本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
它以一种柔和、几乎令人舒缓的嘶嘶声开始，但这不是令人安慰的声音。嘶嘶声——风和雪粒沿着地面滑动的声音——是一场强大的噪音、旋风般的雪花和危险交织的交响乐的前奏。这场雪的交响乐会产生白茫茫一片（图1）和交通堵塞。当你的工作是研究雪时，暴风雪既是一件令人着迷的事件，也是一种职业危害。
让我们从基本概念开始：暴风雪有两种类型：1）风和新降雪相结合的结果，以及 2）风卷起地面上已有的积雪的结果（地面暴风雪）。从旋涡状的内部来看，这两种类型看起来相同，但第二种类型需要更强的风才能开始，因为地面上的雪通常会结合在一起，风必须先打破这些结合，雪粒才能开始移动。经验法则是，地面风速需要达到约 6 米/秒-1 才会发生这种情况。奇怪的是，一旦第二种类型开始，它只需要更小的风力才能维持，因为表面比新雪降落时更光滑。
将暴风雪与单纯的风暴区分开来的是漂移的雪。有三种机制可以移动雪：蠕动、跃移和悬浮。随着风速和强度的增加，这些机制依次增加了暴风雪的喧嚣。蠕动只是滚动和滑动的另一种说法，在冰冻的湖面上或坚硬的积雪上（图 2）可以最好地看到它的作用。风开始使细长的雪粒触须运动起来。它们像飘渺的蛇一样顺风滑行，雪粒沿着光滑的表面滑动。
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更多时候，表面略微粗糙，很快一些雪粒会撞到凸起处并弹到空中。在靠近地面的地方，风速遵循对数曲线。在 1 厘米的高度，风速可能为 3 米/秒-1，但在 10 厘米的高度，风速为 6 米/秒-1。风移动雪粒的能力至少呈三次幂定律，因此风速的增加会将风的携带能力放大 8 倍或更多。现在，那些弹出 10 厘米的雪粒处在更强的风中，所以它们真的会飞起来！此外，当这些雪粒下降时（因为重力将它们拉回地面），它们会撞击其他雪粒，将它们向上弹射，从而增加飞行质量，并在级联反应中使雪粒的通量增加数倍。整个过程称为跃移，据认为它是暴风雪期间移动最多雪的机制（风速小于 15 米/秒-1时），尽管它不是使暴风雪最危险的机制。
单独的跃移雪粒遵循美丽的抛物线轨迹，在雪面上方上升 5 到 15 厘米。这些轨迹令科学家着迷了 80 多年。特别是级联碰撞过程一直是密切关注的主题，因为它不仅可以维持，而且还可以随着时间的推移和顺风距离的增加而增加雪粒的通量。日本的 Kobayashi Daiji 是第一个成功拍摄这些美丽轨迹的人（图 3a 和 3b）。就我个人而言，我在 1988 年在阿拉斯加的兰格尔山脉进行冬季攀登旅行时，偶然了解到了一种观察跃移的新方法。一场大风暴来袭，将我们困在山脊背风侧的雪洞里 6 天。这个洞在冰隙的下坡侧，所以当我从冰隙中冒出来检查天气时（经常），我的头就在雪面上，在那里我被跃移的雪粒击打。当我能睁开眼睛时，我能看到碰撞、弹跳、随后雪粒的喷射以及美妙的抛物线轨迹，所有这些都近在咫尺。直到我的眼睑冻住。
奇怪的是，我们对跃移的雪粒的许多了解来自北非的沙漠。英国士兵、探险家和科学家拉尔夫·阿尔杰·巴格诺尔德准将（1896-1990）（图 4）在在埃及服役期间，对沙漠产生了浓厚的兴趣。在 20 世纪 20 年代和 30 年代，他使用 T 型福特汽车在一系列大胆的探险中探索了利比亚沙漠。这种兴趣促使巴格诺尔德在 20 世纪 30 年代末进行了一系列经典的 风洞实验，并于 1941 年出版了《吹沙和沙漠沙丘的物理学》。他开创的旅行方法至今仍用于考察队和前往利比亚旅游的游客，几乎所有关于吹雪和吹沙的现代研究都可以追溯到他的工作。
