北京又要下冰雹了，用冰雹換瑪瑙，你也能參與氣象科研！

5月13日，北京突降冰雹，有的竟如雞蛋大小。為什么會(huì)有這么大的冰雹？強(qiáng)烈的上升氣流是關(guān)鍵?！爸袊?guó)天氣”作了一個(gè)形象的比喻：冰雹是由水汽凝結(jié)而成的小冰晶，在下落過(guò)程中被上升氣流托舉起來(lái)，再次回到溫度很低的高空，就這樣一上一下，像“顛勺”一樣，不斷裹上新的小冰晶。只要上升氣流夠強(qiáng)，冰雹被“顛勺”的過(guò)程就越長(zhǎng)，裹上的冰外衣就越厚，冰雹的個(gè)頭就越大。

大冰雹

冰雹過(guò)境，在社交平臺(tái)掀起了一陣冰雹刷屏的熱情。熱度會(huì)退去，冰雹會(huì)消融，但這些冰雹收集起來(lái)，能做的并不只有提供社交情緒這件事。2016年以來(lái)，為征集冰雹樣本，北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系教授張慶紅向公眾發(fā)起了一個(gè)“冰雹換瑪瑙”的活動(dòng)。至今，她所帶領(lǐng)的冰雹課題小組仍在持續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)活動(dòng)。而那些被征集來(lái)的冰雹，也為他們的研究提供了科學(xué)價(jià)值。

張慶紅教授

冰雹換瑪瑙

冰雹，是由中小尺度氣象系統(tǒng)引發(fā)的一種強(qiáng)對(duì)流天氣。而尺度小又迅速發(fā)展的天氣系統(tǒng)，一直是氣象預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。冰雹出現(xiàn)的特征，又容易被強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)等天氣特征所掩蓋，這就更增加了預(yù)報(bào)的難度。目前冰雹預(yù)報(bào)的重點(diǎn)仍在于“下不下”，而預(yù)判冰雹大小，涉及的要素更為繁多，機(jī)理更加復(fù)雜，只能是粗略估測(cè)，無(wú)法應(yīng)用到業(yè)務(wù)中。

公眾所接收到的冰雹預(yù)警信息

預(yù)報(bào)難，觀測(cè)難，收集更難。張慶紅團(tuán)隊(duì)的冰雹研究始于2013年。研究剛開(kāi)始時(shí)，他們就發(fā)現(xiàn)去氣象局抄錄冰雹歷史資料，工作量巨大。而收集冰雹樣本，要面對(duì)的問(wèn)題就更多。2014年7月，他們?cè)?jīng)前往西藏那曲收集冰雹。青藏高原是我國(guó)冰雹最多的地區(qū)，6月和9月尤其多。根據(jù)西藏氣象部門(mén)統(tǒng)計(jì)，黑河（那曲）每年平均有35.9天的冰雹天氣。但那次，他們?cè)谀乔攘?0多天，只等到一次冰雹。這種不確定性，極大影響了冰雹樣本收集的效率。

為了解決問(wèn)題，張慶紅提出了“眾包”策略，鼓勵(lì)公眾參與收集冰雹樣本。他們將在收取冰雹時(shí)，回贈(zèng)一份瑪瑙紀(jì)念品。值得注意的是，要對(duì)冰雹樣本進(jìn)行研究，需要排除干擾因素。他們所需要的冰雹樣本，要“相對(duì)干凈”，一是指冰雹表面沒(méi)有泥土沙塵這種明顯的雜質(zhì)；二還要注意收集冰雹樣本時(shí)，盡量避免用手直接接觸冰雹，因?yàn)槭稚系暮挂旱葧?huì)溶解在冰雹上，影響化驗(yàn)結(jié)果。

“冰雹課題小組”公眾號(hào)發(fā)布的活動(dòng)內(nèi)容

選擇以瑪瑙作為贈(zèng)品，張慶紅團(tuán)隊(duì)自有思量。在他們看來(lái)，冰雹在強(qiáng)烈的上升氣流中反復(fù)翻滾，不斷包裹上新的冰晶，逐漸增長(zhǎng)變大。這個(gè)過(guò)程中，會(huì)把氣溶膠在冰雹深對(duì)流云中的分布信息等都“凍結(jié)”在冰雹粒子中，形成獨(dú)特的紋路。和冰雹相比，瑪瑙的壽命要長(zhǎng)得多，甚至可能經(jīng)過(guò)上億年的洗禮才結(jié)晶而成。但相同的是，瑪瑙上的紋路，也是大自然的饋贈(zèng)。

“冰雹課題小組”的瑪瑙禮品

“冰雹課題小組”2024年5月發(fā)布的活動(dòng)內(nèi)容顯示，截至當(dāng)時(shí)，他們得到了63位朋友的幫助。那些收集而來(lái)的冰雹樣本，能夠幫他們確定冰雹中的可溶離子、不可溶顆粒物和同位素組成，進(jìn)而反演單顆冰雹的生長(zhǎng)軌跡、擬合冰雹內(nèi)不同種類(lèi)顆粒物的譜分布等，有望用于未來(lái)天氣和氣候模式中的微物理參數(shù)化方案。

