“風(fēng)是空氣的流動(dòng)，是大自然試圖將不太均勻的氣壓變得均勻所做出的一種努力。”

曹潔

中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所副研究員

大家好，我是曹潔，來自中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，我所從事的主要工作是研究臺(tái)風(fēng)、暴雨，以及一系列非常激烈的對(duì)流天氣。今天我給大家介紹的是《風(fēng)之彩》。這個(gè)名字來自于迪士尼的動(dòng)畫《風(fēng)中奇緣》的主題曲。

《風(fēng)中奇緣》的主題曲——《風(fēng)之彩》

那么，我們的古詩(shī)詞中是怎么描述風(fēng)的呢？

唐代詩(shī)人李嶠的《風(fēng)》

唐朝的李嶠寫了一首詩(shī)，名字叫做《風(fēng)》。詩(shī)中寫道風(fēng)可以吹落秋天的樹葉，可以吹開二月的花朵，可以吹散千層浪，還可以把竹林里面的竹子吹得傾斜。

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風(fēng)的形成

強(qiáng)風(fēng)造成的海浪（左）和打開易拉罐產(chǎn)生風(fēng)（右）

生活中的很多現(xiàn)象都與風(fēng)有關(guān)。大到被強(qiáng)風(fēng)吹起的海浪，風(fēng)把遠(yuǎn)海的各種物質(zhì)吹到了海邊。小到我們打開易拉罐的時(shí)候會(huì)聽到嘣的一聲，其實(shí)是因?yàn)楣迌?nèi)大氣壓力特別大，擠在小的氣壓罐里，再打開時(shí)于是就產(chǎn)生了風(fēng)。所以，風(fēng)是空氣的流動(dòng)。

為什么會(huì)產(chǎn)生風(fēng)呢？風(fēng)是大自然試圖將不太均勻的氣壓變得均勻所做出的一種努力。

平常溫度（左）和溫度升高（右）時(shí)的空氣

那么，什么是氣壓？氣壓就是空氣的壓力。空氣是由非常多個(gè)小的空氣分子組成的。我們可以想象成做游戲的時(shí)候，大家手拉著手待在這個(gè)黃圈里（上圖左）。溫度一旦升高，空氣分子的運(yùn)動(dòng)越來越劇烈。在運(yùn)動(dòng)劇烈的情況下，大家手拉手的距離就會(huì)擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)的是空氣開始膨脹（上圖右）。黃圈里的空氣膨脹之后，黃圈內(nèi)的空氣就變少了。一旦變少，它的氣壓就會(huì)降低?？諝鈴母邭鈮簲D向低氣壓，外界的空氣分子逐漸擠到黃圈里面，這樣就形成了風(fēng)。

理想狀態(tài)中地球上的風(fēng)

比如赤道地區(qū)非常熱，空氣會(huì)膨脹上升，下面低層的空氣就會(huì)擠壓過來。但在南北兩極，空氣又非常冷，這些空氣分子就會(huì)緊緊地抱在一起。于是空氣會(huì)往下沉，它們無法待在同一個(gè)地方，在下沉的過程中它們會(huì)往兩邊走。

如果地球不自轉(zhuǎn)也不圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，地球上也沒有海洋和陸地。那么，在地球上風(fēng)時(shí)時(shí)刻刻都是從赤道上升，然后到南北兩極下沉。對(duì)應(yīng)到地面上，就是風(fēng)從南北兩極吹往赤道。但是，大家都知道每天的風(fēng)是不一樣的，這是為什么呢？其實(shí)這和地球上海洋和陸地的差異有關(guān)。

那我們來看一下我們的首都北京，它的風(fēng)有什么特點(diǎn)呢？剛才我們提到海洋和陸地的差別，北京的差異則在于北京地勢(shì)的不同導(dǎo)致早晚風(fēng)向發(fā)生變化。

北京市日夜風(fēng)向示意圖（左）和北京周邊地圖（右）

右圖中的陰影區(qū)域代表著山，北京的北邊是山區(qū)。在北京，如果沒有下雨或者冰雹、閃電的時(shí)候，我們基本上每天聽到的天氣預(yù)報(bào)都是白天北轉(zhuǎn)南風(fēng)，夜間南轉(zhuǎn)北風(fēng)。這并不是氣象臺(tái)的預(yù)報(bào)員們?cè)谕祽?，今天我向大家解釋一下北京的風(fēng)為什么是這樣的。

