雪尘(包括吹雪和雪尘暴)的移动轨迹和传播过程受多种因素影响,并且在传播过程中其性质和影响会显著改变。
主要影响因素:
风速和风向:
- 启动阈值: 雪粒开始移动(蠕移、跃移)需要达到一个最低风速(启动风速),这取决于雪的密度、粒径、粘结性和地表粗糙度。新降的、干燥的、粉状的雪最容易被吹起。
- 移动高度和强度: 风速越大,能吹起的雪量越多,雪粒跃移的高度也越高(可达数米),水平传输距离越远。风速决定了雪尘事件的强度(吹雪 vs. 雪尘暴)。
- 方向: 风向决定了雪尘传输的总体路径和堆积位置。
地形:
- 坡度: 陡坡更易发生雪粒的蠕移和滑动,影响初始移动。风在迎风坡加速,在背风坡减速并形成涡流,导致雪在背风坡堆积(雪檐、雪坝)。
- 地表特征: 平坦开阔的地形(平原、冰原、冻土带)利于雪尘长距离传输。障碍物(树木、灌木、建筑物、山脊)会改变局地风流,在其背风侧形成涡旋减速区,导致雪粒沉积(形成雪堆、雪堤)。沟壑、山谷等地形会引导和集中风流,形成“风道”,加剧雪尘传输。
雪的特性:
- 密度和粒径: 轻、干、细的雪粒(低密度,小粒径)最容易被风吹起并悬浮传输(形成雪尘暴的主体)。湿、重、结块的雪需要更强的风才能移动,且主要在地表附近蠕移或短距离跃移。
- 粘结性/老化程度: 新降的、未粘结的粉雪最易移动。经过融化-冻结循环或长时间老化压实形成的雪壳,粘结性强,不易被风吹起。
- 雪层表面状况: 光滑、坚硬的雪面(如风板、冰壳)摩擦力小,利于雪粒跃移。松软、粗糙的雪面摩擦力大,不易启动。
温度和湿度:
- 温度: 低温(远低于冰点)利于保持雪的干燥和松散状态,易形成雪尘。接近冰点时,雪粒可能变湿、粘结,增加移动难度。温度也影响空气密度。
- 湿度: 低湿度利于雪保持干燥。高湿度下,雪粒可能吸收水汽或在表面凝结,增加重量和粘结性,抑制扬雪。在特定条件下(如温度略低于冰点),过饱和水汽可能在跃移的雪粒上凝华,使其增大变重。
地表粗糙度:
- 光滑表面(冰面、压实雪面)摩擦力小,雪粒跃移更远、更高。
- 粗糙表面(植被、岩石、松软积雪)增加摩擦,消耗雪粒动能,使其更容易沉积或难以启动。粗糙度元素(如草、小灌木)也能捕获跃移的雪粒。
传播过程中的变化:
雪尘一旦启动并开始传播,其性质和影响会随着距离和条件变化而动态演变:
浓度和能见度变化:
- 增强: 在风持续加速、雪源充足(如大范围积雪平原)的区域,雪尘浓度会迅速增加,导致能见度急剧下降(从几公里降至几米甚至零,形成“白蒙天”)。
- 减弱: 当风遇到障碍物减速、进入粗糙地表区域、或雪源供应不足(如下风方向积雪被吹光或地表无雪)时,雪尘浓度会降低,能见度逐渐恢复。
- 空间异质性: 受地形和障碍物影响,雪尘浓度和能见度在空间上变化极大,可能相隔很短距离就从不影响视线到完全白蒙天。
雪粒物理特性的改变:
- 破碎和磨蚀: 雪粒在跃移、碰撞过程中会发生破碎和磨蚀,粒径变小、棱角被磨圆,变得更像球形粉尘。这使它们更容易被气流携带到更高处和更远处。
- 升华: 在干燥、低温、强风条件下,跃移和悬浮的雪粒表面会发生升华(固态直接变气态),导致雪粒质量减小、粒径变小,进一步利于悬浮传输。这是雪尘在传播中损失质量的重要机制。
- 凝华/结霜: 在特定温湿度条件下(如过饱和环境),雪粒可能作为凝结核,表面发生凝华,使粒径增大、质量增加,最终更易沉降。
- 带电: 雪粒在剧烈碰撞和摩擦过程中可能产生静电电荷,导致颗粒间相互吸引或排斥,影响其运动轨迹和沉积模式。
传输方式的演变:
- 分层结构: 强烈的雪尘暴(Blizzard)通常形成明显的垂直分层:
- 蠕移层: 最底层,大颗粒在地表滚动或滑动。
- 跃移层: 中间层,雪粒以跳跃方式运动(弹道轨迹),高度通常低于2米,是传输雪量的主体。
- 悬移层: 最高层,最细小的雪粒(< 0.1 mm)被湍流卷起,长时间悬浮在空中,像烟雾一样,传输距离最远,是造成极低能见度的主要原因。
- 从跃移到悬移的转变: 随着传播过程中雪粒的破碎和磨蚀,越来越多的雪粒从较重的跃移状态转变为更轻的悬移状态,传输距离和高度增加。
正反馈效应:
- 雪面硬化: 持续的吹雪会带走表层松散雪粒,留下较密实的雪层,或形成风板,这可能会暂时降低后续的起尘量,但同时也为更大范围的雪崩创造了滑面。
- 雪源消耗与暴露: 在传播路径上,持续的吹蚀会消耗掉地表积雪,暴露下垫面(土壤、植被、冰)。如果下垫面光滑(如冰面),风可能继续吹动更少但更易移动的残留雪粒;如果粗糙,则起尘量会骤减。
沉积模式:
- 选择性沉积: 不同大小、形状的雪粒在风场变化(如减速区、涡流区)下沉积位置不同。较粗的跃移颗粒在障碍物近端沉积,形成硬雪堆;最细的悬移颗粒可以被带到很远,在平静区域均匀沉降。
- 形成特殊地貌: 持续的雪尘沉积可形成沙丘状的风积雪丘、雪檐、雪堤等。
总结来说,雪尘的轨迹和传播是一个高度动态、受多种物理因素(风、地形、雪性、温湿度)耦合控制的复杂过程。它在传播中不仅发生空间位置的变化,其雪粒本身的物理特性(粒径、形状、密度、电荷)、传输方式(蠕移/跃移/悬移的比例)、浓度(影响能见度)以及最终沉积的模式都会发生显著改变。理解这些变化对于预测雪尘暴、评估其对交通(能见度)、基础设施(积雪堆积)、雪崩风险(风板形成、雪荷载增加)以及极地/高山地区物质平衡(雪的再分布)的影响至关重要。