一颗冰雹能“讲”什么故事？

春夏时节，一阵惊雷过后，偶有大大小小的“冰疙瘩”突如其来砸向地面，打落枝头硕果，叩击车窗屋顶，留下满目狼藉——这便是冰雹。

冰雹是对流云中产生的、直径大于等于5毫米的固态降水粒子。冰雹并非简单地从天而降，而是要经历一个极其复杂的过程。林翔宇介绍，冰雹的生成过程可概括为三个阶段，分别是雹胚形成、质量积累、下落阶段。

要生成冰雹，就要有原始积累——雹胚，相当于冰雹的“内核”。冰核通过异相核化过程产生的初始冰晶，在增长后形成了雹胚，其通常呈现两种形态：由冰晶自发聚集或与过冷却水滴合并而成的半透明“霰胚”；由云内过冷却水滴直接冻结而成的透明“冻滴胚”。

内核有了，雹胚要长成冰雹还需要进一步捕获过冷却水滴，实现质量积累。由于冰雹云中气流升降变化剧烈，雹胚在此驱动下不断上下翻滚，附着更多的过冷却水滴，好像滚雪球似的，越滚越大。冰雹最终能长到多大，关键取决于这一过程的持续时间与过冷却水滴的充沛程度。

随着冰雹质量的持续增加，当其自身的重力超过环境上升气流的托举力，冰雹便开始向下坠落。当冰雹下落穿过0℃等温层进入低空较暖区域时，冰雹表面开始融化——粒径较小的冰雹往往在抵达地面前就已完全融化成雨滴，而质量足够大的冰雹则能抵御这一融化过程，最终降落至地面。

因此，细看起来，冰雹并非一整块冰，而是由一层层透明、不透明的冰层交替包裹而成的，每一层都对应不同生长条件，解析每一层冰层形成的过程，正是许多冰雹研究学者的工作。

由于冰雹在云中翻滚、碰撞、融化再冻结的过程异常复杂，也造就了冰雹并不规则的形状。李浩然介绍，如果冰雹的增长过程以湿增长为主，就会较均匀裹上一层液体，表面会相对规整一些；如果以干增长为主，外表形状会非常不规则。

冰雹往往伴随极端的对流环境，具有空间尺度小、突发性强、维持时间短等特点。这导致研究人员极难在冰雹融化前及时赶到现场获取自然样本，造成巨大的观测空白。为收集冰雹样本，近年来，北京大学张庆红教授冰雹研究课题组开展了“以玛瑙换冰雹”的活动。为何要向公众征集冰雹？收集到的一颗颗冰雹能“讲”出什么故事？

作为课题组曾经的一员，林翔宇表示，公众的广泛参与帮助课题组收集了大量跨越多个省份的冰雹样本，课题组还通过国际合作将冰雹收集的范围扩展到了欧洲、大洋洲和北美洲。这些宝贵的样本直接支撑了冰雹的科学研究。

林翔宇介绍，由于冰雹冰层交替的特点，对冰雹进行逐层切片并开展物理与化学分析，能够定量反演冰雹在云内的生长过程以及对流云系统的大气化学环境。

冰雹在生成与生长过程中会捕获大量气溶胶，包括沙尘、有机物或生物气溶胶等不可溶颗粒物，以及环境中的水溶性成分。观测分析这些气溶胶的具体物理化学属性，不仅可以揭示孕育冰雹的对流云系统的大气化学背景，还能探明不同来源气溶胶是如何参与并影响云内微物理过程的。同时，这些成分的分布特征直接提供了物理证据，反映出地表及大气边界层的气溶胶或污染物，是如何通过强对流系统的强盛上升气流被垂直输送至对流层中上部的。此外，冰层中会蕴含不同比率的氢、氧稳定同位素，对单颗冰雹逐层开展测定，可以定量计算出其在不同生长阶段所处的环境温度和海拔高度，从而推算出冰雹在强对流云内的垂直运动轨迹与生长历程。

让一颗冰雹“自述”在云里翻滚了多少次、在下降过程中又经历了什么，从而反演出冰雹的生成过程，精进数值模拟水平，提升观测预报能力，这正是开展冰雹研究的价值所在。

实验室冰雹切割过程（上）；冰雹切片样本（下） 图/林翔宇

冰雹的发生频率为何地域差异显著？

冰雹天气的发生频率存在显著的地域差异。林翔宇表示，这种差异是地形、大气动力等多重因素共同作用的结果。

高海拔地形是导致冰雹频发的重要因素之一。“青藏高原及周边云贵高原等山区，是全球冰雹最频发的区域之一。”林翔宇解释，低海拔地区气温较高，因此冰粒在下落过程中可能完全融化；高海拔地区的零度层距离地面近，冰雹脱离上升气流后下落距离短，质量损耗小，冰粒得以保持固态落地，从而大幅提升降雹频率。

