“中國雪窩子”是怎樣煉成的？對話氣科院李浩然：冷空氣過海“就地取材”，丘陵地形“擰出”暴雪

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第145期，對話中國氣象科學(xué)研究院副研究員李浩然。

嘉賓簡介：

李浩然，中國氣象科學(xué)研究院副研究員，德國洪堡學(xué)者，中國氣象局青年氣象英才，F(xiàn)uture Earth Early-Career Fellowship獲得者。主要從事雷達遙感云降水物理學(xué)研究，發(fā)展粒子尺度可分辨的微波雷達遙感新技術(shù)，解譯云降水粒子的全周期生命史。

• 這項技術(shù)將主觀的、冷流雪的能量和水汽主要源于從海面或湖面蒸發(fā)作用，局地性顯著。

• 冷流雪有兩個特點：一是雪花的粒徑大，二是霰粒子的出現(xiàn)非常頻繁。

• 三頻段技術(shù)使得我們可以像帶著放大鏡一樣，去看云粒子增長的精細物理過程。

• 現(xiàn)在正嘗試把AI技術(shù)引入降雪觀測中，希望未來可以改善暴雪的短臨預(yù)警和預(yù)報能力。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

“山東人有自己的寧古塔。”

最近，山東威海、煙臺地區(qū)出現(xiàn)大暴雪，威海一夜暴雪深度竟然將近20厘米，網(wǎng)友直呼“雪下到冒煙”。

不過，這并非偶然，而是山東半島冬季的“保留節(jié)目”——冷流雪。冷流雪不僅把威海、煙臺年年送上全國降雪的排行榜前列，更是讓它們有了“中國雪窩子”的外號。

什么是“冷流雪”？冷流雪的雪花是什么樣的？雪花的觀測技術(shù)有哪些？帶著這些問題，搜狐科技對話了中國氣象科學(xué)研究院李浩然副研究員，聽他分享那些看不見的“雪花密碼”。

冷流雪為何“偏愛”煙威地區(qū)？

李浩然首先解讀了“冷流雪”的概念。“冷流雪”又叫“海效應(yīng)降雪”或者“大湖效應(yīng)降雪”。當(dāng)冷空氣經(jīng)過像海洋、大型湖泊這樣相對溫暖的水體時，會形成一種下部濕熱上部干冷的不穩(wěn)定狀態(tài)，這就有利于空氣上升運動的發(fā)展，容易形成對流性的降雪。

冷流雪的能量和水汽主要源于海面或湖面的蒸發(fā)作用，局地性顯著，可以說是“就地取材”。

“我們平常見到的冬季降雪一般形成于更大尺度天氣系統(tǒng)中的動力抬升，影響范圍大且降雪相對均勻；冷流雪主要分布在中高緯度沿海地區(qū)，局地性更強一些。”李浩然解釋道。

冷流雪的形成，與海氣的溫差密切相關(guān)。海面溫度和過境冷空氣的溫差越大，越容易形成冷流雪。

李浩然表示，每年冬季，我國的冷空氣，也就是寒潮，一般來自北邊的西伯利亞，沿著西北-東南方向移動。經(jīng)過渤海上空時，這種下部濕熱上部干冷的熱力條件很容易形成冷流云，并且在長距離穿越洋面的過程中就容易形成海上降雪。

登陸之后，由于下墊面摩擦增大和地形抬升的作用，會進一步增強降雪。我國的煙威地區(qū)位于山東半島的東北，是渤海上空冷流雪的主要登陸地區(qū)。同時，該地區(qū)的地形以丘陵為主，冷流云被迫沿山坡爬升，有利于降雪的加強。

“這就相當(dāng)于給已經(jīng)吸飽水的云層又用力‘?dāng)Q了一把毛巾’，能‘?dāng)D’出遠超平原地區(qū)的降雪量。”李浩然形象地比喻道。

不僅如此，煙威地區(qū)冷流雪的形成還與冷空氣的傳播路徑有密切聯(lián)系。因為山東半島特殊的東西走向地理格局，如果冷空氣的來向偏北，和山東半島形成正交配置，就很容易在該地區(qū)登陸形成暴雪。

