本文来自微信公众号： 格致论道讲坛 ，作者：张庆红，原文标题：《拿玛瑙换冰雹？这件看似会让人“破产”的事，我们坚持了10年 | 张庆红》
未来的人会说，
从公元2016年开始，
有一群人在收集冰雹。
张庆红·北京大学物理学院
格致论道第132期|2026年9月10日上海
大家好，欢迎来到格致论道讲坛，我是张庆红。今天我跟大家分享一个非常小众的极端灾害天气现象。
大概在10年前，我开始研究冰雹。原来我是研究台风的，从台风转到冰雹的时候，我当时就在想，可能我未来的职业生涯，就是在岁月静好中安安静静地享受自己的科研。但是我没有想到，在2025年5月13日的那天晚上，我成了众多媒体关注的对象。原因是什么呢？
在2025年5月13日这天傍晚下班的高峰期，北京13个区县都遭到了冰雹的袭击。有很多朋友的汽车被砸了，还有一些农民的果园也被砸了。事后据新闻报道，估险的损失大概是3.18亿元。那时候我就在想，如果能给我一个亿，我是不是能够让大家免于这些灾害的损失呢？
从那天之后，我就一直在思考这个问题。这种天气现象是不是只有在北京发生？肯定不是的。下面是全球冰雹发生频率的分布图，大家可以看到，北美、南美、非洲的中部、澳大利亚，以及我们国家东部经济发达区都是冰雹的高发区。
左图是近20年来中国冰雹发生的次数。从灰色bar（柱形）所显示的值来看，它呈现出持续增长的趋势。恰好这次冰雹发生的前两个月，也就是2025年3月份，联合国秘书长向全球宣布了一件事。他说，2024年是人类历史上第一次平均温度超过工业革命前1.55℃的年份。右边的温度曲线跟我们这个冰雹频次上升的曲线，在2000年之后基本上吻合，都上升了。
所以人们就在想，冰雹风暴的发生和增强是不是跟全球变暖有关？听上去很合理，但是，有一个叫联合国政府间的气候变化专门委员会，简称IPCC，它连续第五次和第六次的评估报告中都说，冰雹长期变化趋势的可信度非常低。
原因是什么呢？第一，我们缺乏一个长期持续的冰雹观测数据库。因为现代可信的冰雹记录，以我们中国为例，是从1950年开始的。从工业革命前到工业革命后这段时间，我们并没有持续的冰雹观测记录。
第二，全球变暖是发生在百年尺度、甚至千年尺度的全球空间上的一种现象，而冰雹的生命史只有十几分钟到四十分钟。这样空间和时间尺度的差异中间难以建立物理连接。
古人会防雹吗？
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面对这样的挑战，我们做了两步工作。第一步应对第一个挑战。我当时想到的是，我是个中国人，我们中国有非常古老的文明，那么我是不是可以去问问古人，看看他们有没有记录冰雹？
大家看下面这张图，大家认识这个人是谁吗？这个人就是明仁宗，他当年可能当皇上当得太无聊了，加上他是一个气象爱好者，于是他在皇宫里画了一张图，叫天雨雹。“雨”字是个动词，就是下的意思，他画得非常形象，下雹的时候有大风，树是跟着风摆动的。
▲上：古代冰雹灾害代用资料(886 BC-1948 CE)
这样的天气，在历史的长河中，被我们的祖先记录了下来。我所做的事就是从古籍里找到这些信息，然后把这些信息跟现代气象观测站的数据结合起来。我把这个行动叫做“开启先贤之信”。
▲现代国家级气象台站资料(1950-2010)
于是我就重新开始学习了。对于一个学物理的人来说，查古迹让我非常兴奋。我先从甲骨文开始查起，查到有一片甲骨文中记录了一个“雹”字。这个雹字当然跟我们今天学的雹字是不一样的。你把它和右边这张图结合起来就会看到，甲骨文的“雹”就是在一朵乌云里有一些在下落的东西，下面画了三个菱形。我们中国的古老文化认为这是“一生二，二生三，三生万物”。这是我们老祖宗的智慧，它真的非常美，我觉得比现在这个雹字更漂亮、更形象。
学到了这些以后，是不是可以做研究了？我们知道了刚才的那个甲骨文出现在公元前十一到十四世纪，但它没有一个精准的年份。虽然它有雹字，但是不能作为一个可以分析的有效记录。
第一条有效的历史冰雹记录是《竹书纪年》里记载的。孝王七年，也就是公元前886年，这一年记录的是：“冬大雨雹，牛马死，江汉俱冻。”非常形象。
后来还有一条记录也引起了我的注意，就是在公元前538年，这一年正月也是大雨雹，季武子就问申丰曰：“雹可御乎？”这也许是古人第一次思考我们是不是可以防雹这个问题，是最早的一条记录。申丰对曰：“圣人在上，无雹，虽有，不为灾。”虽然在我们今天来看，这个不是很科学，但是它体现了古人向内修德的这种优良品质。
