霜

“霜”不是從天上降下來，“霜”是地面的水氣遇到寒冷天氣凝結成的。霜凍在秋、冬、春三季都會出現。霜是接近地層空氣中的水汽，直接在地面或近地面的物體上凝華而成的;而温度越低，空氣密度就越大，比重也越大。隨着空氣的流動，最冷、最重的空氣就會往最低處流動，到達最低處(窪地)停留後，逐漸積聚凝華成霜。所以通常窪地就比一般地方容易形成霜，窪地的植物也就特別容易被霜打。 ^[2] 

形成露和霜的氣象條件是晴朗微風的夜晚。夜間晴朗有利於地面或地物迅速輻射冷卻。微風可使輻射冷卻在較厚的氣層中充分進行，而且可使貼地空氣得到更換，保證有足夠多的水汽供應凝結。無風時可供凝結的水汽不多，風速過大時由於湍流太強，使貼地空氣與上層較暖的空氣發生強烈混合，導致貼地空氣降温緩慢，均不利於露和霜的生成。對於霜，除輻射冷卻形成外，在冷平流以後或窪地上聚集冷空氣時，都有利於其形成。這種霜稱為平流霜或窪地霜，它們又常因輻射冷卻而加強。因此在窪地與山谷中，產生霜的頻率較大。在水邊平地和森林地帶，產生霜的頻率較小。 ^{[3]  [4]} 

地面凝結現象是天氣現象的一個重要組成部分， 它是水汽從空氣中凝結， 並凝結在物體上或者地表的一種現象（ 中 國 氣 象局， 2003） 。 常見的地面凝結現象有露 、 霜等現象 。“霜”與“霜凍”、“霜降”節氣不是一回事，它們分別是三個不同的概念。“霜”是指地面的水氣遇到寒冷天氣凝結成的一種白色冰晶；“霜凍”是指一種較為常見的農業氣象災害現象；“霜降”節氣是指反映氣温驟降節令，“霜降”不是表示“降霜”，而是表示天氣寒冷。用科學的眼光來看“露結為霜”的説法是不準確的。露滴凍結而成的凍露，是堅硬的小冰珠。而霜凍是指由於温度劇降而引起的作物凍害現象，其致害温度因作物、品種和生育期的不同而異；而形成霜，則必須地面或地物的温度降到0℃以下，並且貼地層中空氣中的水汽含量要達到一定標準。因此，發生霜凍時不一定出現霜，出現霜時也不一定就有霜凍發生。但是，因為見霜時的温度已經比較低，要是繼續冷卻，便很容易導致霜凍的發生。 ^[5-6] 

在寒冷季節的清晨，草葉上、土塊上常常會覆蓋着一層霜的結晶。它們在初升起的陽光照耀下閃閃發光，待太陽昇高後就融化了。人們常常把這種現象叫“下霜”。翻翻日曆，每年10月下旬，總有“霜降”這個節氣。我們看到過降雪，也看到過降雨，可是誰也沒有看到過降霜。其實，霜不是從天空降下來的，而是在近地面層的空氣裏形成的。

霜是一種白色的冰晶，多形成於夜間。少數情況下，在日落以前太陽斜照的時候也能開始形成。通常，日出後不久霜就融化了。但是在天氣嚴寒的時候或者在背陰的地方，霜也能終日不消。

霜本身對植物會產生凍害，因為熔化或昇華的過程中吸熱，降低植物的温度，使得植物內部的水分凝結，過低的温度會損害植物細胞。不過也有研究表明，經歷過霜的植物比沒經歷過的植物具有更好的耐寒性。

霜的形成不僅和當時的天氣條件有關，而且與所附着的物體的屬性也有關。當物體表面的温度很低，而物體表面附近的空氣温度卻比較高，那麼在空氣和物體表面之間有一個温度差，如果物體表面與空氣之間的温度差主要是由物體表面輻射冷卻造成的，則在較暖的空氣和較冷的物體表面相接觸時空氣就會冷卻，達到水汽過飽和的時候多餘的水汽就會析出。如果温度在0°C以下，則多餘的水汽就在物體表面上凝華為冰晶，這就是霜。因此霜總是在有利於物體表面輻射冷卻的天氣條件下形成。