不過，如果冷空氣的來向偏西，冷流云往往會沿著海岸線一路向東傳播。“比如2024年11月27日，我們當(dāng)時還在煙臺等降雪做觀測，結(jié)果暴雪一路向東跑到韓國首爾去了，當(dāng)時還有個說法是暴雪把首爾“下癱了”，對當(dāng)?shù)卦斐闪撕艽蟮挠绊憽！?/p>

與雪花打交道的二三事

作為與雪花打交道多年的人，李浩然也分享了一些他與雪花的故事。

我們都知道，世界上沒有兩片完全一樣的雪花。這是因為雪花的形狀受到下落路徑上的空氣溫度、濕度甚至過冷水的影響，會形成很多不同的基本形狀。我們常見的像動畫片里出現(xiàn)的雪花是六角枝狀的，還有更加透明的平板狀雪花，比大頭針略短的針狀雪花。

當(dāng)多個雪花聚集在一起時，就會形成很大的雪團，也就是我們常說的“鵝毛大雪”。如果雪花遇到過冷水，內(nèi)部的空隙就會被過冷水填充，形成不到綠豆大小的霰粒子。

雪花投影圖 受訪者供圖

“去年2月，我們在現(xiàn)場開展冷流雪觀測，雷達出了一點小故障，我和一位同學(xué)到山上重啟雷達。當(dāng)時，雷達站上的雪花主要是霰粒子，再加上風(fēng)速很快，我第一次感受到雪花打在臉上是痛的，并不是像平時那樣輕柔。”李浩然講述道。

除此之外，李浩然還有一次“奇遇”。

“一次偶然的機會，竟然有一片‘十二枝狀’的雪花停留在我的毛衣上面，直徑大概有1厘米，我迅速拍了下來，后來通過仔細觀察，我發(fā)現(xiàn)這片雪花其實是由兩片幾乎完全一樣的雪花疊在一起形成的。”

我們可以想象一下，在云層某個靜謐的微觀世界里，兩顆相鄰的凝結(jié)核幾乎同時開始凝華，在相同的溫度、濕度和過飽和環(huán)境中并肩生長。由于冰晶的六方晶格結(jié)構(gòu)，它們各自沿著六個主軸伸出枝杈，卻因為物理條件的完全同步，逐漸長成了幾乎鏡像的形態(tài)。

“原來，云內(nèi)寒冷的凝結(jié)過程中，也會藏著如此浪漫的故事。”李浩然感嘆道。

其實，從2024年冬天開始，李浩然和國防科技大學(xué)、山東省氣象局等單位開展了中國東部冷流雪觀測試驗。他們通過對十幾次冷流雪過程的分析，發(fā)現(xiàn)了冷流雪有兩個特點：一是雪花的粒徑大，很多雪花的直徑能達到2 -3厘米，這表明冷流云內(nèi)有非常好的雪花增長條件。

二是霰粒子的出現(xiàn)非常頻繁，比內(nèi)陸地區(qū)常見的降雪中要多得多。由于霰粒子的形成需要很好的過冷水條件，這表明冷流云內(nèi)部的過冷水非常充足。

目前，他們也正在圍繞冷流云內(nèi)過冷水的特征開展觀測和模擬研究，希望能在將來用到冷流雪的觀測和預(yù)報中。

“可能有一點理解上的偏差，掉落在衣服上的雪花似乎非常大，但它們在空中的真實尺寸要小一些。雪花落到衣服上，幾何結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，我們視野里的雪花投影會變大。相比之下，空中處于自由狀態(tài)的雪花就要小一些。比如，一朵落在衣服上的雪花看著有3-4厘米，如果用專業(yè)的雪花觀測設(shè)備看，粒徑可能就只有1-2厘米。”李浩然補充道。

