[Science] 气候变化另类危机——超大冰雹灾害
气候变化另类危机——超大冰雹灾害
- 大卫·汉布林
- （David Hambling）
大块头的冰雹由多层冰晶组成，冰雹大小取决于困在冰晶内的空气量（Credit: BBC）
时值英国盛夏，全国热浪滚滚。在英格兰中部的莱斯特郡（Leicestershire），享受暑假之乐的孩子们正在吹气水池中玩水解暑，但突然之间晴空消失，天色变暗。
2021年7月21日这天的傍晚，莱斯特郡突然天降冰雹，高尔夫球大小的冰雹砸碎了窗户，砸坏了汽车。就在几分钟前，人们还在花园中浸浴着温暖的夕阳余晖，但只瞬息间这场大雹灾就砸得花园面目全非。
这次冰雹同以往一样因强烈上升气流而引起，但严重程度却非同寻常。不过论破坏力，与2020年6月加拿大卡尔加里（Calgary）遭受的一次冰雹相比，还算是温和。卡尔加里那次雹灾，降落地面的冰雹大如网球，砸坏至少7万所房屋和车辆，摧毁大面积农作物，受灾地区灾后面临12亿加元的维修费用。这场持续20分钟的大冰雹是加拿大受破坏最严重的天气灾害之一。
气候变化正在改变冰雹灾害的模式。在美国德克萨斯州、科罗拉多州和阿拉巴马州，过去三年冰雹最大记录被一再打破，最后的记录冰雹直径竟然达到16厘米。而在2020年，利比亚首都的黎波里更遭遇了直径近18厘米超级大冰雹的袭击。
直径超过10厘米的冰雹即被视为巨型冰雹，虽然相当罕见，但是可作为冰雹造成灾祸的一种指标。目前在美国，巨型冰雹造成的破坏每年超过100亿美元。
为什么全球变暖会导致从天而降的冰雹体积大增？冰雹的增大是否有其极限？
冰雹是空气中的微小水滴被强大上升气流形成的雷暴带到高空后形成。水滴被上升气流带到高空后遇冷会凝结成冰雹粒子。冰雹粒子穿过冷湿的大气时，会将空气中的水分吸附在冰滴的外部，最后形成层状的洋葱型冰雹。
冰雹的生长速度取决于空气中的水分含量的多少。冰雹会不断吸附空气中的水份而不断增大，直到上升气流的力量无法支撑悬于高空中的冰雹。根据美国国家海洋和大气管理局（US National Oceanic and Atmospheric Administration）的研究，每小时103公里速度的上升气流能支撑一个高尔夫球大小的冰雹，如果气流上升速度增加27%就可以让冰雹增大到棒球大小，虽然有时会发现，冰雹的大小并不直接与重量成比例。总之，空气越潮湿，上升气流越强劲，产生的冰雹就会越大。通常较大的冰雹会降落在上升气流附近，而较小的冰雹因为会被强风吹散，下落的区域会广一些。
加拿大政府环境和气候变化部门（Environment and Climate Change Canada）的物理科学家朱利安·布瑞梅罗（Julian Brimelow）专门研究气候变化对冰雹形成的影响。他说，要产生直径超过25毫米冰雹这种具破坏性的雹灾需要一组特定的条件，包括空气中有足够的水分，强大的上升气流和一个“触发因素”，这个触发因素最典型的就是天气锋面。这就是为什么严重的雹灾通常局限于某个特定地区，如美国的大平原和澳大利亚的黄金海岸。因为这些地区的地表空气通常温暖潮湿，而上空的大气却凉爽而干燥。这种不稳定的气候结构能产生强烈的上升气流和形成雷暴。
这些地方特别容易产生一种在气象学被称为超级单体的巨大雷暴，其产生的强大旋转上升气流可以生成非常巨大的冰雹。
但是，因为气候变化，地球大气温度升高，空气中的水分含量也会发生改变。温暖的空气可以容纳更多的水蒸气，而更高的温度也意味着更多的水从地球表面蒸发。据预测，这将导致世界部分地区出现更强的降雨和更极端的风暴。
布瑞梅罗说，“随着地球继续变暖，雹暴频发的地区可能会转移。现在，一个湿度因素受限的地区可能会变得比以前潮湿，因此，冰雹发生的频率可能会增加。”