把这些历史碎片拼起来之后就形成了这条曲线。这条曲线跟我们那个全球平均温度升高的曲线也很像。除了直接的上升以外，我们也可以看到，在中间还有一些振荡和扰动。
那么我们做了一件什么事呢？我们把这些记录跟AI碰撞了一下。我们用1500年到1948年的数据做了模型训练，然后把1950年到2000年的现代数据拿来做测试，再让AI预测未来。
大概的结果就是这张图所示。它向我们展示了一个特别有意思的现象，我们中国冰雹日长期的变化趋势是全球平均温度和大气内部振荡的一个叫PDO（太平洋年代际振荡）的信号共同调制的。那么看到在未来高排放的气候情景（RCP8.5）下，到2072年的时候，我们的冰雹频率会达到一个峰值。这个峰值相较于2017年的冰雹频率增加了107%，也就是双倍，所以各位要预先“买好保险”。
▲中国冰雹日的变化趋势=全球平均温度+PDO异常
冰雹换“玛瑙”
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因为我是学物理的，要应对第二个问题，我就想着如何去建立全球变暖与冰雹之间的物理连接。一颗冰雹是在云里从一个雹胚演变而来。我们对雹胚的定义就是一个5毫米直径大小的小冰球，你可以认为它在云里通过收集过冷水滴，然后长大，直到上升气流托不住，最后掉在地上，这个过程只需要15分钟。
这15分钟里到底发生了什么？这些东西跟全球变暖有关联吗？有一次下班途中我就在想，要是能够捡到一颗冰雹，把它切开，然后一层一层地化验，看它的结构，那我是不是就可以把它的生命史展现出来了？晚上我就做了一个梦，梦见冰雹砸着我了，我特别兴奋，但是梦里那个冰雹眼看着就要化了，我就去找冰箱，一着急我就醒了。
第二天，我到课题组跟我的学生讨论这个事，我说咱们中国人口众多，能不能动员公众来帮我们收集冰雹呢？学生说可以啊。我说那咱们发起一个活动吧。学生就帮我想了一个题目，叫做冰雹换“玛瑙”，然后我们写了一个小作文。这作文主要说的是，地球上的每一颗冰雹都是独一无二的，正如你和我。
大家看最左边的图，这是一个冰雹的切片。中间的图是我们设计的一个钥匙链，也就是所谓的“玛瑙”钥匙链。我们买了一块巨大的玛瑙石，很便宜，然后找了一个厂家帮我们车成这么一小块，把它打磨得漂亮了。大家也可以看到，我展示了三个，它们的结构都是不一样的，都很美。当时，这每一个圆片的成本才十元人民币，加上上面有一个北大的小logo，加上下面那些小“冰雹”和小珠子，再加上一个钥匙链，总共成本就在50元人民币以内。
我们当时非常小心地发了一个朋友圈，我还跟我的学生说不要乱发，我很纠结。第一，我担心没有人帮我们收冰雹，所以我才想了这个办法，要去换，这是交换的心理。但是第二，如果全国十四多亿人每人都举着冰雹来跟我换，我会不会破产呢？因为我们做这个东西，国家自然科学基金是不能报销的，是要我们掏自己的零花钱出来的。带着这样纠结的心情，我们开始了这个试探性的活动。
结果10年下来，我并没有破产。刚才我提到了冰雹是一种非常小众的灾害天气，遇到冰雹本身就是个小概率事件。过去10年，我们收到了来自101场冰雹风暴的冰雹样品，一共是3063颗。我们也因此入选了联合国世界气象组织的公民科学示范项目。在它所有的示范项目中，只有我们中国这个项目维持了10年，其他国家的示范项目都是一年两年。这也算是我们无意之中为国争了一个小光。
▲图源：Li et al BAMS 2025
非常感谢公众的参与，在我的学生和我一起去收这些冰雹的过程中，我们遇到了各种各样的人。有的人其实根本不想要我们这个“玛瑙”。比如说有一位先生，在承德出差，刚好下冰雹了，他就捡了冰雹冻在了酒店的冰柜里。第二天他就离开了，给我们打电话，让我们去酒店取。而我们过了两个月才从北京开着车去取，那个酒店竟然还给我们存着呢。
参与这个活动的40%的人都是受过高等教育的，他们确实想为科学做一点贡献。剩下的人我们也统计了一下，发现都是农民，因为他们是受灾最严重的人。
我举个例子。2021年6月27日在山东潍坊的青州市，一个在大棚里种西瓜的农民捡到了很多冰雹。大家可以看到左边的图上有很多洞，这是冰雹砸过的洞，这些冰雹砸到西瓜上，西瓜肯定瞬间裂开，所以他这一年肯定损失很多钱。我们的学生回来之后，我发现他们码代码都码得更快了，因为他们觉得自己的科研有意义了，我们被激励了。
