降水根据其不同的物理特征可分为液态降水和固态降水。一般来说固态降水包括雪、霰、冰粒、小粒雪、钻石尘和冰雹(WMO定义中不包括冰雹)。固态降水之间的主要区别在于不同类型的降水的生长方式和单个降水颗粒的最大尺寸。
#霰#(Graupel)是过冷水滴通过碰撞冻结在凝结核上形成的松软固态降水颗粒,这一过程被称为凇化(Riming,图2和图3下)。形成霰的核可以是雪晶或者冻结的云滴。0~-20°C混合层越厚、云底温度越高,核为冻结云滴的概率越大。凝结核为雪晶且凇化不强烈时,凇化雪晶仍可保持大致的六角形,但外表面出现毛绒化,霰尺寸较小。凝结核为冻结的云滴或凇化特别强烈时,凇化雪晶彼此间会发生黏连,较大的霰在碰撞过程中可能会发生破碎,最终变为不规则球体或多面体,此时霰可以生长到相当大尺寸。气象学上霰直径要求小于5mm。霰也被称为米雪(Hominy Snow)、雪粒(Snow Pellets)、雪籽、雪丸或软雹(Soft Hails)。形态上霰白色不透明,质地特别脆弱,落地时没有声音,并大概率破碎。由于霰较脆软,不易形成畸形颗粒,多为不规则球形、多面体形或锥形。霰不需要大气层结一定存在暖逆温,多出现于地面温度不太低的对流性冬季风暴。
#冰粒# (Ice Pellets)是液态水滴(雨滴或云滴)凝固形成的硬质固态降水颗粒。在地面上冰粒仅常见于在中低层暖湿气流非常强劲的冬季风暴。这种情况下,雪或者霰降落到中低层暖层内完全或部分融化成液滴后,落地前重新进入地表冷层,被完全或部分冻结成冰,形成冰或外表为冰的颗粒。在积雨云内部,冰粒可经由融化层以上的过冷云滴与其他云滴或碎片(如尘粒)接触碰撞时发生撞冻形成。较小的冰粒也可以作为霰的凝结核。冰粒可以完全透明或部分透明。当冰粒由液态云滴形成且冻结速度较慢时,液态云滴中溶解的气体有时间完全逸出,形成透明的冰粒。当冰粒由融雪形成或冻结速度较快时,冰粒内部会存在多孔冰或大气泡,因此呈现半透明或不透明样貌。冰粒也被称为冰珠或冰丸,和霰类似气象学上要求最大直径小于5mm。实心冰粒质地坚硬,空心冰粒相对脆弱。冰粒落地时通常具有声音,并发生弹跳。空心冰粒落地时可能发生分解。在冰粒与过冷云滴碰撞、冰粒与冰粒碰撞、冰粒内部气体移动过程中,通过冰粒与冰粒黏连、冰粒中气泡上浮、内部过冷水逸出会产生大量畸形冰粒,如尖刺形、凸包形、半球壳形和大型不规则形(融雪形成)。由于冰粒硬度较高不易破碎,这些突出特征也得以保存(图4和图5)。典型冰粒要求大气层结存在足够厚的暖层逆温,同时地面附近冷层的温度要足够低和厚度要足够厚。冰粒常随雨夹雪或冻雨出现,并可互相转化。
#雪#(Snow)是通过水蒸气不经过液体阶段直接形成的具有典型冰晶结构的固态降水颗粒,这一过程被称为凝华。雪可以在层云的温和上升气流中形成,也可以在积雨云内中高海拔的寒冷区域形成。大部分雪花不是单个冰晶体,而是冰晶体过通过粘结或攀连形成的集合体,它们通过相互粘附或其他方式附着。与单个冰晶体相比,由多组雪晶组成的雪花可以生长到非常大的尺寸。形态上,雪花质地松软,多为白色,落地没有声音。纯雪要求没有暖层逆温,地面温度需要低于0°C一定程度,多出现在冬季最寒冷的时间段。
#粒状雪# (Snow Grains,Granular Snow)是颗粒非常细小的白色不透明冰晶状降水。粒状雪主要来自层云或雾,不会以阵雪形式出现。因此粒状雪的降雪量非常少,落地后不会大量堆积,降水效率等同于液态降水中的细雨。粒状雪形如霰,但更扁平细长,通常直径小于1毫米(图6)。粒状雪在与坚硬表面碰撞时不会反弹或破裂。粒状雪的物理结构很复杂,包括最简单冰晶、微小雪晶、小而紧密的雾凇束以及具有凇核和凇壳的颗粒。
#钻石尘# (Diamond Dusts)是以针、柱或板等形式降落的简单冰晶状降水。钻石尘通常发生在非常寒冷的地区。对比雪花,钻石尘具有更光滑的反射面,不易发生漫反射,因此更容易在光源上方形成灯柱或日柱现象(钻石尘日柱,图7)。与钻石尘类似的现象叫做冰雾,区别在于冰雾大部分由尺度更细小的滴晶组成,非常稠密,因此会显著降低能见度。
#冰雹# (Hails)是通过数次表面积聚的过冷水冻结后,尺寸生长到非常大的一种固态降水。形成冰雹的原始核心( 霰或冰粒)被称为雹胚。雹胚在上升气流的托举下在云中不断上下往复移动。雹移动过程中,经由积聚在雹表面的过冷水冻结或雹彼此间的粘连而逐渐长大,最终形成直径较大的固态降水掉落地面。直径大于2mm且小于5mm的颗粒被称为小冰雹,大于5mm的颗粒被称为冰雹。我国春季出现强烈雷暴雪时,小冰雹和冰粒会有一定重叠,可以通过是否存在分层特征来分辨。冰雹除了常见的球形或椭球型,还有其他各种形状,如凸包状、尖刺状或不规则球状等。冰雹可以半透明、部分透明或不透明。大型冰雹通常具有多组白色-透明的同心纹理(图8和图9)。冰雹质地坚硬,落地声音很大,并可能会发生反弹和破碎。冰雹由于重量大,保持被托起状态需要更强的上升气流,因此只存在于对流强烈的积雨云内。冰雹要求大气层结不稳定程度高,多出现在春末冷暖交汇期、南方的初夏和北方的盛夏。
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