從硬幣大小、雞蛋大小到網球大小、排球大小……原本罕見的大型冰雹出現得更加頻繁，也帶來了更多的威脅。

翻譯 | 魏書豪

審校 | 二七

2021年7月21日，正值英國的盛夏，熱浪襲擊了整個國家。在英格蘭中部的萊斯特郡，孩子們正在游泳池裏玩耍納涼，享受美好的假期時光。然而天色突然暗了下來。沒過多久，高爾夫球大小的冰雹從天而降，砸碎了窗戶，砸壞了汽車。花園裏幾分鐘前還擠滿了沐浴着陽光的人們，現在卻被冰雹砸得一片狼藉。

這樣的強冰雹降水天氣被稱爲“雹暴”（hailstorm），與高空雲層內出現的強烈上升氣流有關。儘管非常少見，但這場雹暴還不是最猛烈的。2020年6月，一場雹暴襲擊了加拿大卡爾加里，網球大小的冰雹砸向地面，造成了至少7萬所房屋和車輛受損，摧毀了大量農作物，當地面臨12億加元的修復費用。這場持續20分鐘的冰雹是加拿大損失最慘重的天氣事件之一。

冰雹可以砸破車輛擋風玻璃（圖片來源：NOAA National Severe Storms Laboratory）

氣候變化正在讓雹暴變得越來越嚴重。在過去3年間，美國得克薩斯州、科羅拉多州和亞拉巴馬州的最大冰雹記錄全都被打破了，最大的冰雹直徑達到了16釐米。2020年，利比亞首都的黎波里遭到直徑近18釐米的冰雹襲擊。

“洋蔥冰雹”

冰雹是水滴在積雨雲中形成的。上升氣流將雲層下部的水滴帶到雲的中上層，這裏空氣冷到足以使水滴凝固，變成小冰晶。這些小冰晶又被稱爲冰雹胚胎，當冰雹胚胎在雲層中隨氣流升降運動時，空氣中的水分會凍結在外部，冰雹就這樣一層一層“長”了出來，形成了洋蔥狀的結構。

冰雹內部的“洋蔥”結構（圖片來源：ERZ/wikipedia）

冰雹的生長速度取決於空氣中的含水量。它會持續生長，直到上升氣流不再能使其飄浮在高空爲止。根據美國海洋和大氣管理局（NOAA）的數據，時速103千米的上升氣流就能產生高爾夫球大小的冰雹，如果氣流速度再提高27%，就會產生棒球大小的冰雹（不過冰雹的大小並不總是與其重量直接相關，我們稍後會談到）。一般來說，更潮溼的空氣和更強大的上升氣流會形成更大的冰雹。

朱利安·布賴姆洛（Julian Brimelow）是加拿大環境與氣候變化部（Environment and Climate Change Canada）的物理科學專家，他研究了氣候變化如何影響冰雹的形成。他說，產生直徑超過25毫米的冰雹需要一系列特定的條件，包括足夠的水分、強大的上升氣流和一個“觸發因素”——通常是一個鋒面。這就是爲什麼嚴重的冰雹天氣通常只會在特定地區發生，如美國的大平原（the Great Plains）和澳大利亞的黃金海岸（Gold Coast）。這類區域的典型特點是，近地表的空氣溫暖潮溼，但高層大氣涼爽乾燥。在這種不穩定的大氣條件下，更容易出現強烈的上升氣流和雷暴。這些地方特別容易出現一種被稱爲“超級單體”（supercell）的雷暴，這種雷暴可以產生強大的旋轉上升氣流，從而形成非常大的冰雹。

圖片來源：NWS Aberdeen， SD

但是隨着氣候變化，空氣中的水分含量也在變化。溫暖的空氣可以容納更多的水蒸氣，而更高的溫度也意味着會有更多的水從地球表面蒸發，這很可能會帶來更強的降雨和更猛烈的風暴。

“隨着全球繼續變暖，有利於冰雹形成的地區可能會發生變化，”布賴姆洛說。“比如一些地區可能過去由於大氣含水量不夠高，因此很少出現冰雹。但現在可能會變得更加潮溼，因此冰雹天氣的出現頻率可能會增加。”

結合已有數據和氣候模型，研究人員認爲，冰雹在澳大利亞和歐洲將變得更加頻繁，但在亞洲東部和北美將會減少。然而冰雹天氣往往會變得更具破壞性。

布賴姆洛和同事的另一項研究，關注了氣候變化會如何影響北美地區的冰雹。他們發現，儘管冰雹天氣可能會變得沒那麼頻繁，但冰雹很可能會變得更大。“事實上，我們已經看到了證據。”布賴姆洛說，“在法國收集的冰雹數據顯示，當地的小冰雹減少，大冰雹增多了。”

圖片來源：National Weather Service， Goodland Forecast Office

反擊冰雹

顯然，冰雹帶來的經濟損失也很可能會增加。在預計會遭受冰雹破壞的地區，修建的建築物需要達到抗冰雹等級。另外，還有一些地區會主動“攻擊”冰雹，他們甚至會用到大炮和火箭。

19世紀90年代，歐洲多地的葡萄園都部署了“冰雹炮”（hail cannon）。這些冰雹炮看起來像是一個大喇叭，直直衝着天上，試圖利用爆炸的強大沖擊波來驅散雲層，防止冰雹降落砸壞葡萄。然而20世紀，意大利政府進行了廣泛的調查研究並得出結論——冰雹炮並沒有作用。不過，一些歐洲葡萄園仍然在使用冰雹炮。

