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霜(自然现象)

霜是贴近地面的空气受地面辐射冷却的影响而降温到霜点 ( 指露点低于 0 ) 以下, 在地面或物体上凝华而成的白色冰晶。霜是一种天气现象, 属于中国地面气象观测内容。

科学上,霜是由冰晶组成,和露的出现过程是雷同的,都是空气中的相对湿度到达100-时,水分从空气中析出的现象。它们的差别只在于露点(水汽液化成露的温度)高于冰点,而霜点(水汽凝华成霜的温度)低于冰点,因此只有近地表的温度低于0℃时,才会结霜。

傍晚或夜间,地面或地物由于辐射冷却,使贴近地表面的空气层也随之降温,当其温度降到露点以下,即空气中水汽含量过饱和时,在地面或地物的表面就会有水汽的凝结。如果此时的露点温度在 0℃以上,在地面或地物上就出现微小的水滴,称为露。如果露点温度在 0℃以下,则水汽直接在地面或地物上凝华成白色的冰晶,称为霜。有时已生成的露,由于温度降至 0℃以下,冻结成冰珠,称为冻露,实际上也归入霜的一类。

形成露和霜的气象条件是晴朗微风的夜晚。夜间晴朗有利于地面或地物迅速辐射冷却。微风可使辐射冷却在较厚的气层中充分进行,而且可使贴地空气得到更换,保证有足够多的水汽供应凝结。无风时可供凝结的水汽不多,风速过大时由于湍流太强,使贴地空气与上层较暖的空气发生强烈混合,导致贴地空气降温缓慢,均不利于露和霜的生成。对于霜,除辐射冷却形成外,在冷平流以后或洼地上聚集冷空气时,都有利于其形成。这种霜称为平流霜或洼地霜,它们又常因辐射冷却而加强。因此在洼地与山谷中,产生霜的频率较大。在水边平地和森林地带,产生霜的频率较小。 [1]

地面凝结现象是天气现象的一个重要组成部分, 它是水汽从空气中凝结, 并凝结在物体上或者地表的一种现象( 中 国 气 象局, 2003) 。 常见的地面凝结现象有露 、 霜等现象 。 [2]

在寒冷季节的清晨,草叶上、土块上常常会覆盖着一层霜的结晶。

它们在初升起的阳光照耀下闪闪发光,待太阳升高后就融化了。人们常常把这种现象叫“下霜”。翻翻日历,每年10月下旬,总有“霜降”这个节气。我们看到过降雪,也看到过降雨,可是谁也没有看到过降霜。其实,霜不是从天空降下来的,而是在近地面层的空气里形成的。

霜是一种白色的冰晶,多形成于夜间。少数情况下,在日落以前太阳斜照的时候也能开始形成。通常,日出后不久霜就融化了。但是在天气严寒的时候或者在背阴的地方,霜也能终日不消。

霜本身对植物会产生冻害,因为熔化或升华的过程中吸热,降低植物的温度,使得植物内部的水分凝结,过低的温度会损害植物细胞。不过也有研究表明,经历过霜的植物比没经历过的植物具有更好的耐寒性。

霜的形成不仅和当时的天气条件有关,而且与所附着的物体的属性也有关。当物体表面的温度很低,而物体表面附近的空气温度却比较高,那么在空气和物体表面之间有一个温度差,如果物体表面与空气之间的温度差主要是由物体表面辐射冷却造成的,则在较暖的空气和较冷的物体表面相接触时空气就会冷却,达到水汽过饱和的时候多余的水汽就会析出。如果温度在0°C以下,则多余的水汽就在物体表面上凝华为冰晶,这就是霜。因此霜总是在有利于物体表面辐射冷却的天气条件下形成。

另外,云对地面物体夜间的辐射冷却是有妨碍的,天空有云不利于霜的形成,因此,霜大都出现在晴朗的夜晚,也就是地面辐射冷却强烈的时候。

此外,风对于霜的形成也有影响。有微风的时候,空气缓慢地流过冷物体表面,不断地供应着水汽,有利于霜的形成。但是,风大的时候,由于空气流动得很快,接触冷物体表面的时间太短,同时风大的时候,上下层的空气容易互相混合,不利于温度降低,从而也会妨碍霜的形成。大致说来,当风速达到3级或3级以上时,霜就不容易形成了。

