28日夜間至30日，中國(guó)北方將出現(xiàn)一輪大范圍雨雪天氣。華北多個(gè)城市或?qū)⒂瓉?lái)今冬初雪。北京今或迎首個(gè)“準(zhǔn)點(diǎn)”初雪，預(yù)計(jì)今天（29日）傍晚前后到夜間北京將有小雪。

看雪、賞雪、堆雪人、打雪仗、滑雪，說(shuō)到對(duì)雪的喜愛(ài)，南北方難得達(dá)成了一致。但說(shuō)到“玩”雪，恐怕沒(méi)有人敢說(shuō)自己比他們更專業(yè)。

圖1：中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所積雪研究團(tuán)隊(duì)對(duì)賽里木湖湖面雪晶體樣本拍照

（攝影: 范書(shū)財(cái) 2019年1月17日）

他們，就是中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所積雪研究團(tuán)隊(duì)。

說(shuō)到雪，大家有哪些認(rèn)識(shí)？白色，涼的，溫度上升會(huì)融化？

其實(shí)雪不單單只有這些屬性，當(dāng)你靠近去觀察雪，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)神奇的雪世界?，F(xiàn)在就讓我們跟隨著天山積雪研究團(tuán)隊(duì)，一起走入雪的奇妙世界吧。

在天寒地凍，風(fēng)刀霜?jiǎng)Φ亩?，萬(wàn)物沉寂。雪從天而降，開(kāi)始了她絢麗多彩的一生。

雪晶體的前世

雪是上天派到大地的信使，她會(huì)帶給我們?cè)S多天空中的信息。

當(dāng)水汽壓超過(guò)水汽飽和點(diǎn)，大氣中水汽過(guò)飽和時(shí)，形成云。當(dāng)云中溫度低于0℃時(shí)，出現(xiàn)過(guò)冷的水氣和合適的氣溶膠，以飽和的空氣團(tuán)中的塵埃粒子為核心，通過(guò)吸引過(guò)冷的水滴，然后以晶體的形式凝聚，雪雛形冰晶體便在云中形成。

圖2 從天而降的雪（攝影: 范書(shū)財(cái)2019年1月19日拍攝于新疆昭蘇縣）

水汽不斷地凝聚在雪雛形冰晶體上，當(dāng)冰晶達(dá)到了足夠的尺寸，并可能與其他冰晶合并，到達(dá)一定重量，然后以雪的形式飄落下來(lái)（圖2）。

當(dāng)雪花在不同的溫度和濕度的大氣中移動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的形狀。

它們主要可以分為八大類和至少80個(gè)個(gè)體變種。冰晶的主要組成形狀是針狀、柱狀、板狀等，而冰晶相互之間又可以出現(xiàn)多種組合，從而復(fù)合成形狀各異的雪花（圖3）。所以我們可以根據(jù)雪花的形狀來(lái)判斷局域的氣候和氣候變化。

圖3 絢麗多彩的雪花 (攝影: 范書(shū)財(cái))

看起來(lái)白茫茫的雪，其實(shí)是由無(wú)色冰晶體構(gòu)成的。而雪花對(duì)光的漫反射是雪呈現(xiàn)白色的主要原因。

雪晶體的少年故事

雪花從天而降，在飄落的過(guò)程中會(huì)磨掉雪花的枝角。同時(shí)雪花之間相互擠壓，會(huì)破碎成細(xì)小的冰晶，最終成為直徑小于0.5mm的圓形顆粒，我們稱為圓化雪晶體。它是雪晶體在地面上發(fā)育生長(zhǎng)的起始狀態(tài)。

雪是一種低的熱傳導(dǎo)體，較低的熱傳導(dǎo)性使積雪可以被認(rèn)為是一種絕熱體。

隨著雪的積累，積雪厚度增加。雪的低熱傳導(dǎo)性導(dǎo)致雪表面和靠近大地的雪層溫度明顯不同，從而使積雪內(nèi)部溫度呈現(xiàn)明顯的梯度變化。

