探究导向:冰雹是什么?
从小到大，我最喜欢的书之一是朱迪·巴雷特(Judi Barrett)写的、罗恩·巴雷特(Ron Barrett)精彩插图的《多云的肉丸》(Cloudy with a Chance of Meatballs)。这本书讲述了一个虚构的小镇Chewandswallow的故事，那里的居民以天气的形式获得食物。它们的食物每天有三次从天而降——橙汁雨和汉堡风暴，土豆泥云和苹果派降水。这种安排对Chewandswallow的人们来说很有效，直到天气变得更糟。
随着食物越来越多，菜单变得越来越难以预测，甚至越来越没有胃口，恶劣的杂货店环境会造成各种各样的财产损失。最后，Chewandswallow的居民决定用巨大的PB&J三明治建造船只，并搬迁到一个新的地方——一个食物只出现在超市货架上的地方。
5月7日，星期天，当克莱门汀大小的冰雹从天而降时，我想起了切万德燕子。
在15分钟的冰雹中，我的汽车挡风玻璃被灾难性地破裂了。我的左尾灯碎了。我的汽车上仍有大约一百处凹痕。格林奈尔其他人的情况更糟。马歇尔敦的Safelite酒吧被订满了，直到六月都要更换挡风玻璃。冰雹冲破了沃尔玛的屋顶。这导致了学院食堂的天花板漏水。几个星期以来，我的邻居一直用防水布盖着他们的车，以防雨水进入破碎的后窗。
我以前见过冰雹。但从来没有像现在这样。
在接下来的几天里，我与保险代理人打交道，安排汽车维修预约，以及暂时失去一辆车，也许最令人沮丧的经历是以下认识:
我不知道冰雹是怎么发生的。
什么是冰雹?它是如何形成的?我们最终是如何被(真正的)肉丸大小的冰雹击中的?
如果你在5月7日之前还不好奇，你现在可能已经好奇了。
101年风暴
我首先需要了解的是产生冰雹的风暴条件。是什么使冰雹不同于雨或雪?基本上，我需要一个风暴101速成班。
为此，我求助于美国国家海洋和大气管理局下属的国家强风暴实验室。美国国家海洋和大气管理局的网站是一个绝对的恶劣天气信息的金矿，由国家领先的大气科学家测量和解释。它会让人不知所措吗?是的。我坚持了吗?确实。
我学到的第一件事是每一场风暴都是从上升气流开始的。
基本上，靠近地球表面的空气比它上面的空气更热，而且，因为温暖的空气密度更小(它的分子不那么紧密地聚集在一起)，它比上面的冷空气更有浮力。当暖空气穿过大气层上升时，它会到达更冷的高度。在那里，水蒸气凝结成液态水，释放出更多的热量。所有这些温暖的上升空气都是上升气流。
上升气流究竟是由什么引起的?我无法解析互联网上的答案，所以我联系了WXYZ Detroit的首席气象学家戴夫·雷克斯罗斯(Dave Rexroth)。他不仅是我家乡的天气预报员——他还是我们家的朋友，也是参加我八年级的确认仪式的最大的名人。
“上升气流是风暴的能量来源，”力士乐解释说。“它们越强，风暴就越危险。上升气流强度是由许多影响不稳定性和升力的因素造成的。”
他接着解释说，更不稳定的大气会驱动更强的上升气流。环境中的空气随着高度而冷却得越快，风暴就越有可能比其环境更温暖，并不断上升和加强。这个速率产生了所谓的CAPE——对流有效势能。“CAPE是风暴的燃料。升力是点燃燃料的火花，”力士乐说。这种抬升可以由锋面和槽引起，迫使空气汇聚并被抬升。
想象一下，如果你愿意，两个构造板块碰撞，一个板块被向下推，而另一个板块向上弯曲，形成了山脉。现在想象一下，这些板是由两种不同温度的空气组成的。我们看到的不是山脉，而是风暴。
在对称的精神下，风暴不仅有上升气流。它们还拥有一种叫做(你猜对了)下沉气流的东西。简而言之，当作用在凝结水滴上的重力比支撑它们的上升气流更强时，它们就会以降水的形式落到地球上。当任何降水落下时，运动就会产生下行气流——向下的风。
力士乐解释说，风暴的严重程度和类型取决于这些向上和向下的气流的强度。例如，一场普通的阵雨是由弱上升气流和弱下降气流产生的，而强上升气流和弱下降气流可能导致山洪暴发。
一块冰雹诞生了
我已经接受了(现在正在接受)风暴形成的速成课程。下一个议程是什么?冰雹。
根据美国国家海洋和大气管理局的说法，一场风暴必须有很强的上升气流才能形成冰雹。现在我知道了什么是上升气流，这就说得通了。
基本上，一股强大的上升气流将雨滴带到更高的大气中——到达冰点的高度。在这些寒冷的地区，水滴可能会冻结并形成冰雹的核。当这个胚胎与其他过冷的液滴碰撞时，它们会冻结在它的表面，然后冰雹就长大了。正如力士乐所说，“风暴越大、越高、越强，首先就越有可能发生冰雹。”
这些都被证实了，但我们仍然不清楚我们是如何得到高尔夫球大小的冰雹的。为什么冰雹有时是由细雨组成的，而有时则是棒球练习场的噩梦?