向普通公眾致謝

2016年起，張慶紅團(tuán)隊(duì)對(duì)來(lái)自中國(guó)北方和西南方共計(jì)15組冰雹樣本進(jìn)行水溶性離子濃度分析。這些樣本均來(lái)自2016年3月—9月，涵蓋黑龍江、河北、北京、山西、山東、貴州、廣西等省級(jí)區(qū)域。這被認(rèn)為是第一次針對(duì)中國(guó)較大范圍內(nèi)冰雹樣本中水溶性離子的實(shí)驗(yàn)室分析工作，研究發(fā)現(xiàn)其中9種離子濃度與PM10有很強(qiáng)的正相關(guān)。其中，他們?cè)谝粋€(gè)直徑50毫米的大冰雹雹粒樣本上反演出該雹粒在云內(nèi)的倒“V”型軌跡。幾年后，研究成果在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表，除了感謝合作團(tuán)隊(duì)的工作支持，張慶紅團(tuán)隊(duì)還特意指出，那個(gè)50毫米的大冰雹樣本是由廣西大新縣氣象局職工收集。

倒“V”冰雹軌跡及冰雹水溶性離子濃度和同位素含量隨冰雹半徑分布

而在2025年4月的最新研究中，張慶紅團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北大學(xué)、中國(guó)氣象科學(xué)研究院、北京市人工影響天氣辦公室、山東省人工影響天氣辦公室，以及美國(guó)國(guó)家大氣研究中心，利用冰雹內(nèi)部生長(zhǎng)層的穩(wěn)定同位素特征，成功反演了來(lái)自中國(guó)不同地區(qū)27顆冰雹的垂直增長(zhǎng)軌跡。其中，僅有1顆冰雹呈現(xiàn)循環(huán)增長(zhǎng)特征。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，冰雹內(nèi)部交替出現(xiàn)的透明和不透明生長(zhǎng)層產(chǎn)生于冰雹在云內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的循環(huán)增長(zhǎng)過(guò)程。但張慶紅團(tuán)隊(duì)將“凍結(jié)”在冰雹各生長(zhǎng)層內(nèi)的同位素信息“解凍”出來(lái)，并深入研究，最終打破了這一界限，證明循環(huán)增長(zhǎng)并不是唯一方式，為理解冰雹風(fēng)暴內(nèi)的熱動(dòng)力和微物理過(guò)程提供了新視角?！疤貏e感謝參與自然冰雹采集的志愿者，為揭示冰雹增長(zhǎng)軌跡的研究提供了真實(shí)樣本。”這一成果發(fā)表后，他們同樣注明了這樣一句話(huà)。

從鼓勵(lì)公眾參與收集冰雹樣本開(kāi)始，張慶紅就一直誠(chéng)懇地對(duì)待這些樣本收集者。她希望，隨著活動(dòng)的持續(xù)開(kāi)展，每一位普通人都能為冰雹研究貢獻(xiàn)力量，成為參與冰雹研究的“科學(xué)家”。

張慶紅參加“直擊天氣——與科學(xué)家聊‘天’”活動(dòng)（攝影/關(guān)禺 宋宇，中國(guó)氣象網(wǎng)）

提高天氣預(yù)報(bào)價(jià)值

張慶紅與北京大學(xué)的淵源由來(lái)已久。早在1985年，她就進(jìn)入北京大學(xué)學(xué)習(xí)，1992年獲得氣象學(xué)碩士學(xué)位后，就留在北京大學(xué)物理學(xué)院擔(dān)任助理教授。1999年，獲得北京大學(xué)—香港科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位后，她前往美國(guó)國(guó)家大氣研究中心開(kāi)展博士后研究，為期兩年。而除了這兩年，她的根一直扎在北京大學(xué)。

近年來(lái)，張慶紅一直圍繞中尺度氣象學(xué)進(jìn)行研究。這是氣象學(xué)的重要分支之一，大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是雷暴、暴雨、冰雹、大風(fēng)、下?lián)舯┝鞯葘?duì)流性天氣；另一類(lèi)是局地低云、濃霧等穩(wěn)定性天氣。由于涉及多種嚴(yán)重災(zāi)害天氣，這也是當(dāng)代大氣科學(xué)中最受人們關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。而除了冰雹粒子化學(xué)成分分析及其物理成因研究之外，張慶紅在江淮梅雨鋒夜發(fā)對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制、海岸低空急流分布及日變化機(jī)制等研究上，也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

在張慶紅的努力下，她的學(xué)生也逐步成長(zhǎng)起來(lái)。早期加入冰雹課題小組的李瀟斐，如今已成為西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院副教授；吳振鵬、林翔宇等也逐漸在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表文章。2024年，張慶紅被授予“全國(guó)氣象教學(xué)名師”榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)和獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

近年來(lái)，作為世界氣象組織高影響天氣計(jì)劃國(guó)際協(xié)調(diào)辦公室主任，張慶紅一直致力于推進(jìn)高影響天氣研究領(lǐng)域的國(guó)際合作事務(wù)及大眾科研，希望能做出更多示范作用。她提出應(yīng)該提高天氣預(yù)報(bào)的價(jià)值。以2021年甘肅白銀馬拉松事故來(lái)看，盡管當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)在賽前發(fā)布了大風(fēng)預(yù)警信號(hào)，但并沒(méi)能避免悲劇，她認(rèn)為應(yīng)該發(fā)展災(zāi)害預(yù)報(bào)、影響預(yù)報(bào)、預(yù)警系統(tǒng)以適應(yīng)不同用戶(hù)的需求，以降低人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失的風(fēng)險(xiǎn)。但是，向公眾傳播如何評(píng)估高影響天氣的知識(shí)，是一個(gè)重大的課題。 “成功預(yù)防災(zāi)害需要不同領(lǐng)域的科學(xué)家、各級(jí)政府部門(mén)、新聞媒體和公眾之間的合作才能完成?！睆垜c紅說(shuō)。