地形动力抬升也会加剧冰雹的形成。强烈雹暴（降雹时间超过15分钟且雹块较大的强对流天气系统）的形成，需要不稳定大气支撑强盛上升运动，同时需要充足水汽提供能量。起伏的山脉、丘陵会阻挡低层大气并迫使其抬升，当携带着丰沛水汽的暖湿气流遭遇山体阻挡时，会沿迎风坡急剧上升，促使空气块冷却凝结、突破大气稳定层，为冰雹孕育创造条件。

气溶胶的微物理“催化”作用也不容忽视。冰雹频发是气溶胶与宏观气象条件协同作用的结果，气溶胶浓度过高或过低都不利于冰雹生成——环境过于洁净时，缺乏云凝结核，大云滴易提前形成阵雨降落；浓度过高时，大量微小云滴会与初始雹胚“竞争”有限的过冷水资源，单颗冰雹难以“生长”至足够大小，下落途中易融化。只有气溶胶浓度适中，且配合充沛水汽和强盛动力抬升，才能促使冰雹高效生长，进而导致特定区域降雹频繁。

冰雹预报难在哪儿？

在各类强对流天气里，冰雹被公认为最难精准预报的天气之一。即便有雷达、卫星、自动气象站等精密监测，但要精准预报其发生的时间、落点依然充满挑战。

目前，冰雹监测已形成地空天一体化观测网，通过探空资料可以判断冰雹形成环境，通过卫星可以捕捉快速发展的强对流云团，通过地面观测可以发现冰雹发生的前兆，这些方法都可以辅助判断冰雹过程的发生。李浩然介绍，目前监测冰雹最核心的手段仍然是天气雷达，特别是通过双偏振雷达显示的“高反射率、低差分反射率、低相关系数”特征可以更加准确地识别冰雹。当出现大冰雹时，雷达图中体现的反射率可达60—70dBZ（反射率因子单位），强回波后侧可能形成一条沿径向延伸的细长钉状弱回波，这一特征被称为“三体散射”，是大冰雹发生的标志性雷达回波。

一次大冰雹过程的雷达回波图像 图/李浩然

即便依托多类气象资料开展综合研判，冰雹预报仍难以实现乡镇级、分钟级的精细化精准预判。正因冰雹精准预报难度极大，相关研究高度重视灾后实地调查工作：通过实地勘查受灾情况，测量冰雹最大直径、重量与密度，复盘完整天气过程，以此校验预报效果、优化预报能力。

虽然大部分的冰雹体型并不大，但往往会有较强破坏力。林翔宇介绍，冰雹所带来的破坏力主要由其动能撞击所引发，这种破坏力与冰雹个体粒径大小密切相关，因为冰雹的动能随粒径呈幂律增长。然而，冰雹致灾的程度并不仅仅取决于极端大冰雹个体的绝对大小，更取决于降落到地面的整个冰雹群体的大小和数量。在真实的降雹过程中，冰雹颗粒大小差异很大，即便降下的是小冰雹，当它们以密集的群体形式降落时，累加起来的总动能与动量依然是极其庞大的，这股聚集的能量同样足以对农作物、车辆、电力设施等造成严重破坏。

因此，公众还是要密切关注气象预报预警及防御指引，冰雹来临前，非必要不外出，关好门窗，妥善安置易受冰雹影响的室外物品；暂停户外作业，户外行人应迅速寻找建筑物、坚固遮挡物等安全地方暂避；车辆尽量停入地下车库或带顶棚的停车位。农业生产方面，要提前采取搭建大棚等保护措施，加固农业设施，减少冰雹对作物的直接冲击。

微话题：冰雹、霰、冻雨、冰粒有什么区别？

冰雹直径通常大于5毫米，形状大小各异。冰雹孕育于强对流云团（多为积雨云）中，云内冰晶或霰粒作为雹胚，在强大上升气流支撑下长大。雹胚在下落过程中不断碰撞并捕获过冷却水滴，并在表面冻结。冰雹在不同环境中持续生长，层层堆叠，落地后不易融化，会砸击物体，有明显破坏力。

霰是一种松散的白色冰粒，直径多在1毫米至5毫米。霰是雪花在下落过程中遇到过冷却水丰富的云层，包裹过冷却水滴后迅速冻结形成的白色不透明近似球状或圆锥形颗粒。霰形成于低于0℃的纯冷层环境，没有融化再冻结的过程，主要发生在冬季，其质地疏松、易捏碎，常伴随降雪出现，无明显破坏力。

冻雨的形成与逆温层有关。降雪过程中，雪花经过零度层开始融化，若融化过程已经完成，而近地面温度低于零度，那么雨滴就会在接触物体表面前保持液态，落到地面后冻结，形成冻雨。冻雨落地后立即在物体表面（电线、路面、树枝）冻结成光滑冰层，易造成地面积冰灾害。

冰粒是雪花下落时部分融化，随后在浅层冷层中再次冻结形成的固态降水，为透明或半透明的坚硬小球，直径往往小于5毫米，质地坚硬，落地后会反弹。其形成多为雨滴在下落过程中，遇到近地面上方的低温层（低于0℃）迅速冻结而成，尺寸小、重量轻，破坏力远弱于冰雹。

冰雹、冻雨、霰、冰粒对比图 （图片素材来源于千库网，由豆包AI辅助生成）