自2016年起，北京大学物理学院张庆红教授课题组发起了“冰雹换玛瑙”的长期活动，邀请公众通过收集冰雹，参与科学研究活动。
现在，我们想告诉大家，那些被你小心翼翼地收集、冻进冰箱的“小冰球”，为一项重要的科学研究积累了关键素材。这项研究，如今登上了国际顶级学术期刊Nature（《自然》）的封面。该项研究从全球视角定量揭示了气候变暖背景下冰雹尺寸分布与灾害潜势的演变规律，为未来冰雹风险评估、防灾减灾以及气候适应性规划提供了关键的科学依据。
近日，北京大学物理学院大气与海洋科学系张庆红教授课题组联合美国中央密歇根大学约翰·艾伦（John T. Allen）教授，在全球变暖背景下冰雹灾害风险研究领域取得重要进展。相关成果以“Rising global hail damage potential in a warming world”（气候变暖导致全球冰雹破坏潜势上升）为题发表于Nature，并被选为当期封面文章。
全球变暖如何升级冰雹破坏力
冰雹，作为一种突发性强、破坏力大的极端天气，在全球多地频繁发生。近年来，随着温室气体排放导致全球持续变暖，极端冰雹事件更是屡见不鲜。然而，一个关键问题始终悬而未决：在全球变暖的背景下，未来的冰雹灾害到底会变强还是变弱？由于全球冰雹观测标准不一，且冰雹在云中的生长物理过程极为复杂，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）此前的评估报告一直将该趋势判定为“低信度”。简而言之，科学界长期未能给出确切定论。
面对这一难题，研究团队找到了破题之法。他们基于卫星观测识别出的全球14,297次强冰雹风暴事件，结合第六次耦合模式比较计划（CMIP6）气候模式，并引入准三维冰雹生长模型（semi-3D hail trajectory model）与“伪全球变暖”（Pseudo Global Warming, PGW）方法，定量评估了未来不同碳排放情景下，冰雹大小分布与灾害破坏力的变化趋势。
研究得出了明确的结论：未来的冰雹，会变得更大、更具破坏力。数据显示，未来近地面冰雹的尺寸分布将整体向“大冰雹”方向偏移。与历史气候相比，30毫米以下小冰雹的发生频率将减少约4%至12%，而30毫米以上大冰雹的发生频率则大幅增加约38%至52%。大冰雹的显著增多，导致全球冰雹灾害的破坏力急剧上升，近地面冰雹的累积动能（即砸向地面的总破坏力）预计将增加约37%至42%，并且碳排放量越高，这一增幅就越发明显。
21世纪末冰雹灾害潜势的变化。(a) 欧洲地球系统模式（EC-Earth3）模拟的当前气候（1985—2014年）与未来气候（2071—2100年）SSP585排放情景之累计动能差异（AKED）的全球分布，差值定义为未来值减去当前值。每个 5°× 5° 网格中的情景累计动能（AKE）为该网格内所有冰雹事件的平均值。点状区域表示差异通过了 Student’s t 检验的 95% 显著性水平。(b) 当前气候背景（HIST，黑色）和 未来SSP585 排放情景（紫色）下，融化层高度（MLH，虚线）以及融化后近地表（SFC，彩色实线）的冰雹直径谱分布。
全球变暖之下的冰雹空间差异
研究进一步揭示了“大冰雹变多、小冰雹变少”背后的物理机制。一方面，未来低层大气变暖变湿，为云层提供了更充沛的液态水和更强的上升气流，冰雹在云中如同获得了“丰沛养料”与“更强托举”，增长效率大幅提高，大冰雹数量随之增加；另一方面，全球变暖也会抬升高空的融化层高度，这就好比加厚了冰雹降落时要穿透的“暖层”，个头较小、体质较弱的冰雹往往在落地前就被融化殆尽，导致近地面小冰雹数量减少。
在全球不同区域，这两种机制的博弈带来了显著的空间差异。在中高纬度地区（如中国北方、美国大平原和欧洲），低层大气表现为“强升温、弱增湿”，使得大气不稳定能量大幅增加，上升气流异常强劲。此时，冰雹的“增长效应”占据绝对优势，盖过了融化带来的损失，更容易形成破坏力强的大冰雹，灾害潜势显著增强。相比之下，在热带及季风区（如赤道非洲和东南亚），低层大气“升温弱、增湿强”，不稳定能量增加有限，加之融化层升高、冰雹生长空间变薄，“融化效应”占据了上风，冰雹在落地前多被消耗，最终导致近地面冰雹尺寸减小，灾害潜势反而减弱。
北京大学物理学院大气与海洋科学系博士生张诗怡为论文第一作者，北京大学物理学院大气与海洋科学系教授张庆红和美国中央密歇根大学教授约翰·艾伦（John T. Allen）为共同通讯作者。上述研究得到国家自然科学基金重点项目，北京市科技计划项目，美国国家科学基金会项目，以及中国科学院重大科技基础设施建设项目（地球系统数值模拟装置）资助。
来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学物理学院
文字&编辑 | 于晨雪、吴卓颖
制图 | 吴卓颖
排版 | 殷梦涵
责编 | 雪城
