你听说过冬天下冰雹吗？应该没有吧！

都是由冰构成的，为什么冬天会下雪下冰粒子（有的地方叫冰霰子）就是不会下冰雹呢？冰雹有哪些特别之处？它会出现在什么地方？本文将从科学的角度为你一一解析。

甭管天上下的是啥，开头都是冰

古人说“高处不胜寒”。无论盛夏还是严冬，越往高处气温越低，至少在地球的对流层是有科学道理的。

在咱们头顶上，大气对流层的平均厚度大约为17千米，相对于大气层来说并不算厚，但这里积聚了整个大气质量的75%、水蒸气和气溶胶的99%。大气层就像是一个巨大的襁褓包裹着地球，为我们保暖。

从空间站拍摄航天飞机，背景中橘红色是地球的对流层

地球主要通过太阳辐射的光来获得热量，阳光中大约有47%的能量会被地表吸收，然后再辐射出来。辐射加热了大气层（主要是对流层）中的二氧化碳和水蒸气等温室气体，于是地表的大部分热量会在对流层里循环。越靠近地面的地方接收地面热辐射越多，因此这里的温度越高；越往高处接收到的热辐射越少，温度就越低。

前些天坐飞机从北京回深圳，通过飞机上的信息系统了解到空中的实时温度信息，可以看出，随着飞行高度的上升，机舱外空气的温度在不断降低，当飞机最终上升到1.1万米的巡航高度时，舱外气温基本稳定在-60℃左右。由此可见，高处不胜寒是真的。

飞行高度与舱外气温的变化

受许多因素的影响，大气温度与高度并没有严格的对应关系，但在几千米高空的云层里，无论冬夏，气温低于0℃的情况很常见。云团中常常混合着几微米大小的冰晶、1~20微米直径的过冷水滴和被冷却的水分子。这里是雨水、雪花和冰雹诞生的地方。

云中充满水蒸气、水滴和冰晶

云里的水滴因为有表面张力，它们很难变大，所以也不容易掉下来。即便是有个头大一点的，比如长大到100微米，掉出了云层，它也会迅速蒸发，变成水蒸气，又重新回到云里。只有结成冰，水滴才有逃出生天、降临人间的机会。

雨雪的形成

云层里的水滴通常都十分细小，它的直径大多在2~10μm之间，由于过冷水滴周围的蒸气被消耗，它不容易长大。同时因为表面张力等原因，两个小水滴会互相排斥，相碰撞时也不会融合成一颗，而是像皮球一样弹开。

在云层中，水滴与冰晶大多会发生弹性碰撞

云层中的小冰晶却比较容易长大，它与过冷水滴上的蒸气压存在差异，冰晶表面的蒸气压比过冷水滴低0.266毫巴。假设冰晶温度与过冷水滴的温度都是-10℃，对于水来说蒸气压刚好饱和，而对于冰则处于超饱和，压力梯度从水过渡到冰晶，使冰晶有机会得到快速生长，变成大冰粒甚至雪花。

随着一点点长大，冰粒和雪晶会从寒冷的云层中飘落。如果云层下方的空气温度高于云里的气温（大多数时候都是如此），冰晶会融化成雨滴落下来；若下方的温度不足以完全融化冰晶，下的就是雨夹雪；而如果在隆冬季节，我们看到的便是雪花了。

下雨与下雪的区别

上升气流与冰雹“二进宫”

切开一颗冰雹，你会发现它的剖面像洋葱一样是一层一层的。为什么会出现这种情况？

冰雹切开后的剖面

所有的冰雹都分层，这是由上升气流造成的，上升气流越强，冰雹的分层就越多，冰雹也越大。

接近地表的空气温度比较高时，热空气会膨胀，密度降低，热气团上升形成向上的气流。上升气流会向上托举那些掉落的冰粒，将其送回到高空寒冷的云层之中。那些来不及融化的冰粒在云层中重新冻结，它周围那些过冷的水滴和冰晶也会在冰的表面迅速凝结。在冷云团的上方的温度非常低，水滴凝固的速度非常快，以至于许多空气泡被困其间，于是我们看到这里呈白色。

冰雹长大后再次下落，在下降到冷暖云层交汇处时，表层开始融化，这时候周围水气和雾滴凝结的速度变慢，冰面的空气泡有机会逃出来，于是冰雹的表面变得透明，直到上升气流再一次将它推送到冷云团中重复上面的旅程。

冰雹在起落的过程中不断长大

就这样，冰粒在一次一次的起起落落中一点点变大，直到下方的热空气团托不动它，于是冰雹掉下来砸在地面。

巨大的冰雹与被砸坏的车

冬天不存在冰雹生成的条件

通过前一节对于冰雹形成过程的分析，我们可以看出，冰雹的生成需要上升气流。上升气流是冰雹生成和长大的必要条件，上升气流越强，就越有力量将冰疙瘩一次次地向上推，于是冰雹就能在吸积、融化与凝结的循环中长得更大。这一切需要在强对流云团中才能完成，冬天地表的空气温度比较低，不具备生成强对流云团的条件，也就不会生成冰雹。

冰雹生成于上升气流中

有人可能会说，老粥你讲的不对，我明明见过冬天下的冰雹！并且我有证据：

冰霰

这种冬季常见的小冰疙瘩叫冰霰，英文名为Graupel。尽管有人将其称为“软冰雹”，但它其实是豌豆大小一坨一坨的雪丸。从微观角度观察，冰霰是在下落过程中被过冷雾滴包裹起来的雪晶，它松散易碎，不像冰雹那样有一层一层坚硬的冰壳。与冰雹相比，冰霰不过是徒有其表而已。

冰雹、冰霰、冰粒和雪花

最后来做一个总结：

雨、雪和冰雹都是由高空寒冷云层中的冰晶发展而成，云中的水气和过冷水滴通过在冰晶上凝结，使冰晶变大变重下落，从而形成降雨或降雪。

冰雹的形成需要额外的上升气流，上升气流会将下落的冰晶重新推到湿冷的云层中，使其包裹更多的水冰并一点点长大。

冰雹的大小与上升气流的强度密切相关，39公里/小时的温和上升气流只能形成豌豆大小的冰雹；97公里/小时的上升气流可以让冰雹长到核桃那么大；124公里/小时的风能将冰雹推得更高，让它长到网球大小；而166公里/小时的超强气流可以使冰雹直径超过10厘米。

一颗大冰雹与垒球的对比

冬季气温低，缺乏明显上升气流，不具备冰雹产生的必要条件。雪花和冰粒达到一定重量后会穿破云层直接落向地面，没有力量让它们在寒冷潮湿的云团里反复徘徊，因此它们没有机会长得更大。