剛才我們提到，空氣一旦加熱就會(huì)上升。白天山坡受熱更快，空氣就會(huì)開始上升。于是，山坡上面就沒有空氣了，空氣會(huì)從平原地區(qū)吹往山坡補(bǔ)充，這對(duì)應(yīng)的就是北京的白天。白天北京北邊的山上非常熱，風(fēng)從南邊往北京山區(qū)走，這就是偏南風(fēng)。到了晚上，山上降溫更快，溫度更低，風(fēng)就會(huì)從山坡上往平原吹。這就導(dǎo)致北京早晚的風(fēng)向發(fā)生了變化。

除此之外，北京的風(fēng)還有一個(gè)特點(diǎn)。有時(shí)我們會(huì)聽到天氣預(yù)報(bào)報(bào)道，西伯利亞又來了一股冷空氣。但剛開始我們其實(shí)感覺不到降溫，反而是升溫。這是因?yàn)闇囟鹊淖兓惋L(fēng)的變化有關(guān)。

冷空氣下沉示意圖（左）和氣溫、風(fēng)速監(jiān)測(cè)圖（右）

我們都知道爬山的時(shí)候，在山坡上會(huì)比在山腳下更冷。空氣從山頂往山腳走的過程中，溫度在一直升高。即使是冷空氣來臨，它從北京北邊的山坡上吹下來的時(shí)候，空氣在下降的過程中溫度也會(huì)升高。所以，在平原地區(qū)上的我們會(huì)覺得冷空氣來了也會(huì)更熱。但是，在冷空氣來臨后期，越來越強(qiáng)的冷空氣一股一股地注入，北京的氣溫會(huì)越來越低，我們就會(huì)感到越來越冷。

以后冷空氣來臨的時(shí)侯，大家可以提前把厚的衣服準(zhǔn)備好，等上半天再穿上。這就是北京的風(fēng)的特點(diǎn)。

平昌冬奧會(huì)場(chǎng)地（左）和海陀山場(chǎng)地（右）

說到北京，我們就會(huì)想到即將舉辦的冬奧會(huì)。我們?yōu)槎瑠W會(huì)做了哪些準(zhǔn)備呢？左圖是上一屆韓國(guó)冬奧會(huì)的滑雪場(chǎng)地，它是彎彎曲曲的，因?yàn)橛幸恍┍荣愋枰獜澢鷪?chǎng)地的配合。右圖是我們的海陀山場(chǎng)地，中國(guó)氣象局和北京城市氣象研究院已經(jīng)在那里加密布網(wǎng)，去觀測(cè)海陀山場(chǎng)地的風(fēng)。

滑雪場(chǎng)地需達(dá)到的氣象條件（左）和工作人員觀測(cè)風(fēng)向（右）

為什么滑雪場(chǎng)地需要專門的氣象觀測(cè)去觀測(cè)風(fēng)呢？這是因?yàn)槿绻﹫?chǎng)地有霧，能見度就會(huì)下降。另外在奧運(yùn)場(chǎng)館中，1分鐘的平均風(fēng)速不能超過3米每秒。一旦5分鐘的平均風(fēng)速超過了10米每秒，或者氣溫小于零下18攝氏度……在這些情況下，即使是冬奧會(huì)要開展比賽，氣象預(yù)報(bào)員們也會(huì)發(fā)布預(yù)報(bào)，通知比賽需要延期，有時(shí)候甚至要取消。這是為了保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的生命安全，也是為了讓他們能取得更好的比賽成績(jī)。

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風(fēng)的大小和方向

風(fēng)是由大小和方向決定的。在氣象上，我們用一個(gè)旗桿來表示風(fēng)的大小和方向，在天氣預(yù)報(bào)圖上可以看到下圖中的旗桿。

風(fēng)向桿示意圖

在旗桿上，用旗子所在的位置代表風(fēng)的來向，即風(fēng)的方向，比如圖片最上面的旗子就表示北風(fēng)。旗子上的一個(gè)三角形表示20米每秒的風(fēng)，一個(gè)長(zhǎng)橫線代表4米每秒的風(fēng)，一個(gè)短橫線代表2米每秒的風(fēng)。風(fēng)的大小也是用旗桿上的旗幟對(duì)應(yīng)的數(shù)字來表示。