另外，雲對地面物體夜間的輻射冷卻是有妨礙的，天空有云不利於霜的形成，因此，霜大都出現在晴朗的夜晚，也就是地面輻射冷卻強烈的時候。

此外，風對於霜的形成也有影響。有微風的時候，空氣緩慢地流過冷物體表面，不斷地供應着水汽，有利於霜的形成。但是，風大的時候，由於空氣流動得很快，接觸冷物體表面的時間太短，同時風大的時候，上下層的空氣容易互相混合，不利於温度降低，從而也會妨礙霜的形成。大致説來，當風速達到3級或3級以上時，霜就不容易形成了。

因此，霜一般形成在寒冷季節裏晴朗、微風或無風的夜晚。

霜的形成，不僅和上述天氣條件有關，而且和地面物體的屬性有關。

霜是在輻射冷卻的物體表面上形成的，所以物體表面越容易輻射散熱並迅速冷卻，在它上面就越容易形成霜。同類物體，在同樣條件下，假如質量相同，其內部含有的內能也就相同。如果夜間它們同時輻射散熱，那麼，在同一時間內表面積較大的物體散熱較多，冷卻得較快，在它上面就更容易有霜形成。這就是説，一種物體，如果與其質量相比，表面積相對大的，那麼在它上面就容易形成霜。草葉很輕，表面積卻較大，所以草葉上就容易形成霜。另外，物體表面粗糙的，要比表面光滑的更有利於輻射散熱，所以在表面粗糙的物體上更容易形成霜，如土塊。

霜的消失有兩種方式：一是昇華為水蒸氣，一是融化成水。最常見的是日出以後因温度升高而熔化消失。霜所熔化的水，對農作物有一定好處。

霜的出現，説明當地夜間天氣晴朗並寒冷，大氣穩定，地面輻射降温強烈。這種情況一般出現於有冷氣團控制的時候，所以往往會維持幾天好天氣

中國民間有“霜重見晴天”的諺語，道理就在這裏。 ^[7] 

霜凍花：在中國中北部下霜的早晨，幾種草地表及地表以上根莖部位開的霜花。很大，很好看。

霜凍：指農作物因寒潮的侵襲而受到傷害。温度低於0℃的地面和物體表面上有水汽凝結成白色結晶的是白霜，水汽含量少沒結霜稱黑霜對農作物都有凍害，稱霜凍。作物內部都是由許許多多的細胞組成的，作物內部細胞與細胞之間的水分，當温度降到攝氏零度以下時就開始結冰，從物理學中得知，物體結冰時，體積要膨脹。因此當細胞之間 的冰粒增大時，細胞就會受到壓縮，細胞內部的水分被迫向外滲透出來，細胞失掉過多的水分，它內部原來的膠狀物就逐漸凝固起來，特別是在嚴寒霜凍以後，氣温又突然回升，則作物滲出來的水分很快變成水汽散失掉，細胞失去的水分沒法復原，作物便會死去。霜和霜凍是秋冬季節的天氣現象。

霜是由於貼近地面的空氣受地面輻射冷卻的影響而降温到霜點。即氣層中地物表面温度或地面温度降到零度以下，所含水汽的過飽和部分在地面一些傳熱性能不好的物體上凝華成的白色冰晶。其結構鬆散。一般在冷季夜間到清晨的一段時間內形成。形成時多為靜風。霜在洞穴裏、冰川的裂縫口和雪面上有時也會出現。 ^[3] 

霜造成的對作物等的危害。發生霜災次數較多的地區根據其特點，應採取以下防禦對策：

1、根據不同地形、土質安排種植計劃 把抗凍性強的品種安排在霜凍易發生的地方。農諺“雪下大山霜打窪”，説明低窪處霜凍易發生且嚴重，地形越閉塞，霜凍危害程度越大。

2、採取綜合栽培措施，減輕霜凍災害 澆藻麥田是目前最理想的防霜方法。因為澆水既能減緩温度的降低，又能促使小麥生長健壯，增強抗寒力。根據天氣預報結果，臨時採用燻煙，田間噴霧或鼓風也可達到防霜目的。

3、災後補救 歷史經驗證明，小麥在揚花之前，地上部莖葉凍死者不可翻種。小麥遭受晚霜凍害後，應禁止用繩子拉霜、掃霜，更不能對凍死的莖葉進行刈割、耬耙或放牧。霜凍後正確的補救措施應是及時進行追肥澆水，以促使受災麥苗及早恢復生長，可減少霜凍災害的損失。

