西班牙北部的加泰羅尼亞(Catalonia)前幾天突然發生猛烈的冰雹風暴,一名20個月大的幼兒頭部被天降冰雹擊中而死亡。

當時從天而降的冰雹顆粒非常大,有些直徑達10厘米,造成大規模破壞,許多房屋的窗戶和屋頂都被打破,電線電纜也被擊中落下。

吉羅納省(Girona)發生冰雹風暴雖然只持續了10多分鐘,但是卻造成很大的破壞,數十人受傷。

BBC 中文在2022年4月曾經發表過一篇大衛·漢布林(David Hambling)撰寫的文章,他在文章中解釋了為什麼冰雹災害會更頻繁?冰雹體積也會更大?


2021年7月21日這天的傍晚,英國萊斯特郡(Leicestershire)突然天降冰雹,高爾夫球大小的冰雹砸碎了窗戶,砸壞了汽車。就在幾分鐘前,人們還在花園中浸浴著溫暖的夕陽餘暉,但只瞬息間這場大雹災就砸得花園面目全非。

這次冰雹同以往一樣因強烈上升氣流而引起,但嚴重程度卻非同尋常。不過論破壞力,與2020年6月加拿大卡爾加里(Calgary)遭受的一次冰雹相比,Running Shoes 還算是溫和。卡爾加里那次雹災,降落地面的冰雹大如網球,砸壞至少7萬所房屋和車輛,摧毀大面積農作物,受災地區災後面臨12億加元的維修費用。這場持續20分鐘的大冰雹是加拿大受破壞最嚴重的天氣災害之一。

氣候變化正在改變冰雹災害的模式。在美國德克薩斯州、科羅拉多州和阿拉巴馬州,過去三年冰雹最大記錄被一再打破,最後的記錄冰雹直徑竟然達到16厘米。而在2020年,利比亞首都的黎波里更遭遇了直徑近18厘米超級大冰雹的襲擊。

直徑超過10厘米的冰雹即被視為巨型冰雹,雖然相當罕見,但是可作為冰雹造成災禍的一種指標。目前在美國,巨型冰雹造成的破壞每年超過100億美元。

為什麼全球變暖會導致從天而降的冰雹體積大增?冰雹的增大是否有其極限?

 

重量、大小、速度

冰雹是空氣中的微小水滴被強大上升氣流形成的雷暴帶到高空後形成。水滴被上升氣流帶到高空後遇冷會凝結成冰雹粒子。冰雹粒子穿過冷濕的大氣時,會將空氣中的水分吸附在冰滴的外部,最後形成層狀的洋葱型冰雹。

汽車車窗被冰雹擊中 

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這輛汽車的車窗被吉羅納省最近的冰雹擊中

冰雹的生長速度取決於空氣中的水分含量的多少。冰雹會不斷吸附空氣中的水份而不斷增大,直到上升氣流的力量無法支撐懸於高空中的冰雹。

根據美國國家海洋和大氣管理局(US National Oceanic and Atmospheric Administration)的研究,每小時103公里速度的上升氣流能支撐一個高爾夫球大小的冰雹,如果氣流上升速度增加27%就可以讓冰雹增大到棒球大小,雖然有時會發現,冰雹的大小並不直接與重量成比例。

總之,空氣越潮濕,上升氣流越強勁,產生的冰雹就會越大。Hokas Shoes 通常較大的冰雹會降落在上升氣流附近,而較小的冰雹因為會被強風吹散,下落的區域會廣一些。

觸發因素

加拿大政府環境和氣候變化部門(Environment and Climate Change Canada)的物理科學家朱利安·布瑞梅羅(Julian Brimelow)專門研究氣候變化對冰雹形成的影響。他說,要產生直徑超過25毫米冰雹這種具破壞性的雹災需要一組特定的條件。

