解 飛，盧 鵬，程 斌，楊 倩，李志軍

(1:大連理工大學(xué)，海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024) (2:芬蘭氣象研究所，赫爾辛基 00101，芬蘭) (3:吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

湖冰是冰凍圈的重要組成部分，隨著冰雪運(yùn)動(dòng)的普及推廣，千變?nèi)f化的湖冰表面形態(tài)引起了公眾的注意. 球狀冰(冰球、冰蛋)集聚排列是自然界中比較罕見的自然現(xiàn)象，只有在特定的水文氣象條件、湖岸坡度、水深和形狀組合條件下出現(xiàn). 國(guó)內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一的命名和定義，冰球是對(duì)外形呈球狀的凝聚冰的形象描述. 英文在描述不同地域與形態(tài)的冰球時(shí)，使用到Ball ice、Slush-balls、Ice balls等. 冰球集聚現(xiàn)象多在入冬時(shí)的湖岸、海岸或者河岸淺水區(qū)出現(xiàn)(圖1)，直徑變化范圍一般為4～100 cm.

圖1 世界上報(bào)道過的球狀冰(冰球、冰蛋)現(xiàn)象Fig.1 The reported ice balls phenomenon in the world

有關(guān)球狀冰(冰球、冰蛋)的最早記載可追溯到1906年1月，在北美的密歇根湖(Lake Michigan)近岸一英里的冰面發(fā)現(xiàn)一種特殊形態(tài)的岸冰，幾乎完全由大雪球組成[1]. 降雪和翻滾的湖水交織凍結(jié)是雪球的主要組成. 也就是降落到水面的雪浸水后成為濕雪，它在翻涌的波浪起伏下翻滾，如同滾雪球一樣，形成球，并由小變大，由棱角變圓滑. 1948年2月，澳大利亞國(guó)家南極考察隊(duì)的懷亞特·厄普號(hào)在南極海域(66°S，152°E)也發(fā)現(xiàn)許多直徑為25～50 cm的球體漂浮在海面，稱為“Ball Ice”[2]，證明了冰球在極地地區(qū)的存在. 南極海域中的冰球非常柔軟，呈海綿狀，以“溪流”的形式排列. 據(jù)報(bào)道，1964年冬季受風(fēng)暴潮的影響，南巴斯島(South Bass Island)岸邊也出現(xiàn)冰球現(xiàn)象，稱為“Slush-balls”[3].

圖2 日本報(bào)道的豬苗代湖 冰球的內(nèi)部晶體[5]Fig.2 The ice crystals in an ice ball in Lake Inawashiro, Japan[5]

此外，冰球還存在于河流沿岸，如2003年1月，德國(guó)威瑟河(River Weser)河口觀察到了這種奇特的冰現(xiàn)象[4]. 數(shù)量約500個(gè)，大小近似于足球，單個(gè)質(zhì)量為4.3～4.7 kg，成排排列，最上面的幾排埋在薄冰之中. 據(jù)悉，該河口受到強(qiáng)烈的感潮流影響，流速高達(dá)3 m/s，潮差約為5 m. 在亞洲地區(qū)，日本豬苗代湖(Lake Inawashiro)通常在12月末到次年1月底會(huì)存在冰球，稱為“Ice balls”[5]. 切片觀察發(fā)現(xiàn)冰球的晶體結(jié)構(gòu)由直徑為1～2 mm的均勻粒狀冰組成，晶粒似乎具有隨機(jī)C-軸取向，卻與一般熱力學(xué)生長(zhǎng)的粒狀冰有區(qū)別，更接近含有雪粒經(jīng)過水面動(dòng)力擾動(dòng)凝聚再凍結(jié)的S4型冰晶體(圖2).

隨著全球互聯(lián)網(wǎng)及信息化的發(fā)展，近年來更多冰球現(xiàn)象被人們?cè)谏缃痪W(wǎng)絡(luò)分享. 根據(jù)俄羅斯衛(wèi)星通訊社報(bào)道，2017年12月，俄羅斯西北海岸的芬蘭灣出現(xiàn)了大小一致的冰蛋，直徑超過10 cm，猶如一個(gè)個(gè)大號(hào)的雞蛋. 2019年11月，位于波羅的海的海盧奧托島(Hailuoto)沿岸布滿了卵狀的冰蛋，這也是該地區(qū)極為罕見的現(xiàn)象. 2021年11月，來自不同社交媒體上的新聞顯示加拿大馬尼托巴湖(Lake Manitoba)同樣被大量球狀冰覆蓋，小的如雞蛋，大的如籃球. 綜上所述，球狀冰的形成與集聚受氣溫、降雪、強(qiáng)風(fēng)、波浪和淺灘岸坡等自然因素共同控制，因其特殊的形態(tài)備受公眾關(guān)注.