雪花微物理分析儀與三頻段雷達

有細心的網(wǎng)友可能也觀察到，降雪有“干”、“濕”之分，李浩然稱這主要與近地面的溫度有關(guān)。

如果近地面的濕球溫度高于零度，構(gòu)成雪花的固態(tài)冰就會開始融化。首先雪花表面的冰會融化形成一層水膜，然后形成一種水包冰的特殊結(jié)構(gòu)，最后冰完全融化就形成了雨滴。“濕雪”就是指的處于融化過程中的雪花，而如果近地面的濕球溫度低于零度，雪花不會融化，這就形成了“干雪”。

在李浩然看來，研究雪花的形態(tài)，對提高冷流雪本身強度和降雪量的預(yù)報精度也很有幫助。

地面觀測到的雪花形態(tài)和云內(nèi)的雪花生長過程緊密相關(guān)，一定程度上反映了云內(nèi)正在發(fā)生的物理過程。

“比如，地面出現(xiàn)了近似球形的霰粒子，這就預(yù)示著云內(nèi)含有豐富的過冷水，而過冷水的形成與云內(nèi)的垂直運動有密切的聯(lián)系。如果摸清霰粒的出現(xiàn)規(guī)律，就可以改進數(shù)值模式中的冰和雪的物理過程參數(shù)化。”李浩然如是說。

那么，我們是不是能通過雪的形態(tài)來預(yù)判風(fēng)險呢？

對此，李浩然表示：“這是一個很重要的問題，從降雪累積量上看，過冷水對地面降水的貢獻可以達到40 -90%。如果降雪以霰粒為主，降雪的累計量可能很大，對建筑承重帶來了一定的挑戰(zhàn)；另一方面，如果表面有很多液態(tài)水的濕雪降落在零度以下的地面，就會快速凍結(jié)，降低地面摩擦系數(shù)，容易引發(fā)交通事故。”

雪花瞬息萬變，很難捕捉，李浩然團隊也一直在研發(fā)雪花的觀測技術(shù)。

去年，他們研發(fā)成功了雪花微物理分析儀，利用高速相機對雪花的降落過程進行自由采樣，并用人工智能技術(shù)識別每一朵雪花在相機視野內(nèi)的下落軌跡，計算出粒徑、表面粗糙度、下落速度、以及質(zhì)量等單個雪花的物理參數(shù)，以及譜分布等粒子群特征。

“以前我們要把雪花放到玻片上，用顯微鏡觀測，而有了雪花測量儀器，就徹底告別了傳統(tǒng)的人工目測，實現(xiàn)了雪花的自動、科學(xué)測量，也能更好地認識不同雪花之間的相互作用。”李浩然如是說。

李浩然在觀測現(xiàn)場，雷達站上的霰粒子 受訪者供圖

看清了地面的雪花，李浩然和觀測團隊想知道雪花在空中如何變化。他們決定利用雷達對空中雪花進行遙感測量。作為中國氣象科學(xué)研究院C/Ka/W三頻雷達移動觀測系統(tǒng)負責(zé)人，李浩然解釋了其中的原理。

三頻段雷達遙感技術(shù)主要是利用目標物在不同頻段上散射特性的差異反演空中粒子的精細物理參數(shù)。經(jīng)過兩年實驗，我們利用三頻段雷達成功識別了冷流云系統(tǒng)中的霰粒子，并發(fā)現(xiàn)空中霰粒子的形成往往伴隨著異常強烈的上升運動。

與我們業(yè)務(wù)使用的天氣雷達相比，這種三頻段技術(shù)就像一個“放大鏡”，讓我們可以看清楚空中云粒子如何生成、增長并降落到地面。

“我們在三頻雷達遙感技術(shù)方面的起步相對晚。經(jīng)過這幾年技術(shù)追趕，我們把功課補上來了，更重要的是形成了自己的特色，也取得了國際同行的認可。”李浩然如是說。

由于雪花的形狀、粒徑和密度變化非常大，降雪的準確監(jiān)測一直是國際性難題。李浩然和冷流雪觀測團隊也在嘗試把AI技術(shù)引入降雪觀測中，希望未來可以有效改善暴雪的短臨預(yù)警和預(yù)報能力。

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