午間太陽(yáng)光的熱輻射和空氣溫度導(dǎo)致表面雪層的溫度高于底部雪層，而當(dāng)夜晚到來(lái)，溫度下降，表面雪層的溫度低于底部雪層的溫度。晝夜溫度的變化導(dǎo)致積雪溫度梯度方向改變。溫度梯度驅(qū)動(dòng)雪中的自由水汽運(yùn)移，水汽時(shí)而向上運(yùn)動(dòng)，時(shí)而向下游動(dòng)。在游移的過(guò)程中，會(huì)粘附著在圓化雪晶體上，使圓化雪晶體變化成形狀各異的、直徑范圍在1-3mm的多面體雪晶體。相鄰的多面體雪晶體也會(huì)被游離的水汽燒結(jié)在一起。雪中的燒結(jié)猶如電焊把鐵板焊接在一起一樣，牢固的把雪晶體連接在一起（圖4）。

圖4 單一的多面體雪晶體和多個(gè)晶體的燒結(jié) （攝影: 范書(shū)財(cái)）

雪晶體的中年盛況

隨著不斷的降雪，處于雪晶體青春期的多面體雪晶體被新降的雪覆蓋，積雪厚度不斷增加。

此時(shí)最底層的雪層溫度會(huì)一直高于積雪表層溫度，整個(gè)雪層內(nèi)的溫度環(huán)境不再有劇烈的變化，溫度梯度變大并且方向呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，水汽運(yùn)移加強(qiáng)并且方向也隨之統(tǒng)一。

水汽不斷粘附在多面體雪晶體上，晶體之間相互的燒結(jié)作用不斷加強(qiáng)。雪晶體顆粒逐漸變大，并且形成有迷宮狀、瑪瑙狀、金字塔狀、鉆石狀、手槍狀等各種規(guī)則形狀的雪晶體，晶體直徑一般為3-10mm（圖5）。這種個(gè)體較大的雪晶體被稱為深霜。深霜具有明顯的菱角，相互獨(dú)立，相互之間的空隙較大。深霜相互之間的結(jié)合差，空隙較大，其呈現(xiàn)散碎形態(tài)，我們也稱其為糖雪，猶如白糖一樣零散。這就是為什么有時(shí)候走在雪地上，會(huì)一腳踩空的原因。

圖5 各種深霜形態(tài) （攝影: 范書(shū)財(cái)）

居于中下層的雪晶體在高的溫度梯度作用下，發(fā)生明顯的燒結(jié)現(xiàn)象，形成燒結(jié)在一起的深霜鏈（圖6）。

圖6 燒結(jié)的深霜鏈 （攝影: 范書(shū)財(cái)）

最低層的深霜承載著上層全部雪的壓力，在壓力的作用下，燒結(jié)在一起的深霜發(fā)生凝聚，形成硬度較大，密實(shí)的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖7 凝聚深霜形態(tài) （攝影: 范書(shū)財(cái)）

深霜發(fā)育的同一時(shí)期，位于表層的雪晶體也呈現(xiàn)生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。它接觸大氣中的水蒸氣，當(dāng)水蒸氣達(dá)到冰點(diǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致從水蒸氣（氣體）到冰（固體）的相態(tài)變化并粘附在雪晶體上。當(dāng)相對(duì)濕度高于90%且溫度低于?8°C時(shí)，就會(huì)形成蕨類狀的冰結(jié)構(gòu)，我們稱為表霜（圖8，9）。

圖8 表霜的蕨類狀結(jié)構(gòu) （攝影: 范書(shū)財(cái)）

圖9 雪面上長(zhǎng)出來(lái)的表霜（攝影: 范書(shū)財(cái) 2019年2月28日拍攝于昭蘇）

表霜一般逆著風(fēng)向生長(zhǎng)，因?yàn)橛L(fēng)來(lái)的空氣比背風(fēng)來(lái)的空氣濕度更高。但風(fēng)不能太強(qiáng)，否則會(huì)損壞脆弱的蕨類狀冰結(jié)構(gòu)（圖10）。