霜和霜凍是有區別的。霜是指白色固體凝結物，霜凍是指在農作物生長季節裏，地面和植物表面温度下降到足以引起農作物遭受傷害或者死亡的低温。有霜時農作物不一定遭受霜凍之害。有霜凍時可以有霜出現（白霜），也可以沒有霜出現（黑霜）。因此，我們要預防的是霜凍而不是霜。霜凍，尤其是早霜凍（或初霜凍）和晚霜凍（或終霜凍）對農作物威脅較大，應引起重視，並需採取燻煙、澆水、覆蓋等預防措施。

霜凍是中國“旱澇風凍”四大氣象災害之一，霜凍發生在秋、冬、春季，多為寒潮南下，短時間內氣温急劇下降至零攝氏度以下引起；或者受寒潮影響後，天氣由陰轉晴的當天夜晚，因地面強烈輻射降温所致，這就是人們常説的“雪上加霜”。温度低於地面和物體表面上有水汽凝結成白色結晶的是白霜；水汽含量少沒結霜稱黑霜；對農作物都有凍害，稱霜凍。霜凍在中國歷史上史書和地方誌中霜害記載不絕。1953年4月11至13日中國北方發生了一場大範圍霜凍，僅冬小麥一種作物就減產50億斤，造成了當時嚴重的國民經濟問題。這種霜凍災害卻並非是由水汽凝結成的白色晶體——霜。造成霜凍災害是零下低温。實際上，當大氣中水汽凝華成霜時，並不會吸收熱量降低氣温，而會因釋放出大量的凝結潛熱而減緩氣温下降。所以，在中國北方，冬季中由於空氣中水汽極為稀少，常常發生氣温雖降到零下而並未出現白霜，但作物卻已經受到凍害的情況。農民形象地稱之為“黑霜”。北京冬季常有這類氣温零下卻無白霜的“黑霜”。例如，根據30年平均氣象資料，北京最冷的一月份，清晨最低氣温雖幾乎天天都在零下，但是實際出現白霜的天數，月平均只有13.4天。

霜凍多在春秋轉換季節，白天氣温高於攝氏零度，夜間氣温短時間降至零度以下的低温危害現象。既農業氣象學中是指土壤表面或者植物株冠附近的氣温降至零度以下而造成作物受害的現象。出現霜凍時，往往伴有白霜，也可不伴有白霜，不伴有白霜的霜凍被稱為“黑霜”或“殺霜”。晴朗無風的夜晚，因輻射冷卻形成的霜凍稱為“輻射霜凍”。冷空氣入侵形成的霜凍稱為“平流霜凍”。兩種過程綜合作用下形成的霜凍稱為“平流輻射霜凍”。無論何種霜凍出現，都會給作物帶來或多或少的傷害。 ^[3] 

植物霜害是指當氣温和地表温度降至零度，空氣中過飽和的水分凝結成霜而使植物受到傷害。這時植物組織內部水分因低温而形成冰晶，因而使植物組織受到傷害。當空氣過於乾燥，雖氣温降至0oC或0oC以下卻不能凝結成霜時，但植物組織內仍能形成冰晶也會受害，這種受害天氣稱為“黑霜”。它比一般霜害（白霜）更嚴重，因為白霜天氣時空氣中有較多水分，水分的凝結有熱放出，空氣水分還有阻止地面熱輻射散失的作用，可以減緩温度進一步降低。

通過對中國霜氣象觀測資料的整理和分析, 研究了 1957—— 200 6年中國霜期、 初霜日、終霜日的時空分佈和氣候特徵。結果表明, 中國各地的霜期總體上是自北向南、 自高山向平原逐漸縮短的, 霜期長 ( 短 )的地區與初霜早 ( 晚 ) 、 終霜晚 ( 早 ) 的地區非常一致。近 50 a 來, 在全球增暖的背景下, 中國大部分地區霜期在逐漸縮短, 初霜日在逐漸推遲, 終霜日在不斷提前, 1990 s後這種趨勢變得更加明顯。霜期縮短顯著的區域主要集中在我國東北、 華北、 內蒙古中部、 江淮流域以及雲貴高原和華南部分地區, 而四川盆地和長江中下游部分地區霜期縮短的趨勢並不明顯, 一些地方甚至略有延長的趨勢。比較初霜日期與終霜日期的趨勢變化, 發現終霜日提前的趨勢要比初霜日推後的趨勢更加明顯, 這可能是由不同季節的增温幅度不同而引起的。

