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

嘉賓簡(jiǎn)介：

李浩然，中國(guó)氣象科學(xué)研究院副研究員，德國(guó)洪堡學(xué)者，中國(guó)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(dá)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(dá)遙感新技術(shù)，解譯云降水粒子的全周期生命史。

• 這項(xiàng)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(gè)特點(diǎn)：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(zhǎng)的精細(xì)物理過(guò)程。

• 現(xiàn)在正嘗試把AI技術(shù)引入降雪觀測(cè)中，希望未來(lái)可以改善暴雪的短臨預(yù)警和預(yù)報(bào)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(tái)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(guò)，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(tái)年年送上全國(guó)降雪的排行榜前列，更是讓它們有了“中國(guó)雪窩子”的外號(hào)。

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

冷流雪為何“偏愛(ài)”煙威地區(qū)？

李浩然首先解讀了“冷流雪”的概念�！袄淞餮庇纸小昂Ｐ�(yīng)降雪”或者“大湖效應(yīng)降雪”。當(dāng)冷空氣經(jīng)過(guò)像海洋、大型湖泊這樣相對(duì)溫暖的水體時(shí)，會(huì)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(yùn)動(dòng)的發(fā)展，容易形成對(duì)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(shuō)是“就地取材”。

“我們平常見(jiàn)到的冬季降雪一般形成于更大尺度天氣系統(tǒng)中的動(dòng)力抬升，影響范圍大且降雪相對(duì)均勻；冷流雪主要分布在中高緯度沿海地區(qū)，局地性更強(qiáng)一些�！崩詈迫唤忉尩馈�

冷流雪的形成，與海氣的溫差密切相關(guān)。海面溫度和過(guò)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(guó)的冷空氣，也就是寒潮，一般來(lái)自北邊的西伯利亞，沿著西北-東南方向移動(dòng)。經(jīng)過(guò)渤海上空時(shí)，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(zhǎng)距離穿越洋面的過(guò)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(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)降雪。我國(guó)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(shí)，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(qiáng)。

“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(yuǎn)超平原地區(qū)的降雪量�！崩詈迫恍蜗蟮乇扔鞯馈�

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?yàn)樯綎|半島特殊的東西走向地理格局，如果冷空氣的來(lái)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(guò)，如果冷空氣的來(lái)向偏西，冷流云往往會(huì)沿著海岸線一路向東傳播�！氨热�2024年11月27日，我們當(dāng)時(shí)還在煙臺(tái)等降雪做觀測(cè)，結(jié)果暴雪一路向東跑到韓國(guó)首爾去了，當(dāng)時(shí)還有個(gè)說(shuō)法是暴雪把首爾“下癱了”，對(duì)當(dāng)?shù)卦斐闪撕艽蟮挠绊��！?/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(méi)有兩片完全一樣的雪花。這是因?yàn)檠┗ǖ男螤钍艿较侣渎窂缴系目諝鉁囟�、濕度甚至過(guò)冷水的影響，會(huì)形成很多不同的基本形狀。我們常見(jiàn)的像動(dòng)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(gè)雪花聚集在一起時(shí)，就會(huì)形成很大的雪團(tuán)，也就是我們常說(shuō)的“鵝毛大雪”。如果雪花遇到過(guò)冷水，內(nèi)部的空隙就會(huì)被過(guò)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?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)開展冷流雪觀測(cè)，雷達(dá)出了一點(diǎn)小故障，我和一位同學(xué)到山上重啟雷達(dá)。當(dāng)時(shí)，雷達(dá)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(shí)那樣輕柔�！崩詈迫恢v述道。

除此之外，李浩然還有一次“奇遇”。

“一次偶然的機(jī)會(huì)，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(lái)，后來(lái)通過(guò)仔細(xì)觀察，我發(fā)現(xiàn)這片雪花其實(shí)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(gè)靜謐的微觀世界里，兩顆相鄰的凝結(jié)核幾乎同時(shí)開始凝華，在相同的溫度、濕度和過(guò)飽和環(huán)境中并肩生長(zhǎng)。由于冰晶的六方晶格結(jié)構(gòu)，它們各自沿著六個(gè)主軸伸出枝杈，卻因?yàn)槲锢項(xiàng)l件的完全同步，逐漸長(zhǎng)成了幾乎鏡像的形態(tài)。