巴格诺尔德是第一个认识到允许吹雪和吹沙产生令人眼花缭乱的各种特征的基本（且令人惊讶的）物理原理的人。这些特征从波纹到新月形沙丘再到沙丘和雪檐（图 5）不等。物理原理如下：对于沙子和雪，都需要一个阈值表面摩擦速度才能使颗粒开始移动。研究人员通常将此称为 u*临界。将其视为空气需要移动才能能够将颗粒拔出的速度。
显然，这个临界速度与颗粒的大小和重量以及风速有关。但表面摩擦速度也是表面粗糙度的反比函数。随着表面粗糙度增加，摩擦速度下降。气流中的跃移雪粒使有效表面粗糙度增加……很多。它们剥夺了风的动量，因此风速必须下降（图 6）。
这种机制的实际含义是，风刚增加到足以使雪粒开始跃移时，风就被那些雪粒减慢了。这使得风速降至阈值以下，而且任何被卷入风中的雪粒现在都会落下并沉积，而不是被侵蚀。一旦发生这种情况，风速就会恢复（因为由跃移引起的表面粗糙度增加已被消除），并且它会再次开始侵蚀。从某种意义上说，跃移过程在其内部构建了一个固有的脉冲，侵蚀和沉积在顺风方向交替进行，尺度取决于风是上升、下降还是保持稳定，以及有多少雪可供夹带。
在暴风雪中移动雪的最后一种机制是悬浮（图 7a、7b 和 7c）。在蠕动和跃移过程中，雪粒会碰撞并破裂，产生更小的颗粒碎片，这些碎片也会被风抬起。然而，这些颗粒的沉降速度远低于跃移雪粒，因此它们不会下降回雪面，而是可以被抬升到越来越高的空中。它们统称为悬浮载荷，它们是造成暴风雪能见度差的原因。我经常发现自己身处暴风雪中，水平看时，我几乎看不见 10 米外的同伴，但向上看时，我可以看到阳光。
可悲的是，我还知道有几起飞机在暴风雪中试图降落时发生致命事故，当时悬浮载荷使他们无法看到地面。悬浮载荷不断地从暴风雪中沉降出来，同时又被重新补充。在建筑物、切岸或雪栅栏的背风处，很容易观察到悬浮的颗粒。在那里，当人们免受风的侵袭时（谢天谢地），小雪粒的稳定雨水从天而降并覆盖了一切（图 7c）。由于它们尺寸很小（且尖锐），这些颗粒往往非常粘人。很快，一切都被这种面粉状的雪覆盖了，这种雪的名字叫飞雪。
我们和其他人正在进行的研究的重点是确定“暴风雪可以移动多少雪？”这个问题的答案会影响我们如何设计建筑群，以及我们对暴风雪地区除雪成本的估计。共识是，这个量随着风速的增加而增加到三次方甚至四次方。换句话说，如果雪开始以 6 米/秒-1 的速度移动，到它达到 18 米/秒-1 的速度时，通量将增加 30 倍。将这些数字转化为更具体的术语，一场风速超过 10 米/秒-1 且有充足雪量的 24 小时暴风雪可以移动每米线性垂直于风的 20 立方米的雪。
我在阿拉斯加巴罗附近工作的地方，每个冬天都会发生大约六次这样的暴风雪，在整个季节中会移动大约 130 立方米/米-1 的雪。我们通过测量大量雪栅栏背风处捕获了多少雪来检查这个理论值（图 8），它们非常吻合。那个特别的栅栏保护着 Cakeater Road 上的一个住宅小区。如果没有这个超过 2 公里长的栅栏，1700 万公斤的雪可能会最终落在房屋之间，并且必须使用前端装载机、犁和铲子将其挖出。
与暴风雪后清理相关的成本估计很难做出，并且可能非常不准确，但几乎肯定每年在美国会超过数亿美元。同样，除了被困在汽车里的人或因吹雪导致的能见度低而造成的撞车事故外，暴风雪造成的实际伤亡人数也很难确定。尽管如此，几个简单的结合雪和风的物理过程对我们的生活产生了深远的影响。