因此,霜一般形成在寒冷季节里晴朗、微风或无风的夜晚。

霜的形成,不仅和上述天气条件有关,而且和地面物体的属性有关。

霜是在辐射冷却的物体表面上形成的,所以物体表面越容易辐射散热并迅速冷却,在它上面就越容易形成霜。同类物体,在同样条件下,假如质量相同,其内部含有的内能也就相同。如果夜间它们同时辐射散热,那么,在同一时间内表面积较大的物体散热较多,冷却得较快,在它上面就更容易有霜形成。这就是说,一种物体,如果与其质量相比,表面积相对大的,那么在它上面就容易形成霜。草叶很轻,表面积却较大,所以草叶上就容易形成霜。另外,物体表面粗糙的,要比表面光滑的更有利于辐射散热,所以在表面粗糙的物体上更容易形成霜,如土块。

霜的消失有两种方式:一是升华为水蒸气,一是融化成水。最常见的是日出以后因温度升高而熔化消失。霜所熔化的水,对农作物有一定好处。

霜的出现,说明当地夜间天气晴朗并寒冷,大气稳定,地面辐射降温强烈。这种情况一般出现于有冷气团控制的时候,所以往往会维持几天好天气

中国民间有“霜重见晴天”的谚语,道理就在这里。 [3]

霜冻花:在中国中北部下霜的早晨,几种草地表及地表以上根茎部位开的霜花。很大,很好看。

霜冻:指农作物因寒潮的侵袭而受到伤害。温度低于0℃的地面和物体表面上有水汽凝结成白色结晶的是白霜,水汽含量少没结霜称黑霜对农作物都有冻害,称霜冻。作物内部都是由许许多多的细胞组成的,作物内部细胞与细胞之间的水分,当温度降到摄氏零度以下时就开始结冰,从物理学中得知,物体结冰时,体积要膨胀。因此当细胞之间 的冰粒增大时,细胞就会受到压缩,细胞内部的水分被迫向外渗透出来,细胞失掉过多的水分,它内部原来的胶状物就逐渐凝固起来,特别是在严寒霜冻以后,气温又突然回升,则作物渗出来的水分很快变成水汽散失掉,细胞失去的水分没法复原,作物便会死去。霜和霜冻是秋冬季节的天气现象。

霜是由于贴近地面的空气受地面辐射冷却的影响而降温到霜点。即气层中地物表面温度或地面温度降到零度以下,所含水汽的过饱和部分在地面一些传热性能不好的物体上凝华成的白色冰晶。其结构松散。一般在冷季夜间到清晨的一段时间内形成。形成时多为静风。霜在洞穴里、冰川的裂缝口和雪面上有时也会出现。 [1]

霜造成的对作物等的危害。发生霜灾次数较多的地区根据其特点,应采取以下防御对策:

1、根据不同地形、土质安排种植计划 把抗冻性强的品种安排在霜冻易发生的地方。农谚“雪下大山霜打洼”,说明低洼处霜冻易发生且严重,地形越闭塞,霜冻危害程度越大。2、采取综合栽培措施,减轻霜冻灾害 浇藻麦田是目前最理想的防霜方法。因为浇水既能减缓温度的降低,又能促使小麦生长健壮,增强抗寒力。根据天气预报结果,临时采用熏烟,田间喷雾或鼓风也可达到防霜目的。3、灾后补救 历史经验证明,小麦在扬花之前,地上部茎叶冻死者不可翻种。小麦遭受晚霜冻害后,应禁止用绳子拉霜、扫霜,更不能对冻死的茎叶进行刈割、耧耙或放牧。霜冻后正确的补救措施应是及时进行追肥浇水,以促使受灾麦苗及早恢复生长,可减少霜冻灾害的损失。