“原來(lái)，云內(nèi)寒冷的凝結(jié)過(guò)程中，也會(huì)藏著如此浪漫的故事�！崩詈迫桓袊@道。

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

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

目前，他們也正在圍繞冷流云內(nèi)過(guò)冷水的特征開展觀測(cè)和模擬研究，希望能在將來(lái)用到冷流雪的觀測(cè)和預(yù)報(bào)中。

“可能有一點(diǎn)理解上的偏差，掉落在衣服上的雪花似乎非常大，但它們?cè)诳罩械恼鎸?shí)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(huì)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(cè)設(shè)備看，粒徑可能就只有1-2厘米�！崩詈迫谎a(bǔ)充道。

雪花微物理分析儀與三頻段雷達(dá)

有細(xì)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(huì)開始融化。首先雪花表面的冰會(huì)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�！皾裱本褪侵傅奶幱谌诨^(guò)程中的雪花，而如果近地面的濕球溫度低于零度，雪花不會(huì)融化，這就形成了“干雪”。

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

地面觀測(cè)到的雪花形態(tài)和云內(nèi)的雪花生長(zhǎng)過(guò)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(guò)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(guò)冷水，而過(guò)冷水的形成與云內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)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(jìn)數(shù)值模式中的冰和雪的物理過(guò)程參數(shù)化。”李浩然如是說(shuō)。

那么，我們是不是能通過(guò)雪的形態(tài)來(lái)預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)呢？

對(duì)此，李浩然表示：“這是一個(gè)很重要的問(wèn)題，從降雪累積量上看，過(guò)冷水對(duì)地面降水的貢獻(xiàn)可以達(dá)到40 -90%。如果降雪以霰粒為主，降雪的累計(jì)量可能很大，對(duì)建筑承重帶來(lái)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(huì)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(wàn)變，很難捕捉，李浩然團(tuán)隊(duì)也一直在研發(fā)雪花的觀測(cè)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(jī)對(duì)雪花的降落過(guò)程進(jìn)行自由采樣，并用人工智能技術(shù)識(shí)別每一朵雪花在相機(jī)視野內(nèi)的下落軌跡，計(jì)算出粒徑、表面粗糙度、下落速度、以及質(zhì)量等單個(gè)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(cè)，而有了雪花測(cè)量?jī)x器，就徹底告別了傳統(tǒng)的人工目測(cè)，實(shí)現(xiàn)了雪花的自動(dòng)、科學(xué)測(cè)量，也能更好地認(rèn)識(shí)不同雪花之間的相互作用�！崩詈迫蝗缡钦f(shuō)。

李浩然在觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，雷達(dá)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(cè)團(tuán)隊(duì)想知道雪花在空中如何變化。他們決定利用雷達(dá)對(duì)空中雪花進(jìn)行遙感測(cè)量。作為中國(guó)氣象科學(xué)研究院C/Ka/W三頻雷達(dá)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，李浩然解釋了其中的原理。

三頻段雷達(dá)遙感技術(shù)主要是利用目標(biāo)物在不同頻段上散射特性的差異反演空中粒子的精細(xì)物理參數(shù)。經(jīng)過(guò)兩年實(shí)驗(yàn)，我們利用三頻段雷達(dá)成功識(shí)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(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。

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

“我們?cè)谌l雷達(dá)遙感技術(shù)方面的起步相對(duì)晚。經(jīng)過(guò)這幾年技術(shù)追趕，我們把功課補(bǔ)上來(lái)了，更重要的是形成了自己的特色，也取得了國(guó)際同行的認(rèn)可。”李浩然如是說(shuō)。

由于雪花的形狀、粒徑和密度變化非常大，降雪的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)一直是國(guó)際性難題。李浩然和冷流雪觀測(cè)團(tuán)隊(duì)也在嘗試把AI技術(shù)引入降雪觀測(cè)中，希望未來(lái)可以有效改善暴雪的短臨預(yù)警和預(yù)報(bào)能力。

運(yùn)營(yíng)編輯 |曹倩審核｜孟莎莎