霜是水蒸气在0℃以下直接凝华成白色冰晶的自然现象。当地面物体温度降至冰点以下时，空气中的水汽会跳过液态阶段，直接在物体表面形成固态冰晶，这就是我们看到的霜。其形成需满足三个核心条件：近地面空气湿度接近饱和、物体表面温度≤0℃、晴朗微风的夜间气象环境。

从气象学角度分析，霜的形成本质是水汽的相变过程。当夜间地面因辐射冷却导致温度骤降时，空气对水汽的容纳能力随之降低。若此时露点温度（空气达到饱和时的温度）低于0℃，水汽将跳过液化阶段直接凝华成冰晶。这一过程与露的形成原理相似，区别在于露是温度高于0℃时的液化现象。实验数据显示，霜晶生长速率与温度呈负相关：-5℃时晶体平均生长速度为0.12mm/h，-10℃时可达0.35mm/h。气象观测记录表明，我国北方地区初霜日与地面最低气温≤0℃初日的吻合率达93.7%，印证了低温对霜形成的关键作用。

霜的形成受多重因素制约。首先需要充足的水汽供应，通常要求相对湿度≥90%。其次需强烈的辐射冷却条件，这解释为何霜多出现于晴朗无云的夜晚——云层会反射地面长波辐射，抑制降温效果。研究显示，全晴天夜间地面冷却速率可达1.5℃/h，而多云天气仅0.3℃/h。微风（1-3m/s）能促进霜的形成，既能持续输送水汽又可避免湍流导致的热量交换；但强风（＞5m/s）会破坏近地面低温层。物体特性也影响成霜效率：比热容小的金属表面比植物叶片早1-2小时结霜，粗糙表面霜层厚度可达光滑面的2倍。

霜的出现具有显著时空规律。时间上集中于秋末至春初，87%的霜冻事件发生在日落后3-6小时内。空间上遵循"霜打洼地"原则，因冷空气密度大易在低洼处堆积，如山谷霜日比山坡多30%。2024年全国气象站监测数据显示，东北地区年均霜日达120天，而江南地区仅15天。值得注意的是，霜与农业霜冻存在区别：前者是可见冰晶的物理现象，后者指≤0℃导致作物受损的灾害事件。现代气象学通过露点温度、地面温度、风速三要素建立霜冻预报模型，准确率已提升至85%以上。