自然地理区｜笔记——超级单体雷暴与广州大冰雹

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2024年4月29日，广州遭遇了一场罕见的强对流天气，出现了比鸡蛋还大的冰雹。这种极端天气现象是如何形成的？让我们一起探索超级单体雷暴和大冰雹背后的科学原理。

所谓“超级单体风暴”，本质上是一种强烈的旋转上升气流，通常伴有强风、局地暴雨、冰雹，甚至龙卷风等等，具有非常大的破坏力，是世界上最危险的天气现象。 如果把普通的积雨云比作一个小孩，这个超级单体风暴，就像是 “绿巨人”。“超级单体风暴”相比普通的雷暴单体，内部有着更强的上升运动，上升速度在 10 米/秒甚至 15 米/秒以上，这样的上升气流，可以托举住 15～20 毫米的冰雹胚胎。 而且如果超级单体中，低空有较大的垂直风切变和螺旋度，还可能引发龙卷——低空风向不一致，搓出一个水平方向上的涡管，涡管在超级单体的上升和下沉气流影响下，从水平到倾斜，竖起来再接地，就是龙卷。我们知道冰雹是水滴在积雨云中形成的。积雨云中的上升气流将云层下部的水滴带到云的中上层。随着高度的增加，温度逐渐降低，当温度低到一定程度时，水滴就会开始冻结，变成小冰晶。这些小冰晶就是冰雹的胚胎。随着气流进行升降运动，冰雹胚胎会不断地遇到过冷水滴，并冻结在冰雹胚胎外面，使得冰雹的尺寸不断地增大。 形成大冰雹的过程，其实类似于“滚元宵”。把元宵馅料蘸上水，在糯米粉中不断翻滚。对应冰雹，就是冰雹的胚胎（小冰晶）在积雨云中不断上下来回，与云中的过冷水滴不断碰撞，进而变大。 当积雨云中，上升气流越强，可以托举的冰雹个头就越大，使得冰雹可以增长得越大。直到冰雹足够大，上升气流托不住，就会落到地面。 而下落过程中，在大于 0℃ 的空中，冰雹表面有些融化，低空往往因为有乱流，又会导致冰雹间可能产生粘连合并，进而形成个头如鸡蛋大小的冰雹。 有些大冰雹细看，甚至就像是冠状病毒，外边的凸起其实是一个个较小冰雹合并时，没有完全融合、部分保留下来的初始形状。 最后，当冰雹增长到一定的尺寸，它的重量会超过上升气流的支撑力，这时冰雹就会从云层中落下，形成我们所说的冰雹天气。

图：超级单体冰雹云的剖面结构图，图源：《天气学原理和方法》，第四版

因此，这次的冰雹个头之所以“比鸡蛋还大”，主要是满足了这几个条件：

第一，“超级单体风暴”让上升气流的托举能力变得特别强。美国海洋和大气管理局（NOAA）有数据显示，时速 103 千米的上升气流就能产生高尔夫球大小的冰雹，如果气流速度达到 130 千米的时速，就会产生棒球大小的冰雹。

第二，中低空水汽比较丰沛，以及冰雹粒子在积雨云中多次起落碰并粘连，使得冰雹个头进一步变大。

图：冰雹是一层一层的结构，图源：wikipedia