研究人员根据对已有气候变化现象的观察，以及气候模拟的研究，得出结论说，冰雹将在澳大利亚和欧洲变得更加频繁，但在东亚和北美地区将会减少。但他们也发现，总的来说冰雹强度会变得更猛烈。
布瑞梅罗及其同事的另一项研究是，观察在气候变暖的北美地区冰雹天气可能会发生怎样的变化，其结论是北美的冰雹天气发生率可能会减少，但降下的冰雹可能会变大。
原因之一是，因为气候暖化，冰雹解冻融化为水的海拔高度将会提高，所以体积小的冰雹落地之前在这个高度已融化成雨，但另一方面，体积较大的冰雹穿过这个温暖融冰层的速度会很快，不会受到多大影响。
布瑞梅罗说，“事实上，我们已经看到了这方面的证据，法国的冰雹垫数据表明冰雹的大小分布发生了变化。”冰雹垫是用来测量冰雹的一种软质材料块，在冰雹击落其表面时会变形，从而记录到冰雹的大小和数量。他说，“随着气候变暖，下小冰雹的天数减少，但大冰雹的天数却增多。”
美国科罗拉多州贝修恩市2019年遭遇一场巨大冰雹灾害，一颗落地的冰雹经测量发现宽达12厘米（Credit: National Weather Service, Goodland Forecast Office）
这可能意味着冰雹造成的年度损害也可能增加。但是，布瑞梅罗说，很难精准确定哪些地区的冰雹破坏会增加。
在预计会发生冰雹灾害的地区，可为建筑物作抗冰雹等级的评定。目前的方法是使用气动发射器向建筑物投掷或发射钢球来模拟冰雹冲击，但增大冰雹的体积并未能如预想那样也会增加对建筑的破坏力。德克萨斯理工大学（Texas Tech University）2020年的一项研究探索了为什么预测雹灾会很困难，以及为什么冰雹的破坏性远远超过预期。
冰雹形成时的空气温度和湿度会影响其密度。在非常寒冷的空气中，水一碰撞上冰雹就会立时附在冰雹上冻结成冰，但这可能会在冰雹中混合大量空气。因空气温度较高，或因空气中水分含量较高，水结冰过程就会较慢，这意味不是所有的水都立即冻结成冰，水中的气泡就有时间逃逸而出，因而形成的冰雹是密度较大的透明冰。小冰雹的密度只有透明纯冰的一半大，因为小冰雹落地之前快速穿过大气层时会混杂大量的空气。
最大冰雹的结构通常是一种复杂的多冰层混合物，是在柱状的上升气流中移动而形成。观察大冰雹的横截面可以充分揭示其在气流暴中快速旋转的形成过程，而大冰雹表面的冰柱状结构也提供了大冰雹在风暴漩涡中是如何上下起伏的线索。
这是2018年在科罗拉多州路易斯维尔下的冰雹，大如鸡蛋，如此大的冰雹在剧烈雷暴雨中并不罕（Credit: Helen H Richardson/The Denver Post/Getty Images）
例如，2003年内布拉斯加州奥罗拉（Aurora, Nebraska）的一场冰雹，人们对一颗落地的直径17厘米大冰雹进行检查，发现其核心有一种“海绵状”充气冰，外层则是密度较高的透明冰。研究这颗大冰雹的科学家说，如果是纯冰构成的，那么这个排球大小的冰雹应该重约2.5公斤，但实际只重500克，因为核心密度较低。他们的结论是，这颗冰雹最初是在快速穿过上升气流时形成的，然后被侧风抛出上升气流，然后又掉回气流，这一次由于体积已增大，上升速度变慢，因此冰的密度增大，体积也随之越来越大。
冰雹的密度也会影响冰雹的增大。冰雹越重，就越有可能从上升气流中掉下来，落下的速度也会更快，因为冰雹越大，单位重量所受的阻力就越小。直径小于25毫米的冰雹通常以每秒4-11米的速度落下，而直径25-45毫米的冰雹则以每秒11-18米的速度下落。1986年，孟加拉国戈帕尔甘杰（Gopalganj）地区发生雹灾，降下有记录以来的重量最大冰雹，重达1.02公斤。据当时的报道，这场巨大冰雹造成40人死亡，400人受伤，但后来的报道显示，死者可能多达92人。