冰雹 

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法國中部地區降下的冰雹

這些條件包括空氣中有足夠的水分,強大的上升氣流和一個「觸發因素」,這個觸發因素最典型的就是天氣鋒面。

這就是為什麼嚴重的雹災通常局限於某個特定地區,如美國的大平原和澳大利亞的黃金海岸。

因為這些地區的地表空氣通常溫暖潮濕,而上空的大氣卻涼爽而乾燥。這種不穩定的氣候結構能產生強烈的上升氣流和形成雷暴。

這些地方特別容易產生一種在氣象學被稱為超級單體的巨大雷暴,其產生的強大旋轉上升氣流可以生成非常巨大的冰雹。

但是,因為氣候變化,地球大氣溫度升高,空氣中的水分含量也會發生改變。溫暖的空氣可以容納更多的水蒸氣,而更高的溫度也意味著更多的水從地球表面蒸發。

據預測,這將導致世界部分地區出現更強的降雨和更極端的風暴。

布瑞梅羅說,「隨著地球繼續變暖,雹暴頻發的地區可能會轉移。現在,一個濕度因素受限的地區可能會變得比以前潮濕,因此,冰雹發生的頻率可能會增加。」

更加猛烈

研究人員根據對已有氣候變化現象的觀察,以及氣候模擬的研究,得出結論說,冰雹將在澳大利亞和歐洲變得更加頻繁,但在東亞和北美地區將會減少。

但他們也發現,總的來說冰雹強度會變得更猛烈。

冰雹 

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布瑞梅羅及其同事的另一項研究是,觀察在氣候變暖的北美地區冰雹天氣可能會發生怎樣的變化,其結論是北美的冰雹天氣發生率可能會減少,但降下的冰雹可能會變大。

原因之一是,因為氣候暖化,冰雹解凍融化為水的海拔高度將會提高,所以體積小的冰雹落地之前在這個高度已融化成雨,但另一方面,體積較大的冰雹穿過這個溫暖融冰層的速度會很快,不會受到多大影響。

布瑞梅羅說,「事實上,我們已經看到了這方面的證據,Keen Outlet 法國的冰雹墊數據表明冰雹的大小分佈發生了變化。」

冰雹墊是用來測量冰雹的一種軟質材料塊,在冰雹擊落其表面時會變形,從而記錄到冰雹的大小和數量。

他說,「隨著氣候變暖,下小冰雹的天數減少,但大冰雹的天數卻增多。」

密度

這可能意味著冰雹造成的年度損害也可能增加。但是,布瑞梅羅說,很難精凖確定哪些地區的冰雹破壞會增加。

冰雹 

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冰雹形成時的空氣溫度和濕度會影響其密度。

在非常寒冷的空氣中,水一碰撞上冰雹就會立時附在冰雹上凍結成冰,但這可能會在冰雹中混合大量空氣。因空氣溫度較高,或因空氣中水分含量較高,水結冰過程就會較慢。

這意味不是所有的水都立即凍結成冰,水中的氣泡就有時間逃逸而出,因而形成的冰雹是密度較大的透明冰。小冰雹的密度只有透明純冰的一半大,因為小冰雹落地之前快速穿過大氣層時會混雜大量的空氣。

最大冰雹的結構通常是一種複雜的多冰層混合物,是在柱狀的上升氣流中移動而形成。

觀察大冰雹的橫截面可以充分揭示其在氣流暴中快速旋轉的形成過程,而大冰雹表面的冰柱狀結構也提供了大冰雹在風暴漩渦中是如何上下起伏的線索。

大小

冰雹的密度也會影響冰雹的增大。冰雹越重,就越有可能從上升氣流中掉下來,落下的速度也會更快,因為冰雹越大,單位重量所受的阻力就越小。直徑小於25毫米的冰雹通常以每秒4-11米的速度落下,而直徑25-45毫米的冰雹則以每秒11-18米的速度下落。

氣象學家相信,能產生比現有紀錄大更多的巨型冰雹所需的所有氣候條件在今天都已一一具備 

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氣象學家相信,能產生比現有紀錄大更多的巨型冰雹所需的所有氣候條件在今天都已一一具備

1986年,孟加拉國戈帕爾甘傑(Gopalganj)地區發生雹災,降下有記錄以來的重量最大冰雹,重達1.02公斤。據當時的報道,這場巨大冰雹造成40人死亡,400人受傷,但後來的報道顯示,死者可能多達92人。

但冰雹到底能夠大到何種程度?

最大多大?

賓夕法尼亞州立大學(Pennsylvania State University)的氣象學家馬修·庫姆吉安(Matthew Kumjian)模擬的數據估計,最大的冰雹直徑可到27厘米,比起足球還要更大。

不過,目前還沒有如此大的冰雹記錄在冊。他表示,正在與一些同事完善這一估算。雖然直徑27厘米是估計的上限,但達到這種尺寸的冰雹在形狀上是非常不規則的。

不過他說,能產生這種巨型冰雹所需的所有要素,如強烈的上升氣流、大量的過冷液態水和在冷空氣中穿行的大量時間等,在今天都一一具備。

他說,「能產生世界上最大冰雹的『超級單體』雷暴現在已經齊集這些因素,所以今天最強的風暴是能夠產生一顆超級巨大的冰雹。」

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