霜和霜冻是有区别的。霜是指白色固体凝结物,霜冻是指在农作物生长季节里,地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或者死亡的低温。有霜时农作物不一定遭受霜冻之害。有霜冻时可以有霜出现(白霜),也可以没有霜出现(黑霜)。因此,我们要预防的是霜冻而不是霜。霜冻,尤其是早霜冻(或初霜冻)和晚霜冻(或终霜冻)对农作物威胁较大,应引起重视,并需采取熏烟、浇水、覆盖等预防措施。

霜冻是中国“旱涝风冻”四大气象灾害之一,中国历史上史书和地方志中霜害记载不绝。1953年4月11至13日中国北方发生了一场大范围霜冻,仅冬小麦一种作物就减产50亿斤,造成了当时严重的国民经济问题。这种霜冻灾害却并非是由水汽凝结成的白色晶体霜。造成霜冻灾害是零下低温。实际上,当大气中水汽凝华成霜时,并不会吸收热量降低气温,而会因释放出大量的凝结潜热而减缓气温下降。所以,在中国北方,冬季中由于空气中水汽极为稀少,常常发生气温虽降到零下而并未出现白霜,但作物却已经受到冻害的情况。农民形象地称之为“黑霜”。北京冬季常有这类气温零下却无白霜的“黑霜”。例如,根据30年平均气象资料,北京最冷的一月份,清晨最低气温虽几乎天天都在零下,但是实际出现白霜的天数,月平均只有13.4天。

影响

霜冻多在春秋转换季节,白天气温高于摄氏零度,夜间气温短时间降至零度以下的低温危害现象。既农业气象学中是指土壤表面或者植物株冠附近的气温降至零度以下而造成作物受害的现象。出现霜冻时,往往伴有白霜,也可不伴有白霜,不伴有白霜的霜冻被称为“黑霜”或“杀霜”。晴朗无风的夜晚,因辐射冷却形成的霜冻称为“辐射霜冻”。冷空气入侵形成的霜冻称为“平流霜冻”。两种过程综合作用下形成的霜冻称为“平流辐射霜冻”。无论何种霜冻出现,都会给作物带来或多或少的伤害。 [1]

植物霜害是指当气温和地表温度降至零度,空气中过饱和的水分凝结成霜而使植物受到伤害。这时植物组织内部水分因低温而形成冰晶,因而使植物组织受到伤害。当空气过于干燥,虽气温降至0oC或0oC以下却不能凝结成霜时,但植物组织内仍能形成冰晶也会受害,这种受害天气称为“黑霜”。它比一般霜害(白霜)更严重,因为白霜天气时空气中有较多水分,水分的凝结有热放出,空气水分还有阻止地面热辐射散失的作用,可以减缓温度进一步降低。

通过对中国霜气象观测资料的整理和分析, 研究了 1957 200 6年中国霜期、 初霜日、终霜日的时空分布和气候特征。结果表明, 中国各地的霜期总体上是自北向南、 自高山向平原逐渐缩短的, 霜期长 ( 短 )的地区与初霜早 ( 晚 ) 、 终霜晚 ( 早 ) 的地区非常一致。近 50 a 来, 在全球增暖的背景下, 中国大部分地区霜期在逐渐缩短, 初霜日在逐渐推迟, 终霜日在不断提前, 1990 s后这种趋势变得更加明显。霜期缩短显著的区域主要集中在我国东北、 华北、 内蒙古中部、 江淮流域以及云贵高原和华南部分地区, 而四川盆地和长江中下游部分地区霜期缩短的趋势并不明显, 一些地方甚至略有延长的趋势。比较初霜日期与终霜日期的趋势变化, 发现终霜日提前的趋势要比初霜日推后的趋势更加明显, 这可能是由不同季节的增温幅度不同而引起的。

