落；有些可能被甩出上升氣流又在下落過程中重新進(jìn)入。
• 大小差異： 軌跡決定了胚胎經(jīng)歷的環(huán)境（過冷水含量、溫度、上升氣流強(qiáng)度）和生長時間。經(jīng)歷“最優(yōu)路徑”（長時間停留在過冷水含量高、上升氣流強(qiáng)且溫度適合濕增長的區(qū)域）的胚胎會發(fā)展成最大的冰雹。

碰撞效率與合并：

• 冰雹在生長過程中也會與其他冰粒子（小冰雹、霰、雪花）碰撞。碰撞后可能發(fā)生合并（粘連），也可能發(fā)生破碎。合并可以快速增大冰雹尺寸，尤其是在濕增長條件下粘連更容易發(fā)生。破碎則會限制冰雹尺寸或產(chǎn)生更多小胚胎。

下落融化：

• 冰雹在離開云體下落到地面的過程中，會穿過溫度高于0°C的暖層（融化層）。大冰雹由于下落速度快、熱容量大，融化相對較少，能保持較大的尺寸到達(dá)地面。小冰雹或霰可能在下落過程中完全融化，變成雨滴。因此，即使云中產(chǎn)生了小冰雹，地面觀測到的可能主要是較大的冰雹。

總結(jié)成因： 冰雹大小的巨大差異本質(zhì)上是冰雹胚胎在強(qiáng)雷暴云中經(jīng)歷的微物理環(huán)境（過冷水含量、溫度） 和動力環(huán)境（上升氣流強(qiáng)度、持續(xù)時間、運動軌跡） 在時空分布上高度不均勻的結(jié)果。能夠長時間（數(shù)分鐘甚至十幾分鐘）停留在過冷水含量極高、上升氣流極強(qiáng)的區(qū)域，并經(jīng)歷濕增長模式的胚胎，最有可能發(fā)展成為巨大的冰雹。

觀測冰雹及其形成環(huán)境極具挑戰(zhàn)性，因為它發(fā)生在劇烈、危險且難以直接進(jìn)入的對流云內(nèi)部。近年來，技術(shù)進(jìn)步極大推動了我們對冰雹形成和大小分布的理解：

地基雷達(dá)技術(shù)（核心工具）：

• 雙偏振雷達(dá)： 這是目前監(jiān)測和識別冰雹最強(qiáng)大的工具。它發(fā)射和接收水平和垂直偏振的電磁波，提供多個關(guān)鍵參數(shù)：
  • 反射率因子： 指示降水粒子的尺寸和濃度（高值區(qū)可能有大冰雹）。
  • 差分反射率： 區(qū)分球形（雨滴）和非球形（冰雹）粒子。
  • 差分傳播相移： 對大雨滴敏感，有助于區(qū)分大雨和冰雹。
  • 相關(guān)系數(shù)： 衡量回波區(qū)內(nèi)粒子相態(tài)和尺寸的一致性（冰雹區(qū)通常較低）。
  • 比差分相移： 輔助識別大雨區(qū)。
  • 進(jìn)展： 開發(fā)了更先進(jìn)的冰雹識別算法（如 HDA, MESH），利用多個偏振量聯(lián)合判斷冰雹存在、估算冰雹尺寸（最大預(yù)期尺寸、冰雹動能通量）和冰雹概率。雷達(dá)體掃模式更快（如 SAILS, AVSET），能更及時捕捉冰雹核心的演變。
• 相控陣?yán)走_(dá)： 具有極快的掃描速度（秒級），能近乎實時地觀測強(qiáng)對流內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)（如上升氣流、穹窿、冰雹生長區(qū)）的快速演變，為研究冰雹生長動力學(xué)提供了前所未有的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)化部署（如美國 NOAA 的 PAR 網(wǎng)絡(luò)）正在推進(jìn)。
• 雙頻雷達(dá)： 利用不同頻率（如 S波段和 X波段）對粒子散射特性的差異，能更好地區(qū)分冰雹的尺寸和相態(tài)（如濕冰雹 vs 干冰雹），甚至估算冰雹內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

空基觀測：

• 氣象衛(wèi)星： 靜止衛(wèi)星（如 GOES-R 系列）的高時空分辨率紅外和可見光通道能監(jiān)測雷暴云頂?shù)目焖贁U(kuò)張、過頂溫度、云頂紋理特征（如“上沖云頂”、“砧狀云”），這些特征與強(qiáng)上升氣流和潛在的大冰雹有關(guān)。微波儀器能穿透云層探測云內(nèi)冰水含量信息。
• 無人機(jī)： 在雷暴邊緣或消散期進(jìn)行探測，測量風(fēng)暴流出區(qū)的溫濕層結(jié)、粒子譜分布等，為研究冰雹下落融化過程提供數(shù)據(jù)。
• 有人駕駛飛機(jī)探測： 雖然危險且昂貴，但在大型外場試驗中（如 RELAMPAGO, TORUS），裝備先進(jìn)儀器的飛機(jī)仍會冒險進(jìn)入風(fēng)暴的特定區(qū)域（如砧狀云、弱回波區(qū)邊緣），直接測量云粒子譜、過冷水含量、三維風(fēng)場、溫度和湍流等關(guān)鍵參數(shù)，是驗證雷達(dá)反演和數(shù)值模擬的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。