而且有关冰雹下落速度也不是简单课题。研究人员过去曾假设冰雹是近似球形的，而最近的研究发现，冰雹更像扁平的橄榄球，这种形状让冰雹落地时受到较大的空气阻力。冰雹增大时，其表面会形成突起和裂缝而凸凹不平。这两个因素都会影响冰雹落地的空气动力、坠落的速度，以及最后撞击地面造成的伤害。
最后，冰雹击中地面的速度与降落时的速度也是不同的。一方面，除了自由落地受到的重力，冰雹可能还会受到水平分力，水平吹来的侧风可以增加冰雹的冲击速度。最具破坏性的冰雹灾害是由强大的下降气流驱动的下击暴冲，这时气流从上层雷暴中急速下降，撞击地面时向四周扩散，产生非常高的风速。气流下击暴冲通常只有几公里宽，会持续几分钟，但垂直风速可达每秒70-80米，并伴有同样猛烈的破坏性冰雹。
大冰雹以这种速度落地，其威力足以击穿屋顶的瓦片，砸碎车窗，撕下建筑物的覆盖层。这类型的雹灾可以毁坏庄稼，伤害人和动物，并对正在航行的飞机构成特别严重的威胁。
几年前，我曾在阿根廷的门多萨（Mendoza）亲眼目睹了一场冰雹。这场狂风暴雨刮倒了树木，之后冰雹遍地成堆，尽管那是一个很暖和的日子。
上述种种因素告诉我们，规模增大的雹灾可以造成比预想更大的损害。
大冰雹威力足以击穿屋顶的瓦片，砸碎车窗，撕下建筑物的覆盖层
2018年，阿根廷的卡洛斯帕斯镇（Villa Carlos Paz）遭遇前所未有的特大雹灾，落地的一些冰雹直径达到18厘米，有些甚至达到了23.7厘米的惊人程度。尽管这样的大小接近冰雹最大体积的世界纪录，但也很难断定是否如此。首先，巨大的冰雹以毁灭性力量冲击落地时，很少能完好无损地保持原状。
宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的气象学家马修·库姆吉安（Matthew Kumjian）分析了社交媒体上发布的卡洛斯帕斯镇冰雹灾害的许多图片后，对这场冰雹的实际大小作出了估计。然后，他亲自前往现场，测量了灯柱、遮阳篷和其他背景物体以得到精确的比例，并采访了目击者。他还检查了一块放在冰箱里的11.4厘米直径的冰雹。
库姆吉安指出，近年来关于巨大冰雹的报道变得越来越常见。
他说，“在过去的20年里，美国大约有10起最大尺寸为6英寸（15厘米）或更大的冰雹报告。这都是很罕见的。”
近年来，大冰雹记录一直在波动。例如，去年4月在德克萨斯州洪多（Hondo）附近发生一场冰雹后，人们收集到了一颗直径16厘米、重590克的冰雹。这颗冰雹被保存在冰箱里，后来被确认为该州的最大冰雹新记录。
但冰雹到底能够大到何种程度？
库姆吉安基于模拟的数据估计，最大的冰雹直径可到27厘米，如“保龄球大小”，而最大质量的冰雹（可能重达约1公斤）有待目击者报告，其形状则有待研究。不过，目前还没有如此大的冰雹记录在册。他表示，正在与一些同事完善这一估算。虽然直径27厘米是估计的上限，但达到这种尺寸的冰雹在形状上是非常不规则的。不过他说，能产生这种巨型冰雹所需的所有要素，如强烈的上升气流、大量的过冷液态水和在冷空气中穿行的大量时间等，在今天都一一具备。
他说，“能产生世界上最大冰雹的‘超级单体’雷暴现在已经齐集这些因素，所以今天最强的风暴是能够产生一颗超级巨大的冰雹。”
不过，雷暴雨夹带巨大的冰雹来袭还是比较少有，常见的是个头较小的小冰雹，但冰雹小仍然能够造成广泛的破坏。然而，由于大冰雹有可能杀死牲畜，夺取人的生命，造成严重的生命财产损失，即或较为罕见，也不能不重视。