一般来说, 初霜出现在秋季, 终霜出现在春季,但是我国幅员辽阔、地形复杂, 各地气候差异较大,因此各地霜期和初、 终霜日分布也不尽相同,中国各地的初霜总体上是自北向南、 自高山向平原逐渐出现的。中国东部地区, 初霜日期由北向南逐渐推迟, 呈带状分布。其中东北北部、 大兴安岭、 小兴安岭地区初霜出现在 9 月中旬之前。 9 月中旬之后至 10 月中旬, 东北南部、内蒙古中部、 华北开始出现初霜。之后, 长江流域逐渐开始出现初霜 ( 10 月中旬至 11 月中下旬 ) 。而长江上游的四川盆地, 直到 12 月份才出现初霜, 比周围地区晚了将近 1 2 个月, 这可能与四川盆地特殊的地形有关。华南和海南为最晚出现初霜的地区。中国西北地区和青藏高原地区, 由于受地形和海拔高度的影响, 初霜出现的日期相对东部地区偏早, 特别是青藏高原地区 ( 34 - N , 98 - E ) 7 月就已经有初霜出现, 是最早出现初霜的地区。之后, 新疆北部以及陕、 甘、 宁等地开始有初霜出现 ( 9 10 月 ) 。相对而言, 南疆塔里木盆地的初霜日期要比周围地区晚( 10月以后 ) 。需要指出的是, 青藏高原和四川盆地之间地区地势陡峭, 初霜日期等值线分布非常密集,日期随海拔高度从西北向东南逐渐推迟, 呈明显的垂直地带性分布。

终霜日期早晚的分布 和初霜日期早晚的分布正好相反。具体来看, 中国东部地区, 终霜日期自南向北逐渐推迟, 其中华南、 华东地区基本呈带状分布。终霜最早结束的地区在我国华南 ( 1 至 2月 ) 。 2至 3 月, 江淮流域终霜陆续结束, 日期晚于同一纬度的四川盆地。 3 月后, 终霜从江淮流域由南向北逐渐推迟。东北的大兴安岭、 小兴安岭和长白山地区终霜在 5 月之后结束, 明显晚于东北平原。在中国西部地区, 盆地的终霜明显要比周边的高原结束早。南疆塔里木盆地 3 月中旬终霜结束, 要比其北部的北疆、 东部的陕、 甘、 宁地区至少早半个月。而青藏高原和四川盆地之间地区终霜结束的时间跨度比较大。四川盆地 1 月终霜结束, 而青藏高原部分地区一直到 6 月份还有霜存在, 有的地区终年有霜。

中国霜期的变化特征

一般认为, 霜的变化受温度的影响比较大, 气候变暖会 使 初 霜 日 推 迟, 终 霜 日 提 早, 霜 期 缩 短。I P CC第 4 次评估报告指出, 全球近百年来平均气温升高了 0.74 /100 a 。中国近百年的变暖趋势也是无庸质疑的, 平均温度升高速率略低于全球水平, 但近 50 a 来中国的变暖 趋势更加明显, 上升 了0. 64 ~ 0.92摄氏度/50 a 。这些变化一定程度上可能会对霜产生影响,。 [4]

结霜现象普遍存在于热泵空调、 低温制冷及航空航天等领域。以往有关结霜的研究主要侧重于霜层本身, 即从宏观唯象角度研究结霜规律, 如霜层的密度、 有效导热系数、 传热传质、 霜层的数学模型以及结霜对系统性能的影响等, 而对结霜初期微细观特征和霜晶生长的动态特性掌握得较少, 对结霜机制的认识尚有待深入。

为了认识冷面结 霜的微观机制, 对霜晶生长过 程中的各种界面演变现象进行了研究。 从晶体生长角度解释了各种形状初始霜 晶的形成机制; 利用 界面稳定性理论分析指出: 温度场和水蒸气浓度场是影响霜晶生长 的主要因素, 两者的竞争耦合作 用是产生 相变和霜晶 各种界面演 变现象的根本原因; 建立了霜晶生长速率与 霜晶表 面温度及水蒸气分压力相关的数学模型。 计算结果表明: 随着 霜晶温度的降低或环境空气水蒸气分压力的增加, 霜晶生长速率增大, 这与实验以及基于分子运动论的分析结论是一致的。 [5]

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