明明是盛夏，為什麼天上會落下冰塊（冰雹）？
― 一次次被往上抬，冰塊就一點一點變厚
在氣溫超過30℃的午後，白色的冰粒有時會打在屋頂上。聽起來很不可思議，但高空幾公里處即使在盛夏也是零下低溫。在發展旺盛的積雨雲中，強烈的上升氣流會把小小的冰粒一次又一次往上送。每被送上去一次，周圍的水就會附著在冰粒上結凍。就這樣層層堆疊的冰，一旦重到撐不住便會落下來。一般認為，這就是冰雹。
夏日午後，天空突然暗下來，開始下起大顆的雨滴。過一會兒，雨中混雜著白色堅硬的東西開始落下。屋頂和陽台上響起劈啪劈啪的乾燥聲響。
往外一看，地面上有小小的冰粒彈跳著。放在手掌心上，一下子就融化成水了。氣溫明明超過30℃，卻是冰。
這些冰是在哪裡形成的？為什麼能在夏天的酷熱中不融化，一路落下來呢？
原因主要有兩個
空氣的溫度越高處越低。就算地面是30℃，在高度5公里左右，氣溫也會降到0℃以下。也就是說，即使在夏天，「能造出冰的地方」也一直存在於我們頭頂上方。
在發展旺盛的積雨雲中，空氣正猛烈地向上運動。小小的冰粒即使想往下掉，也會被推回去。在這一來一往之間，水不斷附著上去，層層堆疊變大。
這兩個條件同時具備，才會形成大顆的冰粒。讓我們一項一項來看。
高空的「造冰房間」，夏天也不會關閉
離地面越高，空氣溫度就越低。一般認為，大約每升高100公尺，氣溫下降約0.6℃。如果地面是30℃，那麼在高度5公里左右，氣溫大約會在0℃上下。
積雨雲有時會遠遠超越這個零下低溫層，一路延伸到高度10公里以上。雲的上層是零下20℃、甚至零下40℃的世界。也就是說，即使是夏天的天空，造冰的場所也隨時存在。平常這些冰之所以不會落到地面，是因為在落下的途中就融化了。
「一次又一次往上抬」讓冰粒變大
小小的冰粒如果就這樣落下，會邊落邊融化，變成普通的雨。然而，積雨雲中存在著風速可達每秒數十公尺的上升氣流。冰粒還沒完全落下就會被推回去，再次被送回零下低溫的高度。
上升氣流中，飄浮著許多即使低於0℃也不結凍的水滴。這稱為過冷水滴。冰粒一旦撞上這種水滴，水滴就會當場結凍。在被往上抬、又落下的反覆過程中，冰就像洋蔥一樣層層堆疊。請看圖1。
冬天高空同樣是零下低溫，但由於上升氣流較弱，一般認為大顆的冰粒不容易長成。從春天到夏天，地面受陽光強烈加熱，把雲往上頂的力量更強。也有統計顯示，在日本，初夏發生得較多。
依日本的氣象規定，直徑未滿5毫米的稱為「霰」，5毫米以上的稱為「冰雹（雹）」。兩者形成方式相連，差別只在於是否長到足夠大。
那麼，該怎麼做才好？
- 聽到硬物敲擊聲，立刻進入建築物內冰粒落下的速度很快。躲在能保護頭部的屋頂下最安全。
- 遠離窗戶旁邊大顆的冰粒有可能打破玻璃。請待在靠牆的位置。
- 降雹期間不要外出雖然會想去撿冰粒，但請等停了再說。
會降下冰雹的積雨雲，有時也會同時伴隨強風與落雷。請不要靠近樹下或電線桿旁邊。一般建議躲進堅固的建築物內，等到停止為止。如果因撞擊頭部等受傷，或發現有人倒下，請不要猶豫，立刻撥打119報案。此處所寫的應對方式僅供參考，最佳行動會因當下狀況而異。
總結
夏天會降冰，是因為高空一直存在著零下低溫層。而強烈的上升氣流，會讓冰粒在這個低溫層與下方之間一次又一次往返。每往返一次，過冷水滴就會結凍成一層，冰粒因此變大。當上升氣流再也撐不住時，冰粒就會一口氣落下來。降下大顆的冰粒，本身也證明了當時存在著強勁的上升氣流。
冰雹並不是從天上直接掉下來的冰。
而是在天空中往返多次，一點一點變厚的冰。
關於孕育冰雹的雲本身，可參考「積雨雲為什麼能長得那麼高？」；關於冰或水的粒子如何懸浮在天空中，可參考「雲明明是水的集合體，為什麼不會掉下來？」；冰的形狀是如何決定的，則可參考「雪花為什麼是六角形？」，裡面都有詳細說明。