一般來説, 初霜出現在秋季, 終霜出現在春季,但是我國幅員遼闊、地形複雜, 各地氣候差異較大,因此各地霜期和初、 終霜日分佈也不盡相同,中國各地的初霜總體上是自北向南、 自高山向平原逐漸出現的。中國東部地區, 初霜日期由北向南逐漸推遲, 呈帶狀分佈。其中東北北部、 大興安嶺、 小興安嶺地區初霜出現在 9 月中旬之前。 9 月中旬之後至 10 月中旬, 東北南部、內蒙古中部、 華北開始出現初霜。之後, 長江流域逐漸開始出現初霜 ( 10 月中旬至 11 月中下旬 ) 。而長江上游的四川盆地, 直到 12 月份才出現初霜, 比周圍地區晚了將近 1 2 個月, 這可能與四川盆地特殊的地形有關。華南和海南為最晚出現初霜的地區。中國西北地區和青藏高原地區, 由於受地形和海拔高度的影響, 初霜出現的日期相對東部地區偏早, 特別是青藏高原地區 ( 34 % N , 98 % E ) 7 月就已經有初霜出現, 是最早出現初霜的地區。之後, 新疆北部以及陝、 甘、 寧等地開始有初霜出現 ( 9 10 月 ) 。相對而言, 南疆塔里木盆地的初霜日期要比周圍地區晚( 10月以後 ) 。需要指出的是, 青藏高原和四川盆地之間地區地勢陡峭, 初霜日期等值線分佈非常密集,日期隨海拔高度從西北向東南逐漸推遲, 呈明顯的垂直地帶性分佈。

終霜日期早晚的分佈 和初霜日期早晚的分佈正好相反。具體來看, 中國東部地區, 終霜日期自南向北逐漸推遲, 其中華南、 華東地區基本呈帶狀分佈。終霜最早結束的地區在我國華南 ( 1 至 2月 ) 。 2至 3 月, 江淮流域終霜陸續結束, 日期晚於同一緯度的四川盆地。 3 月後, 終霜從江淮流域由南向北逐漸推遲。東北的大興安嶺、 小興安嶺和長白山地區終霜在 5 月之後結束, 明顯晚於東北平原。在中國西部地區, 盆地的終霜明顯要比周邊的高原結束早。南疆塔里木盆地 3 月中旬終霜結束, 要比其北部的北疆、 東部的陝、 甘、 寧地區至少早半個月。而青藏高原和四川盆地之間地區終霜結束的時間跨度比較大。四川盆地 1 月終霜結束, 而青藏高原部分地區一直到 6 月份還有霜存在, 有的地區終年有霜。

一般認為, 霜的變化受温度的影響比較大, 氣候變暖會 使 初 霜 日 推 遲, 終 霜 日 提 早, 霜 期 縮 短。I P CC第 4 次評估報告指出, 全球近百年來平均氣温升高了 0.74 /100 a 。中國近百年的變暖趨勢也是無庸質疑的, 平均温度升高速率略低於全球水平, 但近 50 a 來中國的變暖 趨勢更加明顯, 上升 了0. 64 ~ 0.92攝氏度/50 a 。這些變化一定程度上可能會對霜產生影響,。 ^[8] 

結霜現象普遍存在於熱泵空調、 低温製冷及航空航天等領域。以往有關結霜的研究主要側重於霜層本身, 即從宏觀唯象角度研究結霜規律, 如霜層的密度、 有效導熱係數、 傳熱傳質、 霜層的數學模型以及結霜對系統性能的影響等, 而對結霜初期微細觀特徵和霜晶生長的動態特性掌握得較少, 對結霜機制的認識尚有待深入。

為了認識冷麪結 霜的微觀機制, 對霜晶生長過 程中的各種界面演變現象進行了研究。 從晶體生長角度解釋了各種形狀初始霜 晶的形成機制; 利用 界面穩定性理論分析指出: 温度場和水蒸氣濃度場是影響霜晶生長 的主要因素, 兩者的競爭耦合作 用是產生 相變和霜晶 各種界面演 變現象的根本原因; 建立了霜晶生長速率與 霜晶表 面温度及水蒸氣分壓力相關的數學模型。 計算結果表明: 隨着 霜晶温度的降低或環境空氣水蒸氣分壓力的增加, 霜晶生長速率增大, 這與實驗以及基於分子運動論的分析結論是一致的。 ^[9]