氣候變化另類危機——超大冰雹災害

·16 分鐘 (閱讀時間)
冰雹
大塊頭的冰雹由多層冰晶組成,冰雹大小取決於困在冰晶內的空氣量(Credit: BBC)

時值英國盛夏,全國熱浪滾滾。在英格蘭中部的萊斯特郡(Leicestershire),享受暑假之樂的孩子們正在吹氣水池中玩水解暑,但突然之間晴空消失,天色變暗。

2021年7月21日這天的傍晚,萊斯特郡突然天降冰雹,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,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?

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。

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。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。

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,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。」

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。

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,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。」

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。

在預計會發生冰雹災害的地區,可為建築物作抗冰雹等級的評定。目前的方法是使用氣動發射器向建築物投擲或發射鋼球來模擬冰雹衝擊,但增大冰雹的體積並未能如預想那樣也會增加對建築的破壞力。德克薩斯理工大學(Texas Tech University)2020年的一項研究探索了為什麼預測雹災會很困難,以及為什麼冰雹的破壞性遠遠超過預期。

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。

冰雹
這是2018年在科羅拉多州路易斯維爾下的冰雹,大如雞蛋,如此大的冰雹在劇烈雷暴雨中並不罕(Credit: Helen H Richardson/The Denver Post/Getty Images)

例如,2003年內布拉斯加州奧羅拉(Aurora, Nebraska)的一場冰雹,人們對一顆落地的直徑17厘米大冰雹進行檢查,發現其核心有一種「海綿狀」充氣冰,外層則是密度較高的透明冰。研究這顆大冰雹的科學家說,如果是純冰構成的,那麼這個排球大小的冰雹應該重約2.5公斤,但實際只重500克,因為核心密度較低。他們的結論是,這顆冰雹最初是在快速穿過上升氣流時形成的,然後被側風拋出上升氣流,然後又掉回氣流,這一次由於體積已增大,上升速度變慢,因此冰的密度增大,體積也隨之越來越大。

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。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。

而且有關冰雹下落速度也不是簡單課題。研究人員過去曾假設冰雹是近似球形的,而最近的研究發現,冰雹更像扁平的橄欖球,這種形狀讓冰雹落地時受到較大的空氣阻力。冰雹增大時,其表面會形成突起和裂縫而凸凹不平。這兩個因素都會影響冰雹落地的空氣動力、墜落的速度,以及最後撞擊地面造成的傷害。

最後,冰雹擊中地面的速度與降落時的速度也是不同的。一方面,除了自由落地受到的重力,冰雹可能還會受到水平分力,水平吹來的側風可以增加冰雹的衝擊速度。最具破壞性的冰雹災害是由強大的下降氣流驅動的下擊暴衝,這時氣流從上層雷暴中急速下降,撞擊地面時向四周擴散,產生非常高的風速。氣流下擊暴衝通常只有幾公里寬,會持續幾分鐘,但垂直風速可達每秒70-80米,並伴有同樣猛烈的破壞性冰雹。

大冰雹以這種速度落地,其威力足以擊穿屋頂的瓦片,砸碎車窗,撕下建築物的覆蓋層。這類型的雹災可以毀壞莊稼,傷害人和動物,並對正在航行的飛機構成特別嚴重的威脅。

幾年前,我曾在阿根廷的門多薩(Mendoza)親眼目睹了一場冰雹。這場狂風暴雨刮倒了樹木,之後冰雹遍地成堆,儘管那是一個很暖和的日子。

上述種種因素告訴我們,規模增大的雹災可以造成比預想更大的損害。

冰雹
大冰雹威力足以擊穿屋頂的瓦片,砸碎車窗,撕下建築物的覆蓋層

2018年,阿根廷的卡洛斯帕斯鎮(Villa Carlos Paz)遭遇前所未有的特大雹災,落地的一些冰雹直徑達到18厘米,有些甚至達到了23.7厘米的驚人程度。儘管這樣的大小接近冰雹最大體積的世界紀錄,但也很難斷定是否如此。首先,巨大的冰雹以毀滅性力量衝擊落地時,很少能完好無損地保持原狀。

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)分析了社交媒體上發佈的卡洛斯帕斯鎮冰雹災害的許多圖片後,對這場冰雹的實際大小作出了估計。然後,他親自前往現場,測量了燈柱、遮陽篷和其他背景物體以得到精確的比例,並採訪了目擊者。他還檢查了一塊放在冰箱裏的11.4厘米直徑的冰雹。

庫姆吉安指出,近年來關於巨大冰雹的報道變得越來越常見。

他說,「在過去的20年裏,美國大約有10起最大尺寸為6英寸(15厘米)或更大的冰雹報告。這都是很罕見的。」

近年來,大冰雹記錄一直在波動。例如,去年4月在德克薩斯州洪多(Hondo)附近發生一場冰雹後,人們收集到了一顆直徑16厘米、重590克的冰雹。這顆冰雹被保存在冰箱裏,後來被確認為該州的最大冰雹新記錄。

但冰雹到底能夠大到何種程度?