- 降雹過後，等完全停止再撿拾冰粒，用尺量量看直徑。5毫米以上就是「冰雹」。
- 把冰粒放在冰過的盤子上，透過明亮的光線觀察看看。有時可以看到透明的部分和白濁的部分呈層狀分布。
- 比較製冰盒的水慢慢結凍，和快速結凍時，冰的白濁程度有何不同。結凍越快的冰，白濁程度越高。冰雹的白色層，也是基於同樣的原理形成的。
撿拾冰粒務必等降雹完全停止、確認安全後再進行。
想了解更多 ― 專有名詞、公式與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「地科基礎・物理基礎」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（氣象學・雲物理學）的內容
- 研究中連大學也不會當作「定論」來教，是研究者目前仍在調查中的內容
國中專有名詞：這個現象是有名字的
- 過冷水滴：即使低於0℃仍保持液態、不結凍的小水滴。一旦有東西撞上，就會當場急速結凍。
- 沾黏成長（riming）：冰粒捕捉過冷水滴並使其結凍，向外變大的過程。這是冰雹成長的主要途徑。
- 終端速度：下落物體與空氣阻力達到平衡、不再加速時的速度。冰粒越大，終端速度越快。
- 氣溫遞減率：高度上升時氣溫下降的比率。一般認為大約每100公尺下降0.6℃左右。
國中高中用公式驗證：冰雹落下的速度有多快
冰雹落下的速度，大致由冰粒的直徑決定。這裡使用估計值，換算成時速來實際感受看看。出現的符號意義與單位，如下表所示。
| 符號 d | 意義：冰雹顆粒的直徑／單位為公分 |
| 符號 v | 意義：落下時的終端速度／單位為公尺／秒 |
| 符號 V | 意義：終端速度換算成時速／單位為公里／小時 |
| 用符號表示 | v ＝ √( 8 × ρ冰 × g × r ÷ ( 3 × ρ空氣 × Cd ) ) |
| 用文字表示 | 終端速度 ＝（8 × 冰的密度 × 重力加速度 × 顆粒半徑）除以（3 × 空氣密度 × 阻力係數），再開平方根 |
| 這個公式從何而來 | 顆粒的重量（與體積成正比）與空氣阻力（與截面積及速度平方成正比）達到平衡時，速度不再增加，這是一個平衡方程式。 |
| 符號 ρ冰（冰雹的密度） | 一般認為約 900 kg/m³ |
| 符號 ρ空氣（高空空氣密度）・符號 Cd（近似球形顆粒的阻力係數） | 一般認為約 1.0 kg/m³・約 0.6 |
| 符號 g（重力加速度）・符號 r（半徑） | 9.8 m/s²・0.005 m |
| ρ冰 × g | 900 × 9.8 ＝ 8820 |
| 再乘以半徑 r | 8820 × 0.005 ＝ 44.1 |
| 再乘以 8（分子） | 44.1 × 8 ＝ 352.8 |
| 分母 3 × ρ空氣 × Cd | 3 × 0.6 ＝ 1.8 |
| 分子除以分母（v 的平方） | 352.8 ÷ 1.8 ＝ 196 |
| 開平方根得終端速度 v | 196 的平方根是 14，所以約為每秒14公尺 |
用公式算出的數值，和下方①中觀測估計值（約每秒14公尺）相當吻合。半徑變成5倍時，速度會變成5的平方根倍，約2.2倍。
| 直徑1公分顆粒的落下速度 | 一般認為約每秒14公尺 |
| 直徑5公分顆粒的落下速度 | 一般認為約每秒33公尺 |
| 公尺／秒換算成公里／小時的係數 | 3.6 |
| 直徑1公分顆粒換算成時速 | 14 × 3.6 ＝ 50.4 |