为了回答这个问题，我联系了KCCI气象学家特雷·富布赖特。他报道了爱荷华州的冰雹。如果有人能解释发生了什么事，我希望是他。
他没有让我失望。“上升气流的强度和在雷暴云中停留的时间决定了冰雹的大小，”富布赖特解释说。“根据美国国家海洋和大气管理局的数据，高尔夫球大小的冰雹需要上升气流速度达到每小时64英里。”
冰雹在风暴中被抛来抛去的时间越长，与之相撞的水滴就越多，它就会长得越大。
富布赖特解释说，从本质上讲，强大的上升气流与作用于成长中的冰雹的重力竞争。随着冰雹被上升气流推进到大气中较冷的区域，在重力的作用下开始下降，并再次被强风吹起，它们继续生长。强大的上升气流使冰雹浮在水面上，使它在坠落到地球表面之前与其他液滴碰撞的时间更长。
富布赖特补充说，在风暴云上水平吹过的风对冰雹的形成也很重要。这些风产生了一种被称为速度切变的东西，“使冰雹保持在理想的高度和温度，在那里过冷水仍然存在，并且可以在冰雹胚胎周围生长。”如果冰雹被抛到大气层中太高，它就会太冷而无法融合新的层。
当我与邻居和朋友谈论这场冰雹时，最常见的评论之一是洪水持续了多长时间。对于一场冰雹来说，长达15分钟的击打显得异常漫长。这真的不正常吗?富布赖特的答案:
“冰雹爆发的时间通常是几分钟，但也可能长达15分钟。这实际上取决于风暴细胞移动的速度，这取决于大气中气流的速度。”
所以公式是这样的:5月7日的风暴有足够强的上升气流，足够弱的下降气流，足够快的切变，足够慢的移动，产生了近15分钟的大冰雹，喇叭声，窗户破裂。
寻找图层
在我完成冰雹调查之前还有一件事要做。
这项任务的想法早在我为这篇文章做研究时就产生了，当时我正在与生物学教授彼得·雅各布森(Peter Jacobson)通信。
雅各布森解释说，有两种类型的冰雹生长:湿和干。发生的增长类型取决于冰雹形成的高度有多冷。
这两种生长类型的特别之处在于，它们会产生明显不同的冰雹。
在潮湿生长期间，空气温度低于冰点，但不是很冷。所以，当水滴与冰雹核碰撞时，它不会立即冻结。相反，液滴会缓慢融合，让气泡逸出，在冰雹表面形成一团透明的冰。
另一方面，在干燥生长中，空气温度远低于冰点。事实上，它是如此寒冷，以至于过冷的水滴与冰雹相撞时立即冻结。在这种情况下，冻结发生得如此之快，以至于气泡没有时间逃逸，冰滴仍然是多云的。
在我和雅各布森谈话后的几个星期里，当我了解到上升气流、CAPE和积雨云时，我一直在想:
如果水滴的云量是由环境温度决定的，如果温度是由冰雹的高度决定的，那么我能否仅仅通过观察它的层来绘制冰雹在大气中的行程呢?
把石头切成两半，会不会显示出可以用来(像树干一样)确定其形成日期的年轮?
只有一个办法能知道。
幸运的是，我的一个同事从暴风雨中救出了一块冰雹。
节选自什么冰雹剧本
会议室外——中午
我们在一栋装修简陋的办公楼里的一间会议室开场。一个穿着实验室大褂的年轻女子跪在桌子旁，拿着一把菜刀放在蜡烛的火焰上。我们看到一个男人站在桌子的另一端，手里拿着相机。
对简
我想我们可以做标本了。你能帮我拿一下吗?
摄影师拿起刀，在火焰上保持平衡。烟灰使叶片变暗。安妮卡·简冲出房间。
过了一会儿，她回来了，手里拿着一个小特百惠容器。一个便利贴贴在容器上。“冰雹!不是冰块!Xoxo AJ，”纸条上写道。
就像一把热刀穿过冰雹
我戴上特别蓬松的滑雪手套，就像实验室手套一样，小心翼翼地从容器中取出半球形的冰雹。
我把刀从火焰中拔出。我把冰雹钉在不锈钢饼干板上，把刀刃压在冰面上。蒸汽从石头中升起，水开始在底部聚集。刀在遇到阻力之前切过冰雹的一半。我迅速重新加热刀片，轻轻地锯，冰雹裂成两半。
我马上就能看到形成冰雹横截面的靶心形状。冰雹是的。
一个透明的核被一个云雾环包围，然后是一个狭窄的透明层，一个大的云雾冰带，上面有一条清晰的细线，最后是一个透明的外缘。湿生长，湿生长，湿生长，干，湿，干，湿。这就是冰雹的故事。
随着冰层融化，一半的冰层逐渐变成扁平的圆盘，这些冰层就更加清晰可见了。更重要的是，你可以看到单个水滴碰撞并融合形成冰雹。这不是高尔夫球，这是一把弹珠。
在最后一点冰雹被遗忘之前，我绕着办公室跑了一圈，快速地展示了一下。冰雹在我的红手掌里变成了水。
不稳定的和平
很难说气候变化是否会产生更频繁、更具破坏性的冰雹。更有可能的是，风暴将变得更加难以预测。
据我所知，冰雹的形成(及其大小)取决于温度、水的可用性和风等因素的相互作用。“气候变化当然会影响所有这些，”雅各布森说。“温暖的大气含有更多的水，湍流条件可能更有可能和更强。这些因素似乎有利于更频繁、更大的冰雹事件和更大的石头。”但是温暖的大气也会加快冰雹的融化速度，雅各布森补充道。这将阻碍冰雹的形成。“我知道人们一直在试图模拟这些动态并做出预测，但我认为这是一项具有挑战性的工作。”
所以我不知道我们将来是否会看到这么严重的冰雹。我希望不会——至少是为了我的车。
但下一次，如果它来了，我希望我能用知识保留一些我的尊严。俗话怎么说?你知道的恶劣天气比你不知道的要好。