在格魯吉亞，政府專門部署了85個防冰雹導彈系統。當氣象雷達探測到可能形成冰雹的冰雹雲時，就會發射攜帶碘化銀催化劑的火箭，產生大量的人工冰雹胚胎。過量的冰雹胚胎會相互競爭水分，最終全部無法充分“成長”成大冰雹。據稱這套防冰雹系統有效性超過90%，但實際效果還有待驗證。

冰雹炮（圖片來源：Etan J。 Tal/Wikipedia）

冰雹的破壞力

目前評估抗冰雹能力的方法是用發射器發射金屬球，來模擬冰雹的衝擊。然而冰雹的尺寸與其破壞力的關係非常複雜。2020年，一項研究就探索了爲什麼大冰雹的破壞力能遠遠超過預期。

在冰雹形成的過程中，空氣的溫度和溼度會影響它的密度。比如，在非常冷的空氣中，水蒸氣一碰到冰雹就會結冰，但這樣凝結出來的冰會“捕捉”大量空氣；但如果空氣溫度偏高，或溼度偏大，水分凝固速度較慢，給空氣留出了逃脫的時間，就能形成空氣含量更低、更緻密的冰雹。

一般來說，小尺寸的冰雹會混合大量的空氣，密度只有純冰的一半。由於密度較低，在形成後它往往不會直接降落到地面，而是會在大氣中持續起伏和成長，直到形成緻密的外層。

圖片來源：NOAA National Severe Storms Laboratory

2003年，美國內布拉斯加州奧羅拉市發生了一場冰雹。研究者採集了一塊直徑17釐米的大冰雹，發現它的核心像是海綿一樣充滿了空氣，而外層是緻密的透明冰層。研究者估計，如果這塊冰雹是由純冰製成的，那麼應該重約2.5千克，但是由於內層的密度較低，它只有500克重。

冰雹的密度也會影響它的下落速度。冰雹越重，單位重量受到的阻力就越小，下落速度也就越快。根據布賴姆洛的計算，直徑小於25毫米的冰雹的下落速度通常在11~22米/秒，而直徑25~45毫米的冰雹下落速度約22~29米/秒。有記錄以來最重的冰雹出現在1986年孟加拉國的Gopalganj地區，重達1.02千克。當時的報道稱，這場冰雹造成了40人死亡，400人受傷。但後來的追蹤報道顯示，可能有多達92人喪生。

想要估計冰雹的下落速度也很複雜，過去的研究往往將冰雹近似成球形，然而最近的研究表明，冰雹更像是橄欖球形，這樣下落時會受到更大的空氣阻力。同時，隨着冰雹的體積增大，它們的形狀也會變得更不均勻，這也會影響它們的空氣動力學特性。

即使解決了下降速度的問題，冰雹擊中物體的速度和下降的速度也是不一樣的。比如，冰雹的速度可能存在水平分量。最具破壞性的冰雹事件是下擊暴流帶來的冰雹。下擊暴流由強大的下沉氣流驅動（空氣從快速下降，撞擊地面時向外擴散，能產生非常高的風速），作用範圍通常只有幾千米直徑的區域，只能持續幾分鐘，但風速可達70-80米/秒，並且經常伴有冰雹。

被冰雹破壞的建築物牆面（圖片來源：NOAA National Severe Storms Laboratory）

在強風吹動下，巨大的冰雹能夠穿透屋頂瓦片，打碎車窗玻璃，甚至能對飛機構成威脅。2006年6月9日，一架客機在韓國空域遭遇了一場強冰雹，冰雹砸掉了雷達罩（機頭保護雷達的結構），摧毀了雷達，還撞擊了機翼邊緣。雷達罩的一部分被髮動機吸入，損壞了發動機。幸運的是，飛機最終成功安全着陸了。

近年來，大型冰雹帶來的災害記錄一直在增加。2018年，阿根廷的Villa Carlos Paz鎮遭到了前所未有的冰雹襲擊，一些冰雹的直徑達18釐米，據稱還有冰雹直徑可能達到了23.7釐米。去年4月，在美國得克薩斯州的一場風暴後，人們收集到一塊直徑16釐米、重590克的冰雹。冰雹被保存在冰箱裏，後來被確認爲該州的新紀錄。

但是冰雹能變大到什麼程度呢？賓夕法尼亞州立大學的氣象學家馬修·庫姆吉安（Matthew Kumjian）基於統計數據和模型，估計最大的冰雹直徑可能爲27釐米或“保齡球大小”。庫姆吉安表示，形成如此大的冰雹所需的要素（強大的上升氣流、大量過冷液態水和在冷空氣中停留大量時間）已經存在。然而目前還沒有這麼大冰雹的記錄。“強‘超級單體’雷暴已經將這些因素聚集在一起了，如今，最強的風暴可能會產生超大冰雹，”庫姆吉安說。

也有人試圖預測特定風暴可能產生的冰雹大小，但預測結果都不理想。正如布賴姆洛指出的，想要準確預測冰雹，還有很長的路要走。但我們能確定的是，這些“大麻煩”很可能還會繼續向我們砸來。

原文鏈接：

https：//www.bbc.com/future/article/20220314-how-big-can-hailstones-grow