冰雹和雪同为冰相降水过程,他们最大的区别就是在质量上的不同,一片雪花砸不穿纸片,而一个冰雹则能打碎玻璃。‘
再来想一想,冰雹这么大的质量,如果想要保持它在天上不掉下来,则需要一双无形的手将它托住,这双手就是强上升气流。只有强烈的上升气流才能抵消冰雹的重力,才能将冰雹托住直到它长到足够大之后才降落。
有了基本的概念之后,就可以继续向下讲了。
一、冰雹
1、霰与凇附增长
云中的温度如果低于 0℃,这就有利于冰晶的形成,在 0℃层以上,冰晶和过冷却水并存,如果冰晶与过冷却水滴相碰并,过冷却水就会在冰晶表面凝结。
这种冰晶收集过冷却水滴并增长的过程,就被称为凇附增长,而由此得到的稍大些的冰相物质就被称为霰(xiàn)。霰在有些时候又被称做软雹。
2、水滴的冻结
有的时候,云种的水并不会形成过冷却水,而是直接冻结,形成冻滴。
而究竟是形成霰还是冻滴,这就取决于云底的平均温度,当云底的平均温度较低(低于 9℃)的时候,多形成霰,而云底温度较高的时候多形成冻滴。
霰或者冻滴的形成通常是形成冰雹的第一步,所以可以形成冰雹的霰或冻滴就被称为雹胚。而且,由于霰的下落速度较冻滴下落速度慢,在云中停留时间更久,所以霰通常是形成大冰雹的前提。
3、冰雹的形成
这里就要提到上升气流了,如果没有足够强劲的上升气流的支撑,那么雹胚在增长至一定程度,云中的上升气流就无法支撑其质量,那么冰物质就会开始下落。但是如果云中有足够强劲的上升气流,则可以支撑雹胚继续增长成为冰雹。
冰雹的增长过程主要依靠贝吉龙过程(冰 - 水转化机制 / 启动冰晶繁生过程)、以及干湿增长过程,这被称为循环增长理论。
除此之外,前苏联专家还提出过一个累积带理论,这里不过多介绍,有兴趣的小伙伴可以参考《云降水物理学》或者与强风暴物理学有关的相关文献(需要有一定的数学基础)。
主要介绍循环增长理论。
先看冰雹的结构
可以看出来,冰雹的结构是呈现出透明层与不透明层交替出现的结构。
这就涉及到了干 / 湿增长过程。
干增长指的是冰雹增长所在的云的区域温度低且含水量少,过冷却水滴碰见冰雹来不及均匀扩散至整个冰雹表面,而是直接成类球状冻结,那么形成的冰中就会有很多的气泡和空腔,这就使光线经过多次折射后难以穿过,形成不透明层。
湿增长则是相反的过程,云区含水量高,温度不太低(但是足够水冻结),碰见的过冷却水就会在冰雹表面形成水膜,并缓慢冻结,这种冰就是透明且结实(密度大)。
了解这些之后,就可以介绍冰雹的循环增长理论了。
先看一下冰雹云的结构
可以看出来冰雹云中存在一个主上升气流轴,那里的上升气流强度最大。
为了表示清楚,我画了一张简图来描述冰雹的增长过程。
形成于上升气流轴附近的雹胚先经历了湿增长过程,后被带入云体上层冷干的区域,经历了干增长过程,后因为上升气流弱开始下落,而有的冰雹可以重新进入上升气流轴而重新经历这一过程,如此循环往复,冰雹逐渐长大,并出现了分层的结构。直到上升气流再也托不住,开始下落。因此,冰雹的大小也十分取决于上升气流的强弱。而上升气流的强弱也间接的反映着强风暴系统的强弱。
二、雪
雪的形成过程就比较好叙述了。
聚并增长
大雪花的形成过程主要依靠于聚并增长,由冰晶相碰撞后黏连在一起形成的聚合物。(鹅毛大雪就是小冰晶聚并增长的产物),雪花的质量很轻,并不要求上升气流有多么强烈,上升气流稍强,则雪花可能偏重,稍弱则可能是轻柔的雪花。这同样也与雪花下落的时候的碰并、分裂有关系。
三、冰雹与雪形成系统
1、冰雹
冰雹多形成于拥有强烈上升气流的天气系统,例如超级单体、飑线、强切变风暴等等,可以形成冰雹的云体就是积雨云。
因为积雨云属于积状云(有些分类体系也归入直展云)的一种,它属于热力性质的云朵,要求强烈的热力因素来支撑它的发生发展,而夏天通常满足这样的要求。所以,冰雹常常发生于夏天。而霰的形成通常对上升气流的要求并不是那么高,所以无论冬夏都有可能发生,既可能发生在夏天稍强的阵雨前,也可能发生在冬季降雪之前。
2、雪
雪花由于质量小,在低层温度较高的时候会发生融化,所以雪的形成除了要求云体温度低以外,也要求低层温度不是太高不至于雪花融化,通常只有冬季满足这样的要求,并且可以降雪的云体也是多种多样,层云、雨层云、高层云与层积云、高积云这些可以产生降水的云系都可以产生降雪,(有时候冬季也会有积雨云的形成,这种积雨云通常也会带来降雪,有时还会有雷打雪的效果)
最后给出一张简易的图示来表示以上相应过程