1 球狀冰的形成及罕見性

湖泊從開闊水域凍結(jié)出穩(wěn)定的薄冰層，會(huì)經(jīng)歷初生冰、尼羅冰、板冰等多個(gè)階段. 初生冰由水直接凍結(jié)或雪降至水面后凍結(jié)形成，而降雪意味著結(jié)冰存在“外援”. 由于初生冰多呈針狀、薄片狀、油脂狀或海綿狀，因此它比較松散，能隨波浪起伏. 只有發(fā)展成尼羅冰，它才穩(wěn)定，不會(huì)隨波逐流. 也就是冰蛋的產(chǎn)生只能發(fā)生在初生冰階段，并需要波浪作為推手. 湖泊中的波長(zhǎng)和波高均與風(fēng)速、水深和湖面風(fēng)向長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)柔軟的初生冰隨短波起伏運(yùn)動(dòng)，就可以出現(xiàn)滾動(dòng)，其滾圓程度和分布范圍就由波長(zhǎng)和波高控制. 理論上冰蛋直徑間于1/4～1/2波長(zhǎng)之間，它隨波浪的起伏運(yùn)動(dòng)不斷增大、圓滑且密實(shí)，并順風(fēng)向運(yùn)動(dòng)到迎風(fēng)一側(cè)的岸灘擱淺或堆積. 因?yàn)樗鎯鼋Y(jié)和降雪都是覆蓋整個(gè)湖面的，盡管初生冰的厚度小，但它們?cè)谡麄€(gè)湖面都有波浪時(shí)形成若干外形近似的冰球，并隨風(fēng)成排集聚在迎風(fēng)向的岸邊，構(gòu)成景觀. 一般岸邊水淺，灘涂的溫度低，當(dāng)最前排的冰球擱淺到岸灘上，會(huì)和岸灘凍結(jié)在一起，它們與岸線平行. 后續(xù)的滾球在第一批滾球穩(wěn)定之后，就在第一排之后成排依次集聚. 至于堆積能否觸底、能否數(shù)層，就完全決定于風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間. 這些冰球的總體積不超過正常初生冰和降雪的總量. 如果之后的風(fēng)能夠引起足夠的增水，這些滾球就隨水凍結(jié). 當(dāng)增水超過滾球高度，看上去冰球就像凍結(jié)在水內(nèi). 當(dāng)然也就有部分被水淹沒，凍結(jié)后的冰表面會(huì)存在不規(guī)則的凸起；或者沒有淹沒，成為岸灘上的雪球.

盡管理論上形成冰球的自然因素都很常見，但實(shí)際上幾項(xiàng)要素在時(shí)空上吻合在一起往往極其稀少. 首先，需要一段時(shí)間的緩和低氣溫促進(jìn)水溫接近冰點(diǎn)[1]，又不至于快速凍結(jié)成尼羅冰，給產(chǎn)生冰球提供一個(gè)時(shí)間窗口；這個(gè)出現(xiàn)的概率很大. 其次，即便有產(chǎn)生大量冰球的初生冰體量，一般湖面凍結(jié)的往往不夠，需要降雪提供外援，而在這個(gè)初生冰窗口期還遇上降雪的幾率很低. 再者，需要波浪將柔軟初生冰逐漸“滾圓”，再通過風(fēng)把滾圓的球推向迎風(fēng)側(cè)岸灘[3]，這些都離不開風(fēng)速和持續(xù)的定向風(fēng). 此外，具體哪個(gè)湖泊哪一側(cè)(或多側(cè))是淺灘，才可能容易讓冰球擱淺、堆積取決于這個(gè)湖泊的形狀和地形. 但是要令冰球向淺灘方向運(yùn)動(dòng)集聚的持續(xù)定向風(fēng)維持程度卻因風(fēng)的隨機(jī)性而很難. 總之，冰蛋從出現(xiàn)、發(fā)育、穩(wěn)定僅需2～3天的初生冰窗口期，此階段需要?dú)鉁?、風(fēng)速、風(fēng)向、降雪同某一個(gè)特定形狀和地形的湖泊等要素保持完全“配合”狀態(tài)，在自然界是人為難以掌控的，這也是冰球現(xiàn)象罕見的關(guān)鍵原因.

圖3 查干湖和四海湖的冰球現(xiàn)象Fig.3 Ice balls phenomenon in Lake Chagan and Lake Sihai

2 吉林省的“冰球”現(xiàn)象實(shí)例分析

吉林省并非首次發(fā)生冰球現(xiàn)象，2020-2021年冬季近似于鵝蛋大小的冰球密密麻麻地排列在在查干湖西南沿岸，2021-2022年冬季再次出現(xiàn). 2022年2月央視新聞客戶端發(fā)布《吉林洮南四海湖呈現(xiàn)“湯圓”湖面！網(wǎng)友：真應(yīng)景！》，展示了四海湖國(guó)家濕地公園中的“冰湯圓”. 相對(duì)于查干湖，四海湖的球狀特征更明顯(圖3)，冰面平整光滑，整體地封存在冰面以下，直徑多為20～30 cm；而查干湖冰面凹凸不平，堆積在冰面之上. 它們共同的特點(diǎn)是，冰球集聚分布2個(gè)湖泊的小部分區(qū)域，并非全湖分布.

盡管四海湖的冰蛋報(bào)道來源于2月，但理論上，它應(yīng)該產(chǎn)生于初冰期，也就是去年11月中下旬期間. 由于初冰期，冰的厚度較薄，存在冰上活動(dòng)危險(xiǎn)，因此沒被及時(shí)發(fā)現(xiàn). 由于四海湖面積小，目前沒有積累大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù). 查干湖是目前國(guó)內(nèi)熱門的旅游景區(qū)，從冰對(duì)冰下生態(tài)環(huán)境影響角度，這些年積累了一定的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料. 這里僅作初步分析，從查干湖2000-2022年各冬季初冰期的氣象條件和4個(gè)氣象要素吻合的次數(shù)(表1)來看，除了負(fù)積溫、日平均氣溫比較容易符合，風(fēng)速、風(fēng)向和降雪條件就很難同時(shí)滿足，說明發(fā)生冰球集聚的概率非常低.

表1 查干湖2000-2022年各入冬能符合產(chǎn)生冰球的氣象條件(下劃線數(shù)字，需要同時(shí)滿足)Tab.1 Critical meteorological conditions required for ice ball formation and aggregation during winter onset in Lake Chagan, 2000-2022