2006年6月9日，韩国一架空中巴士321客机遭遇了一场强烈的冰雹，冰雹撕裂了雷达罩（机头保护雷达的安全罩），摧毁了雷达。当时冰雹砸落在机翼边缘和稳定器上，雷达罩的一部分被卷入一台发动机，发动机因而受损。飞机发出一连串自动警告信息，机组人员不得不紧急着陆，虽然最终安全迫降，但由于能见度低之前两次着陆失败尝试失败。
冰雹一直是飞行可能面临的危险，2017至2019年记录在册的冰雹危及飞行安全的事故共20起。现在飞机的挡风玻璃都很坚固，可以抗鸟类的撞击，所以冰雹通常不会砸毁机窗，但冰雹造成的损害会遮盖住挡风玻璃，使着陆变得很困难，如同韩国的那次飞行事故一样。
气像雷达的侦测通常可以让飞机避开冰雹，但在高海拔大气中形成的冰雹因为温度极低所有水份都被冻结而非常之干燥，而干燥缺水则使雷达反射微弱很难发现。2017至2019年有7起记录的冰雹事件就发生在9144米以上的高空。所以，正如你所料，对于飞机来说，大冰雹比小冰雹更加危险。
在地面上，两种现在越来越常见的新型建筑面临雹灾的危险尤其大，这就是太阳能电池板和风力涡轮发电机。
2020年9月，这些巨大的冰雹袭击了土耳其伊斯坦布尔的乌斯奇达尔地区，造成了广泛的破坏（Credit: Emrah Yorulmaz/Anadolu Agency/Getty Images）
阿姆斯特丹环境研究所（Institute for Environmental Studies）2019年的一项研究表明，建设更多的太阳能电池板就等于会遭受更多的冰雹灾害。欧盟的一项倡议希望到2023年欧洲零碳家庭能达到100万户，因此开发太阳能会越来越普遍，但研究人员指出，目前缺乏能确保太阳能板可抗冰雹的生产规则和标准。气候变化引发的破坏性冰雹可能会破坏旨在应对气候变化的太阳能电池板推行。
冰雹还会损坏风力涡轮机的叶片，推高维护成本，增加风力电场的能源损失。这是因为风力涡轮机的叶片前缘必须具有高度的空气动力学特性，以最小的阻力切割空气旋转。
叶片前缘通常是弯曲的玻璃纤维增强聚合物层压板，涂有易碎的聚氨酯基涂层。即使雨水也会侵蚀到叶片前缘，但以冰雹的影响更大，反复的撞击会使其破碎。而叶片遭受任何损坏都会影响气流，增加阻力，从而降低涡轮的效率。丹麦2017年的一项研究建议，如遇极端天气，只要停止涡轮叶片的旋转，就可以降低撞击速度，减少冰雹造成的损害。
虽然大冰雹灾害的发生率增加，但雹灾并非无可避免。办法之一是向受影响地区发出冰雹警告。在南非，保险公司已经通过短信发送冰雹警报，让人们有机会为汽车或其他财产提供掩盖保护。
由单丝聚乙烯制成的冰雹网可以保护苹果树和葡萄藤等脆弱的水果作物，除最大的冰雹外，几乎可以挡住所有大小的冰雹。如今，美国的一些汽车经销商也安装了类似的防冰雹网。布瑞梅罗指出，在冰雹保险索赔中，是否安装防雹网是很重要的一项考量。
科罗拉多大学的莱娜·托德伦（Leila Tolderlund）2021年带领做的一项研究也突显绿化屋顶可防冰雹的功能。这种防雹绿化屋顶由一层防水膜和一层有植被的厚实土壤组成，除了能够隔热，在夏天可减少热量和二氧化碳的吸收，也被证明是极好的防雹利盾。她的研究发现，在一次严重冰雹模拟实验中，所有未被保护的屋顶表面都受到了破坏，而有绿化屋顶的则安然无恙。
科学家也曾试图预测特定风暴可能产生的冰雹究竟有多大，但许多预测都缺乏准确性。如布瑞梅罗所指出，要对冰雹的发生作出精准预测现在还为时过早。但从布瑞梅罗和其科学家的研究也可以清楚看出，真正超大的冰雹大有可能会不断砸向我们，而我们现在所能做的就是预防，在冰雹袭来之前找到一个像样的避难安身之所。
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