風(fēng)力歌

我給大家解釋一下風(fēng)的大小是什么。風(fēng)的大小是從地面上感受到的空氣流動(dòng)的速度，包括零到十八之間的等級(jí)。大家可能有學(xué)過風(fēng)力歌，一級(jí)青煙隨風(fēng)飄，二級(jí)輕風(fēng)吹臉面，也可以吹起了小朋友的裙子……

風(fēng)力的級(jí)別和風(fēng)速的大小有一個(gè)乘2的關(guān)系（風(fēng)力等級(jí)中的1級(jí)風(fēng)，基本對(duì)應(yīng)1-2米每秒的風(fēng)速；2級(jí)對(duì)應(yīng)2-4米每秒的風(fēng)，以此類推）。我再列舉一些簡(jiǎn)單的例子，方便大家今后在聽天氣預(yù)報(bào)的時(shí)候，明白如何躲避風(fēng)災(zāi)。

一般來說，四級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)的是路上的塵土被吹起來，它的速度基本上是學(xué)校門口車速的限速。

如果是九、十級(jí)風(fēng)，比如前段時(shí)間武漢發(fā)生的非常大的風(fēng)災(zāi)就是十級(jí)風(fēng)，它會(huì)破壞房屋。地鐵開起來的車速基本上就是九級(jí)風(fēng)的速度。

高鐵運(yùn)行中的速度對(duì)應(yīng)的是每小時(shí)250公里的風(fēng)速，即超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。如果我們聽到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，大家就可以想象一下高鐵飛馳而過的感覺，它的破壞力非常大。

風(fēng)是一種非常清潔的能源。如果能夠合理地利用它，掌握三級(jí)以上的風(fēng)在全國(guó)分布的數(shù)據(jù)，甚至包括一帶一路上的主要國(guó)家的風(fēng)的大小和方向分布的大數(shù)據(jù)，我們就可以用風(fēng)力作為發(fā)電資源。下圖是中國(guó)氣象局已經(jīng)掌握的四維風(fēng)能的大數(shù)據(jù)資源。

中國(guó)四維風(fēng)能資源大數(shù)據(jù)

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風(fēng)帶來的自然災(zāi)害

風(fēng)力一旦超過了八九級(jí)，會(huì)造成風(fēng)災(zāi)。我們一般看到風(fēng)速大于地鐵速度的九級(jí)風(fēng)，基本上可以判斷會(huì)造成風(fēng)災(zāi)。

我國(guó)遭受的一些氣象災(zāi)害

我們國(guó)家其實(shí)是世界上遭受氣象災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家。除了有臺(tái)風(fēng)、暴雨，還有龍卷，每年都給我們國(guó)家造成了非常多的人員和財(cái)產(chǎn)損失。

大風(fēng)預(yù)警等級(jí)

針對(duì)大風(fēng)的避險(xiǎn)，我們能做什么？在聽天氣預(yù)報(bào)時(shí)，當(dāng)大風(fēng)來臨，我們會(huì)收到大風(fēng)預(yù)警。按照風(fēng)力的大小和嚴(yán)重程度，可以分成藍(lán)色、黃色、橙色和紅色四種預(yù)警。一旦聽到大風(fēng)預(yù)警，我們需要做的事情是立刻躲避。如果你在室外，最好躲到?jīng)]有風(fēng)的地方，及時(shí)逃離廣告牌還有樹木。

同時(shí)，在大風(fēng)來臨時(shí)還會(huì)有狹管效應(yīng)。上圖中有位同學(xué)走過一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的寬闊的操場(chǎng)，回到教室樓之前有一個(gè)狹長(zhǎng)的區(qū)域，一旦走到這樣的地方，風(fēng)速會(huì)劇烈地增強(qiáng)。所以，一旦收到了大風(fēng)預(yù)警，我們就要躲避這些狹管的地方，也是對(duì)我們自己的保護(hù)。

中國(guó)天氣網(wǎng)站的預(yù)警信息

我們可以在哪里看到這些預(yù)警信號(hào)呢？除了手機(jī)、電視以外，我們也可以在中國(guó)天氣網(wǎng)站上看到全國(guó)各個(gè)時(shí)刻的各種預(yù)警信號(hào)，包括大風(fēng)、霜凍、閃電和冰雹。我們聽到預(yù)警信號(hào)的時(shí)候要及時(shí)躲避，保護(hù)好自己和周圍的人，這就是對(duì)防災(zāi)減災(zāi)做出的一份貢獻(xiàn)。