圖10 迎風(fēng)而長(zhǎng)的表霜（攝影: 范書(shū)財(cái)2019年3月2日拍攝于新疆和靜縣）

表霜晶體的大小在很大程度上取決于溫度、水蒸氣量以及它們?cè)诓皇芨蓴_的情況下生長(zhǎng)的時(shí)間。中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所的積雪研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，新疆巴音布魯克草原的表霜能形成高6cm，直徑8cm的絨花一樣結(jié)構(gòu)（圖11，12）。

圖11雪絨花（攝影: 郝建盛2018年2月24日拍攝于巴音布魯克草原）

圖12 雪絨花的量度（攝影: 范書(shū)財(cái)2019年3月3日拍攝于巴音布魯克草原）

表霜晶體的形狀取決于它們積聚的時(shí)間和水蒸氣（濕度）的濃度。霜晶可以是透明的或白色的。當(dāng)霜晶向四面八方散射光時(shí)，霜晶的涂層會(huì)呈現(xiàn)白色（圖13）。

圖13 表霜的形態(tài)（攝影: 范書(shū)財(cái)）

積雪是由數(shù)次降雪積累形成的，由于沉降時(shí)間不同，雪晶體的發(fā)育程度不同，雪晶體的顆粒和大小也就形成了明顯的差異，因此積雪形成了輪廓明顯的層理結(jié)構(gòu)。

一個(gè)理想化的自然雪晶體從初始到深霜的發(fā)育變質(zhì)過(guò)程為：新雪沉降-雪晶體破碎和圓化-多面體雪晶體-深霜。理論上，雪剖面觀測(cè)到的雪晶體從上到下為圓化雪晶體，多面雪晶體，深霜。

圖14 天山山區(qū)積雪剖面和各雪晶體的形態(tài)（（攝影: 范書(shū)財(cái)2019年1月10日拍攝于新疆奇臺(tái)縣境內(nèi)山區(qū)）

圖14是隆冬期天山山區(qū)的積雪剖面的雪晶體層理，自上到下為圓化雪晶體、多面體雪晶體、多面雪晶體鏈、空杯深霜、深霜鏈、柱狀深霜、凝聚深霜。

雪晶體的暮年晚景

春天來(lái)臨，大地回暖，萬(wàn)物復(fù)蘇時(shí)，積雪卻進(jìn)入了暮年。

隨著氣溫升高，整體雪層的溫度也升至0度，雪層內(nèi)的含水率明顯增加，積雪的深度也迅速下降。在雪層溫度呈現(xiàn)0度時(shí)，雪晶體開(kāi)始了等溫變質(zhì)，整個(gè)雪層的雪晶體菱角被圓化，并經(jīng)歷反復(fù)的凍融，雪晶體膠結(jié)在一起，體積也不斷增加，形成融態(tài)雪晶體（圖15）。

圖 15 融態(tài)雪晶體（攝影: 范書(shū)財(cái)）

隨著溫度不斷升高，融態(tài)雪晶體逐步消亡，最后逐漸變成液態(tài)水。

雪晶體的后世傳說(shuō)

春天，白天溫度較高，一部分雪升華為氣態(tài)進(jìn)入天空。另一部分雪融化成液態(tài)水，匯入江河成為重要的淡水資源或滲入地下滋潤(rùn)萬(wàn)物。當(dāng)夜晚來(lái)臨時(shí)，溫度下降，沒(méi)有上天入地的雪水重新被凍結(jié)，鑲嵌入泥土里，反反復(fù)復(fù)（圖16）。當(dāng)雪水全部消失時(shí)，她會(huì)在大地上留下深深的刻痕，以此來(lái)傾訴她的不舍與眷戀。

輕輕的我走了，正如我輕輕的來(lái)。

圖 16雪遺留在大地上的刻痕（攝影: 范書(shū)財(cái)）

吾從天上來(lái)，遁入地下歸。

苦寒之日現(xiàn)，歲歲來(lái)望君。

問(wèn)君知吾否，知音難尋覓。

瑰麗一生行，孤芳以自賞。