庫姆吉安基於模擬的數據估計,最大的冰雹直徑可到27厘米,如「保齡球大小」,而最大質量的冰雹(可能重達約1公斤)有待目擊者報告,其形狀則有待研究。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。」

不過,雷暴雨夾帶巨大的冰雹來襲還是比較少有,常見的是個頭較小的小冰雹,但冰雹小仍然能夠造成廣泛的破壞。然而,由於大冰雹有可能殺死牲畜,奪取人的生命,造成嚴重的生命財產損失,即或較為罕見,也不能不重視。

2006年6月9日,韓國一架空中巴士321客機遭遇了一場強烈的冰雹,冰雹撕裂了雷達罩(機頭保護雷達的安全罩),摧毀了雷達。當時冰雹砸落在機翼邊緣和穩定器上,雷達罩的一部分被捲入一台發動機,發動機因而受損。飛機發出一連串自動警告信息,機組人員不得不緊急著陸,雖然最終安全迫降,但由於能見度低之前兩次著陸失敗嘗試失敗。

冰雹一直是飛行可能面臨的危險,2017至2019年記錄在冊的冰雹危及飛行安全的事故共20起。現在飛機的擋風玻璃都很堅固,可以抗鳥類的撞擊,所以冰雹通常不會砸毀機窗,但冰雹造成的損害會遮蓋住擋風玻璃,使著陸變得很困難,如同韓國的那次飛行事故一樣。

氣象雷達的偵測通常可以讓飛機避開冰雹,但在高海拔大氣中形成的冰雹因為溫度極低所有水份都被凍結而非常之乾燥,而乾燥缺水則使雷達反射微弱很難發現。2017至2019年有7起記錄的冰雹事件就發生在9144米以上的高空。所以,正如你所料,對于飛機來說,大冰雹比小冰雹更加危險。

在地面上,兩種現在越來越常見的新型建築面臨雹災的危險尤其大,這就是太陽能電池板和風力渦輪發電機。

冰雹
2020年9月,這些巨大的冰雹襲擊了土耳其伊斯坦布爾的烏斯奇達爾地區,造成了廣泛的破壞(Credit: Emrah Yorulmaz/Anadolu Agency/Getty Images)

阿姆斯特丹環境研究所(Institute for Environmental Studies)2019年的一項研究表明,建設更多的太陽能電池板就等於會遭受更多的冰雹災害。歐盟的一項倡議希望到2023年歐洲零碳家庭能達到100萬戶,因此開發太陽能會越來越普遍,但研究人員指出,目前缺乏能確保太陽能板可抗冰雹的生產規則和標凖。氣候變化引發的破壞性冰雹可能會破壞旨在應對氣候變化的太陽能電池板推行。

冰雹還會損壞風力渦輪機的葉片,推高維護成本,增加風力電場的能源損失。這是因為風力渦輪機的葉片前緣必須具有高度的空氣動力學特性,以最小的阻力切割空氣旋轉。

葉片前緣通常是彎曲的玻璃纖維增強聚合物層壓板,塗有易碎的聚氨酯基塗層。即使雨水也會侵蝕到葉片前緣,但以冰雹的影響更大,反覆的撞擊會使其破碎。而葉片遭受任何損壞都會影響氣流,增加阻力,從而降低渦輪的效率。丹麥2017年的一項研究建議,如遇極端天氣,只要停止渦輪葉片的旋轉,就可以降低撞擊速度,減少冰雹造成的損害。

雖然大冰雹災害的發生率增加,但雹災並非無可避免。辦法之一是向受影響地區發出冰雹警告。在南非,保險公司已經通過短信發送冰雹警報,讓人們有機會為汽車或其他財產提供掩蓋保護。

由單絲聚乙烯製成的冰雹網可以保護蘋果樹和葡萄藤等脆弱的水果作物,除最大的冰雹外,幾乎可以擋住所有大小的冰雹。如今,美國的一些汽車經銷商也安裝了類似的防冰雹網。布瑞梅羅指出,在冰雹保險索賠中,是否安裝防雹網是很重要的一項考量。

科羅拉多大學的萊娜·托德倫(Leila Tolderlund)2021年帶領做的一項研究也突顯綠化屋頂可防冰雹的功能。這種防雹綠化屋頂由一層防水膜和一層有植被的厚實土壤組成,除了能夠隔熱,在夏天可減少熱量和二氧化碳的吸收,也被證明是極好的防雹利盾。她的研究發現,在一次嚴重冰雹模擬實驗中,所有未被保護的屋頂表面都受到了破壞,而有綠化屋頂的則安然無恙。

科學家也曾試圖預測特定風暴可能產生的冰雹究竟有多大,但許多預測都缺乏凖確性。如布瑞梅羅所指出,要對冰雹的發生作出精凖預測現在還為時過早。但從布瑞梅羅和其科學家的研究也可以清楚看出,真正超大的冰雹大有可能會不斷砸向我們,而我們現在所能做的就是預防,在冰雹襲來之前找到一個像樣的避難安身之所。

歡迎到 BBC Future 閲讀 英文原文