另外一个例子是在2021年7月10日，有人跟我说，山东章丘市一位姓何的先生家里有一颗冰雹特别大，我就亲自下场，又坐高铁又坐汽车到了人家家里。当时还有另外一个团队也想要这颗冰雹，我们就比人家早到了一会。我的学生特别精，我在前面跟那些人聊天，他们立刻就把冰雹搁到我们的冰箱里了。
其实这颗冰雹是何先生（右图最右边）给他女儿捡的玩具。这颗冰雹刚好落在他们家阳台上，他捡了，顺手就当作是给女儿留个玩具冻在了冰箱里，然后就被我们征用了。这是一个非常有意思的故事。
从手工作坊到自动化
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有了这些冰雹后，我们也在摸索怎样去存储。大家看下图，早些年，这些冰雹都冻成了一坨。因为它们下落的同时也在下雨，裹着雨水，我们把它们放到一个袋子里，很快就粘在一起了。像这样的冰雹，我们就没有办法继续再拿来做科学实验了。
后来我们改变了征集方式，我们在公众号里告诉公众每一个冰雹要单独包装，就像左图一样，再大的冰雹也要单独封存，然后我们还要把它抽真空。右图就是我们把冰雹放在冰柜里的样子，每一个大袋子里都是一个个独立的包装。
在存储过程中，我们也在摸索一些事情。比如2024年6月4日晚上9点22分，我发了一条朋友圈。那天一大早我就出门了，带着我几个学生去廊坊给冰雹做体检，做CT（电子计算机断层扫描）。我们想知道冰雹里边气泡的分布情况，折腾了一整天，好不容易回家了。我就在朋友圈里发了一张图片，说今天给冰雹做了一个CT，有很多人点赞，我把我的头像也换了，高高兴兴睡觉。
结果第二天一大早，我就被电话吵醒了，学生告诉我，老师，出大事了。我当时脑子一片晕，还没睡醒，就问他出什么事了。他说他昨天把做完CT的冰雹放在了一个临时的备用冰箱里，没有放到我们的主冰柜里，然后冰雹化了，因为那个备用冰箱坏了。你们猜我当时的第一反应是什么？我很想骂他，但是我不能，因为我是人民教师，我就忍住了。我跟他说：“没关系的，冰雹年年都会有，咱们继续收集，但是得吸取教训。”
那天我到了办公室后，其实我的心情还是很沉重的。我就想起了《史记·李将军列传》里的一句话：“事未成，不可轻言。”我也学古人向内修德了一回。我也借此思考了一下这个问题。大家想想，我何德何能让上天把冰雹发生这么美的一件事情展现给我看呢？我当时对大自然充满敬畏心，我也要让我自己谦卑下来。
我们还做了另外一件事。大家看看下图，我用箭头标示的地方有一个传感器，一旦温度升高了，它就会自动地给我们课题组的三个人打电话，通知我们出异常了。这是我们一个事后补救的方法。同时，我们还装了一个摄像头放在这里，防止有人来偷我们的冰雹。我们也一直在成长，我的学生们行动力也非常强。
那么，有了这些冰雹之后，该怎么去切冰雹呢？我们反复测算，总结出在-8℃时用电阻丝切是最好的。但是去哪里找-8℃的恒温室呢？我们北大有生物学院，他们有冰柜，有一个冰屋子，但是我们在-40℃的地方没办法切。因为你刚切完，它就又冻上了。
于是我们就在整个物理学院上蹿下跳地找-8℃的恒温室。在我们物理学院的楼顶有一个很小的破房子，我也不知道它是什么时候建的。在北京冬季的晚上，这个地方可以达到-8℃。我的学生都是穿着军大衣，戴好帽子和手套，在这个小房间里等到太阳落山以后，他们才能去切冰雹。
这个黑色板子里有一个特别小的U型工具，这就是我们当时用来切冰雹的最原始的家伙，就是一个电阻丝加上一个干电池，相当于是我们一个“手工作坊”的探索。
到了今天就不一样了，北京市人工影响天气中心的毕凯老师来看我们切冰雹，看了之后他说，那咱们一起研发一个切冰雹的设备吧。这就是切冰雹的设备，就像各位同学随时可以用手机打游戏一样，我们有了这台机器随时都可以切冰雹，把整个机器放在冰箱里，设好-8℃，它就可以自动切了。这是一个非常大的进步。
我们这个设备在去年（2025年）也被美国的国家大气研究中心征用了。这是非常有意思的一件事，我自己也没想到研究冰雹让我还连带造了一个设备。
冰雹是怎样生长的？
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有了这些冰雹的切片之后，我们该怎么办？我们就把切片按照透明和不透明层进行分离，分离之后就去测同位素，然后就可以反映出冰雹在生长过程中所经历的高度。
