我們來深入了解一下冰雹這種具有破壞性的天氣現象,包括其形成原理、常見發生區域以及對農業生產的潛在影響。
一、 冰雹的形成原理:一場云中的“冰球制造”過程
冰雹的形成是一個復雜而劇烈的過程,主要發生在發展旺盛的強對流云(積雨云) 中,特別是那些具有強烈上升氣流、豐富過冷水滴和較大垂直厚度的云體。其核心原理是過冷水滴的反復凍結與增長。以下是詳細步驟:
種子形成:
- 云中初始的冰晶或雪花作為凝結核。
- 更常見的是,云底附近的小水滴(云滴或雨滴)被強烈的上升氣流攜帶到云的中上部(溫度低于0℃的區域),瞬間凍結形成微小的冰粒(霰)。這就是最初的“雹胚”。
碰撞與增長:
- 這些雹胚被強烈的上升氣流托舉著,在云中溫度低于0℃的區域(0℃層以上)上下運動。
- 云中含有大量過冷水滴(溫度低于0℃但仍保持液態的水滴)。當雹胚在上升過程中與過冷水滴碰撞時,過冷水滴會迅速凍結在雹胚表面,使其體積增大。這個過程稱為干增長,因為凍結速度快,凍結時釋放的潛熱來不及完全散失,冰層中會包裹一些氣泡,形成不透明、白色、質地較松軟的冰層。
濕增長與下落:
- 當冰雹增長到一定大小,上升氣流托不住它時,它會開始下落。
- 在下落過程中,如果穿過云中溫度接近0℃、過冷水滴含量非常高的區域(通常在0℃層附近),碰撞的過冷水滴不能立即完全凍結,會在冰雹表面形成一層薄薄的水膜,然后水膜再凍結。這個過程稱為濕增長,形成的冰層透明、致密、堅硬(類似玻璃)。
- 如果冰雹在下落過程中又遇到一股新的上升氣流,它會被再次抬升到云中低溫區,重復干增長過程,增加一層不透明的冰層。
反復循環與最終降落:
- 冰雹在云中經歷多次的上升(干增長)和下落(濕增長)循環,就像在一個巨大的“冰球制造機”里被反復“裹糖衣”一樣,一層透明一層不透明地交替增長。
- 每次循環都使冰雹體積增大。冰雹最終能長到多大,主要取決于上升氣流的強度(決定了它能托起多大的冰雹并使其在云中停留多久)和云中過冷水滴的含量(決定了增長速率)。
- 當冰雹增長到足夠大,以至于上升氣流再也托不住它時,它就會最終降落到地面,形成我們看到的冰雹。
關鍵要素總結:
- 強烈的上升氣流: 是冰雹形成和增長的核心動力,使雹胚能在云中長時間停留并上下運動。
- 豐富的過冷水滴: 是冰雹增長的“原料”。
- 大的云體垂直厚度: 提供足夠的空間讓冰雹經歷多次增長循環(通常云頂高度需高于-20℃等溫線高度)。
- 合適的溫度層結: 0℃層高度適中(通常在3-5公里),保證冰雹在增長過程中能經歷干、濕增長階段。
二、 常見發生區域:全球與中國的雹災多發區
冰雹的發生具有明顯的局地性、季節性和地理分布特征:
全球范圍:
- 中緯度內陸地區: 是全球冰雹最頻繁、最嚴重的區域。這些地區春夏季地表受熱不均,容易形成強烈的熱力對流。
- 高山及高原的下風方/迎風坡: 地形抬升作用強烈觸發對流。
- 著名多發區: 美國中部大平原(“龍卷風走廊”也是強雹暴高發區)、加拿大草原省份、阿根廷潘帕斯草原、歐洲阿爾卑斯山北麓、中國青藏高原東側和華北地區、印度北部、南非東部高原等。
中國范圍: 中國是世界上冰雹災害最嚴重的國家之一。
- 地理分布: 總體呈“西多東少、北多南少、山區多平原少”的特點。
- 主要多發區:
- 青藏高原區: 雹日最多(年雹日可達15-35天甚至更多),但雹粒相對較小,危害相對較輕(因人口稀少)。主要受高原熱力和動力抬升影響。
- 北方地區:
- 華北地區: 京津冀、山西、內蒙古中南部、山東、河南北部。春季和初夏多發,常與冷鋒活動相關。雹粒較大,危害嚴重(人口密集、農業發達)。
- 西北地區: 甘肅、陜西、寧夏、新疆部分地區。受地形和冷空氣活動影響。
- 云貴高原: 貴州西部、云南東部等地,受地形抬升和西南暖濕氣流影響。
- 東北地區: 黑龍江、吉林、遼寧部分地區,夏季多發。
- 季節分布: 主要集中在春末、夏季和初秋(4月-9月),其中5月-6月是北方冰雹高峰期(強對流天氣活躍),7月-8月是南方和青藏高原的高峰期。一天中多發于午后到傍晚(熱力條件最好)。
三、 對農業生產的潛在影響:毀滅性的打擊
冰雹對農業生產的危害是突發性、局地性、毀滅性的,被稱為“鐵災”:
直接物理損傷:
- 機械性破壞: 高速下落的冰雹直接砸傷、砸斷植物的莖、葉、花、果實。造成葉片穿孔、撕裂、脫落;莖稈折斷;花朵掉落;果實被砸傷、砸落、變形甚至粉碎。
- 損傷程度: 取決于冰雹的大小、密度、持續時間、硬度以及作物種類、生育期。雞蛋大的冰雹比黃豆大的冰雹破壞力呈幾何級數增長。處于開花期、幼果期、成熟期的作物最為脆弱。
影響作物生理過程:
- 光合作用受阻: 葉片大面積受損,嚴重減少光合面積,影響作物后期生長和產量形成。
- 傷口感染: 冰雹造成的傷口極易成為病菌(真菌、細菌)入侵的通道,誘發各種病害(如玉米大斑病、小斑病、果樹腐爛病等),造成二次傷害。
- 養分水分運輸受阻: 莖稈受損影響水分和養分的向上運輸。
- 落花落果: 花朵和幼果被砸落,直接導致減產甚至絕收。
特定作物影響:
- 糧食作物(小麥、玉米、水稻): 抽穗揚花期或灌漿期遇雹災,輕則減產,重則絕收。葉片砸爛影響灌漿。
- 經濟作物(棉花、油菜、煙草): 葉片、花蕾、棉鈴、菜薹、煙葉等被砸壞,嚴重影響品質和產量。
- 果樹(蘋果、梨、桃、葡萄等): 花期、幼果期遇雹災,導致落花落果;成熟期遇雹災,果實被砸傷、砸落,失去商品價值。果樹本身(枝葉、樹皮)也會受傷。
- 蔬菜(尤其是保護地蔬菜): 露地蔬菜被砸爛;冰雹還可能砸壞溫室、大棚的覆蓋材料(塑料薄膜、玻璃),造成設施損毀和棚內作物受損。
- 花卉、藥材: 同樣面臨毀滅性打擊。
間接影響:
- 土壤板結: 密集的冰雹沖擊可能導致土壤表層板結,影響透氣性和后續播種、出苗。
- 農田積水: 伴隨冰雹的強降雨可能導致農田積水,引發澇害。
- 心理沖擊與經濟損失: 農民短時間內巨大的投入化為烏有,造成嚴重的經濟損失和心理打擊。
四、 應對與防御措施
面對冰雹災害,防御措施主要包括:
監測預警:
- 利用氣象雷達(能有效探測到冰雹云的特征回波,如“鉤狀回波”、“三體散射”)、氣象衛星、地面觀測站等,加強對強對流天氣的監測。
- 建立快速、準確的冰雹預警信息發布系統,通過手機短信、廣播、電視、網絡等渠道及時向公眾和農戶發布預警信息。
人工影響天氣(防雹):
- 主要方法: 在冰雹云發展的早期或關鍵區域,向云中發射裝有碘化銀的火箭彈或高炮彈。
- 原理(“爭食”理論): 碘化銀是高效的冰核,大量引入后,使云中過冷水滴在更多的人工冰核上凍結,形成大量的小冰雹(霰)。這些小冰雹要么來不及長大就下落融化,要么互相競爭有限的過冷水資源,從而抑制或減少少數大冰雹的形成。“爆炸”理論認為爆炸沖擊波能干擾上升氣流或促進過冷水凍結。
- 效果: 在組織良好、作業及時的防雹作業中,能有效減輕雹災損失,但無法完全消除冰雹,效果也受作業時機、部位、云物理條件等多種因素影響。
工程措施:
- 防雹網: 在果園、高價值經濟作物田(如蔬菜、藥材)上方架設高強度尼龍網或金屬網,物理阻擋冰雹。這是最直接有效的保護措施,但成本較高。
- 加固農業設施: 提高溫室、大棚的抗擊打能力(如使用更堅固的覆蓋材料、加固骨架)。
農業管理措施:
- 調整種植結構: 在雹災多發區,適當減少易受災的高稈、脆弱作物種植面積,改種抗災能力較強的作物或早熟品種(避開雹災高發期)。
- 災后補救: 及時清理受損植株殘體,噴施殺菌劑預防病害,加強水肥管理促進恢復生長(對尚有恢復能力的作物),及時補種或改種短季作物。
- 農業保險: 積極投保政策性農業保險(尤其是雹災險),在災害發生后獲得經濟補償,降低損失。
總結
冰雹是強對流天氣的產物,其形成依賴于強烈的上升氣流、豐富的過冷水滴和足夠厚的云層。它主要發生在中緯度內陸地區、山地高原的下風方,具有明顯的季節性和日變化特征。中國是雹災多發國,青藏高原雹日最多,華北、西北等地雹災最重。
冰雹對農業生產的危害是毀滅性的,主要通過物理損傷破壞植物的器官,影響生理過程,并易誘發次生病害,導致農作物大幅減產甚至絕收,尤其對處于關鍵生育期的果樹、蔬菜、大田作物威脅巨大。
防御冰雹災害需要依靠現代化的監測預警系統、科學的人工防雹作業、推廣防雹網等工程措施、優化農業種植結構、加強災后管理以及完善農業保險體系等多管齊下,才能最大限度地減輕其對農業生產造成的損失。