地面觀測網(wǎng)絡(luò)與新技術(shù)：

• 密集自動氣象站： 提供地面降水類型（雨/冰雹）、冰雹尺寸分布、累積量、起止時間等關(guān)鍵信息，用于驗證雷達(dá)反演和模式預(yù)報。
• 公眾科學(xué)報告： 通過 App（如 mPING）收集公眾上傳的冰雹觀測（尺寸、數(shù)量、照片），極大地豐富了地面驗證數(shù)據(jù)集，尤其在站點稀疏區(qū)域。
• 冰雹拋射物傳感器： 新型傳感器能測量冰雹撞擊的動能或聲音信號，推算冰雹尺寸分布和通量。
• 高分辨率攝影/視頻： 用于詳細(xì)記錄落地冰雹的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)（層狀、乳突狀），為研究生長歷史提供線索。

數(shù)值模擬：

• 云解析模式： 如 WRF（Weather Research and Forecasting Model）結(jié)合先進(jìn)的微物理方案（雙參數(shù)、譜分檔方案），能夠高分辨率地模擬雷暴的三維動力、熱力和微物理過程，再現(xiàn)冰雹從胚胎形成、增長到落地的全過程。研究者可以“凍結(jié)”模擬狀態(tài)，分析特定大冰雹粒子的軌跡及其經(jīng)歷的微物理環(huán)境（過冷水含量、溫度、碰撞率等），定量研究不同因子對最終尺寸的影響。模式是理解復(fù)雜相互作用和測試?yán)碚摷僭O(shè)的關(guān)鍵工具。
• 進(jìn)展： 微物理方案不斷改進(jìn)，更細(xì)致地刻畫冰雹的成核、碰并增長、干/濕增長轉(zhuǎn)換、融化、破碎等過程。同化雷達(dá)、衛(wèi)星等觀測數(shù)據(jù)，提高模擬初始場的準(zhǔn)確性。

實驗室研究：

• 云室實驗： 在受控環(huán)境中模擬冰雹生長條件（溫度、過冷水含量、水滴大小），研究單個冰雹粒子在不同條件下的碰撞效率和增長模式（濕/干），驗證理論模型和參數(shù)化方案。

• 精確反演冰雹尺寸分布： 如何利用雷達(dá)（特別是雙偏振、雙頻）觀測更精確地反演地面冰雹的尺寸分布（而不僅僅是最大尺寸或存在概率）仍是挑戰(zhàn)。
• 濕增長/干增長轉(zhuǎn)換的定量表征： 在觀測和模式中更準(zhǔn)確地界定和預(yù)測冰雹何時處于濕增長狀態(tài)，這對預(yù)測大冰雹至關(guān)重要。
• 冰雹破碎機(jī)制及其影響： 破碎如何影響冰雹的尺寸分布和風(fēng)暴的電荷結(jié)構(gòu)？需要更精細(xì)的觀測和微物理參數(shù)化。
• 次網(wǎng)格尺度過程： 在數(shù)值模式中，如何更好地參數(shù)化比網(wǎng)格分辨率更小的湍流、混合等過程對冰雹增長軌跡的影響？
• 氣候變化影響： 全球變暖如何影響強(qiáng)對流頻率、強(qiáng)度以及冰雹的潛勢和大小分布？這是一個活躍但復(fù)雜的研究領(lǐng)域。
• 人工智能應(yīng)用： 利用機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)技術(shù)處理海量雷達(dá)、衛(wèi)星和地面觀測數(shù)據(jù)，改進(jìn)冰雹的實時識別、分類、尺寸估計和短臨預(yù)報。

冰雹大小的顯著差異是強(qiáng)雷暴云中復(fù)雜多變的微物理過程（尤其是過冷水供應(yīng)）和動力過程（尤其是強(qiáng)而持久的上升氣流及冰雹軌跡）共同作用的結(jié)果。得益于雙偏振雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、高分辨率數(shù)值模擬、密集地面觀測網(wǎng)絡(luò)（包括公眾科學(xué)）以及先進(jìn)的外場試驗等技術(shù)的飛速發(fā)展，我們對冰雹形成機(jī)制、生長環(huán)境、尺寸分布及其與風(fēng)暴結(jié)構(gòu)關(guān)系的理解正在不斷深化。未來研究將繼續(xù)聚焦于提高冰雹觀測的精度（特別是尺寸分布）、深入理解關(guān)鍵微物理過程（濕增長/破碎）、改進(jìn)數(shù)值模式的預(yù)報能力，并評估氣候變化帶來的潛在影響。這些進(jìn)展對于提高大冰雹的預(yù)警準(zhǔn)確率、減輕其帶來的災(zāi)害風(fēng)險至關(guān)重要。