| 直徑5公分顆粒換算成時速 | 33 × 3.6 ＝ 118.8 |
| 大顆粒是小顆粒速度的幾倍 | 33 ÷ 14 ≒ 2.4 |
即使是直徑1公分的顆粒，落下時速也大約有50公里，和市區行駛的汽車速度差不多。若是直徑5公分，時速則約達119公里。而顆粒能長到這麼大，代表雲中曾吹拂著同等速度的上升氣流。
高中高中＋為什麼會形成層狀構造
高中水結凍時，會釋放出稱為凝固熱的熱量。這股熱能否順利散逸到周圍，會影響冰的外觀。緩慢結凍時，空氣會被排出，形成透明的冰。快速結凍時，空氣會被封在裡面，形成白濁的冰。
高中＋當顆粒通過過冷水滴較多的區域時，水會先在表面擴散開來再慢慢結凍，形成透明層。而在水滴較少的寒冷區域，撞上的水會立刻結凍並包裹住空氣，形成白色層。一般認為，層層堆疊的樣貌，正記錄了顆粒所經過的路徑。
大學作用於顆粒上的力的平衡
下落中的顆粒，受到重力與空氣阻力的作用。空氣阻力大致與顆粒的截面積及速度的平方成正比。而重力的來源——質量，則與體積、也就是直徑的三次方成正比。整理兩者達到平衡的條件後，可以得出終端速度大致與直徑的平方根成正比的關係。也就是說，即使直徑變成25倍，速度也只會變成大約5倍，增加得相對緩和。這個關係在雲物理學的教科書中會提到，整理為終端速度與阻力（阻力係數）的公式。
📖 公式的推導與更深入的內容：終端速度（維基百科・日文） ／ 阻力（維基百科・日文）
研究中目前尚未完全釐清的事
- 顆粒的路徑真的是「往返了幾次」嗎？ 有人指出，層的數量未必等同於往返次數，也可能在一次上升又落下的過程中，就形成好幾層。
- 大小難以預測。 即使能預測積雨雲的發生，要事先鎖定哪裡會降下多大的顆粒，至今仍是困難的課題。
- 與氣候變遷的關係。 氣溫上升會使零下低溫層的高度升高，落下途中融化的距離也隨之增加。另一方面，也有人指出上升氣流可能因此增強，兩者相抵之後的結論尚未定案。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。隨著觀測網絡越來越精密，其中一部分內容未來也可能會被改寫。
與教科書的連結（按程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・天氣及其變化 | 高空氣溫較低、雲的形成方式 |
| 高中 | 地科基礎・大氣結構／物理基礎・落體與阻力 | 氣溫遞減率與終端速度的內容 |
| 高中＋ | 化學基礎進階・狀態變化與潛熱 | 結凍時釋放熱量、影響層狀外觀的內容 |
| 大學 | 氣象學・雲物理學 | 由力的平衡推導終端速度的部分 |
| 研究中 | 中尺度氣象學・氣候變遷影響評估 | 「目前尚未釐清的事」段落 |
| ― | 與生活的連結 | 聽到硬物敲擊聲就進入建築物內避難的判斷 |
- 日本氣象廳「預報用語 ― 降水（冰雹・霰的定義）」氣象廳（気象庁）官方網站
- 小倉義光《一般気象学（第2版補訂版）》東京大学出版会（日文書名：一般氣象學）
- 日本氣象學會 編《気象科学事典》東京書籍（日文書名：氣象科學事典）
- 美國國家海洋暨大氣總署 國家強烈天氣實驗室「Severe Weather 101: Hail」
- 日本氣象廳「雷・ひょうから身を守るために」氣象廳（気象庁）官方網站（日文標題：為了保護自身免受雷擊與冰雹侵害）
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值僅為理解原理所用的參考估算值。惡劣天氣時的應對行動，請遵循氣象廳的發布內容，以及消防機關、地方政府等的指示。