最后我们发现了什么呢？我们发现这些冰雹的生长过程都是一次上升，然后再下降，就结束了。
而我们原来的教科书上，正像动画显示的，它是上去了，下来了，上去了，下来了，循环了很多次才掉下来。
▲过去教科书里的观点
这篇文章去年（2025年）3月份发表之后，引起了中外媒体的重视。很多外国的媒体通过网络来采访我，其实当时也有争议，有一些科学家认为这里存在很大的不确定性，难以确认是不是真的是这样。
但是，在2025年5月份，美国有一场ICECHIP试验。这个试验是国际性的，一共有一百多个科学家参与，我也带着学生去了。有一个澳大利亚的科学家Joshua Soderholm，他做了一个假的雹胚，先用一个气球把中间的小球带到云里去，进去之后给它一个指令，熔断那个绳子，它就像雹胚一样在云里自由地飞翔了。
自由飞翔之后，它会慢慢地冻上冰，通过追踪它的轨迹就可以模拟看到冰雹生长的轨迹了。右边这几条曲线，表示我们一共放了二十三颗伪探空（pseudo-sounding），最终证明我们用同位素做出来的轨迹是正确的。
我们的论文也得到了更多国际同行的认可。有了这项真实的观测之后，我们就写了一个冰雹的三维增长模型。
▲3D冰雹生长模型
得到这些模型后，我们怎么做验证呢？刚好在2021年，北京市人工影响天气中心的同事们知道我在研究冰雹。这个视频中是北京在下冰雹，有人顶着一个筐就出去了，无差别地收集冰雹。收集的这些冰雹一共有450颗。
这些冰雹带给我们一个非常好的谱分布，就像右图中灰色bar（柱形）所显示的。我的模型模拟出来的是那条橘色的线，总体来说，它们的中位数是吻合的。
视频里的人收冰雹的时候还在下雨，所以我认为我这个模型准确率还可以。因为没有真实的测量手段，所以我们就用这个模型，并且可以把它应用到未来的全球变暖趋势下估算冰雹的谱分布是怎样变化的。
最终的结果是最下面那张图。大家看紫色所标示的区域，那个地方在全球增温的同时也增湿，所以云里面的冰雹长得更大。橙色所标示的区域是热带和季风区，因为全球增温了，融化作用更大，它的冰雹就变小了。在未来，中高纬度冰雹的灾害潜势是增加的，而在低纬是减少的。
我们这个工作特别幸运地登上了《自然》（Nature）的正刊封面，这张封面是我自己设计的，非常有意思。
继续求问的未来
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从我过去10年的经历来看，我一直在学习。我过去一直非常自豪，因为我是研究天气科学的，我一直认为天气科学守护着人类文明。但是这10年的经历告诉我，人类文明同样也在以它独特的方式支撑着现代的天气科学。
我们的老祖宗从公元前11到14世纪就开始问天，也可以说是问神。大家都知道，甲骨文的片大多是用来占卜的。到了公元前538年，我们也问人。虽然看着不科学，但是它毕竟给我们留下来了一些珍贵的记录。借着这些先贤之信，我们现代人才得以利用物理、化学及AI来更好地展示冰雹的变化规律。
我想，未来10年我可能还要继续求问。我们要给各位同行的爱车提供最好的保护。也许未来的某一天，你的手机上会收到一条短信：“十分钟后，您爱车所在位置有90%的概率会下直径5厘米的冰雹。”
过去我们给公众送的是玛瑙，现在我们的玛瑙也用得差不多了，以后可能没有玛瑙给大家送了。但是我也知道，大家现在都不用钥匙链了，科学的发展让我们用指纹就可以开门。
那么，2026年我们开始送什么呢？今年，我们把冰雹扫描后，把3D打印的冰雹模型作为礼物还给公众。就像2021年，我们“抢”了人家孩子的一个玩具，今年我们还给她了。这个宝贝已经长大了，我们也期待这个玩具能够陪伴她继续成长。
最后，我想借这个平台感谢全球的科学家和公民对我的支持。其实很多国际的科学家知道我在收集冰雹，像澳大利亚的、意大利的、美国的、南美的，他们都要把冰雹送给我，我还没去拿。2016到现在，已经超过3600颗冰雹。
▲构建全球最大的冰雹库
我还想说，请大家扫描一下我们的公众号，未来如果有机会也帮我们收集一下冰雹。
古人用他们的记录点亮了我们今天的科学研究。也许1000年、2000年或者3000年后，未来的人会说：公元2016年开始，有一群人在收集冰雹，他们的冰雹也像一盏盏灯，点亮了我们气候变暖下的世界变化。
谢谢大家！
