建工学部团队探秘球状冰形成原理

元宵节前夕，央视报道摄影爱好者在吉林洮南四海湖国家湿地公园发现的“汤圆湖”自然奇观。只见湖面上一个个冰团簇拥在一起，密密麻麻铺满近3000米岸边，远远望去，犹如一湖“冰汤圆”，网友笑称“非常应景”。这些“冰汤圆”到底是什么？这是第一次出现吗？是怎么形成的？建工学部李志军教授团队从气象条件、水文状况、湖岸地形等入手分析，结合实际数据验证，揭开了“冰汤圆”形成之谜的面纱一角。

央视报道《吉林洮南四海湖呈现“汤圆湖”奇观》

“冰汤圆”实际上是一种球状冰（冰球、冰蛋），冰球集聚排列是自然界中比较罕见的自然现象，只有在特定的水文气象条件、湖岸坡度、水深和形状组合条件下出现。对这一现象国内外尚未形成统一的命名和定义，因这类凝聚冰外形呈球状，通常被称作冰球。冰球集聚现象多在入冬时的湖岸、海岸或者河岸浅水区出现，直径变化范围一般为4～100cm。

世界上报道过的球状冰（冰球、冰蛋）现象

湖泊从开阔水域冻结出稳定的薄冰层，会经历初生冰、尼罗冰、板冰等多个阶段。研究团队通过梳理有记载以来的冰球现象，发现冰球只能在初生冰时期产生，且其形成与集聚受气温、降雪、强风、波浪和浅滩岸坡等自然因素共同控制。虽然理论上促使其形成的单个条件较为常见，但实际上几项要素在时空上吻合在一起往往极其稀少。首先，需要一段时间的缓和低气温促进水温接近冰点，又不至于快速冻结成尼罗冰，给产生冰球提供一个时间窗口。其次，即便有产生大量冰球的初生冰体量，一般湖面冻结的往往不够，需要降雪提供“外援”。再者，需要波浪将柔软初生冰逐渐“滚圆”，再通过风把滚圆的球推向迎风侧岸滩，这些都离不开特定的风速和持续的定向风。此外，具体哪个湖泊哪一侧（或多侧）是浅滩，才可能容易让冰球搁浅、堆积，取决于这个湖泊的形状和地形。总之，冰球从出现、发育、稳定仅需２～３天的初生冰窗口期，然而此阶段需要气温、风速、风向、降雪同某一个特定形状和地形的湖泊等要素保持完全“配合”状态，在自然界中极难达到，这也是冰球现象罕见的关键原因。

查干湖和四海湖的冰球现象

四海湖的“冰汤圆”并非吉林省首次发生冰球现象，2021-2022年冬季查干湖西南沿岸也出现过近似于鹅蛋大小的冰球集聚现象。研究团队初步分析查干湖2000-2022年各冬季初冰期的气象条件和4个气象要素吻合的次数发现，除了负积温、日平均气温比较容易符合，风速、风向和降雪条件很难同时满足，证实发生冰球集聚现象的概率非常低。

相关研究成果以《神奇的球状冰（冰球、冰蛋）》为题发布在《湖泊科学》2022,34（2）上，我校博士研究生解飞和卢鹏教授为共同第一作者，李志军教授为通讯作者，研究得到国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项支持。