我再給大家介紹幾種風(fēng)力超過十二級(jí)的自然災(zāi)害現(xiàn)象。

最常見的是臺(tái)風(fēng)，雖然在北方地區(qū)感受不到臺(tái)風(fēng)直接登陸的影響，但是我們是可以經(jīng)常在新聞上看到的。臺(tái)風(fēng)的大小有多大？它是怎么形成的？

我們前面講風(fēng)的形成是由于空氣受熱之后上升，周圍的空氣就會(huì)來補(bǔ)充。臺(tái)風(fēng)是在熱帶海面上形成的，那里的溫度非常高，海水會(huì)蒸發(fā)，形成一個(gè)低氣壓的區(qū)域。又由于地球的自轉(zhuǎn)，周圍的空氣在往中間補(bǔ)充的過程中，會(huì)一邊補(bǔ)充，一邊高速旋轉(zhuǎn)起來，于是就形成了臺(tái)風(fēng)。

臺(tái)風(fēng)

這是空間站上看到的臺(tái)風(fēng)，我們甚至可以看到臺(tái)風(fēng)中心的凹陷的形狀，說明它的影響范圍和整個(gè)的高度、深度都特別大。

遭遇臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的情形

一般來說，臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó)福建沿海地區(qū)的時(shí)候，我們經(jīng)常知道的狀況都是上圖中的情形：車被吹翻了，樹木、海浪、房屋都會(huì)被吹走。臺(tái)風(fēng)的破壞力非常大。

臺(tái)風(fēng)衛(wèi)星云圖（左）和臺(tái)風(fēng)的中心區(qū)域晴空萬(wàn)里

但是在臺(tái)風(fēng)的中心區(qū)域，即凹陷的地方，其實(shí)是晴空萬(wàn)里的。所以，在臺(tái)風(fēng)里面不僅有暴風(fēng)驟雨，還有晴朗無云的地方。

龍卷風(fēng)

講完了臺(tái)風(fēng)，我們?cè)僦v一講破壞力更大的龍卷風(fēng)。上圖是我在美國(guó)的同事們拍攝到的，他們會(huì)在龍卷風(fēng)來臨之前試圖追蹤它，進(jìn)行拍攝和預(yù)報(bào)，獲取的經(jīng)驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)在下一次的龍卷風(fēng)的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)當(dāng)中使用。

龍卷風(fēng)和臺(tái)風(fēng)有一個(gè)很相似的特點(diǎn)，他們都是高速旋轉(zhuǎn)的自然災(zāi)害。但是，兩者又有不一樣的地方。最大的區(qū)別是時(shí)空范圍的差異。臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間數(shù)天、范圍近千公里，龍卷風(fēng)幾十分鐘、范圍幾百米。

我們注意到前面所講的臺(tái)風(fēng)的云和風(fēng)基本上都是白色的，水汽特別足，但是我們看到的龍卷風(fēng)經(jīng)常是黃沙漫天的樣子。龍卷風(fēng)會(huì)有一個(gè)像漏斗一樣的云，先接觸到地面的時(shí)候，它還是白色的。一旦把地面上的灰塵、房屋，甚至汽車、橋梁卷起來的時(shí)候，塵埃就被帶到了風(fēng)中，所以風(fēng)的顏色也就發(fā)生了變化。

龍卷風(fēng)具有非常大的破壞力，這是因?yàn)樗姆秶貏e小。剛才我們提到，在空間站上我們可以看到臺(tái)風(fēng)，但是我們用手機(jī)拍照就可以拍到完整的龍卷風(fēng)。

遼寧開原龍卷出現(xiàn)的漏斗云

遼寧開原龍卷

上圖是2019年7月3日下午5點(diǎn)15分，在我國(guó)遼寧省開原市發(fā)生的一次龍卷風(fēng)，這次龍卷風(fēng)造成了6人死亡，191人受傷。它只持續(xù)了幾分鐘，這對(duì)于預(yù)報(bào)員來說，就會(huì)非常難預(yù)測(cè)。但是，在它提前到來之前，即出現(xiàn)漏斗云之前，我們能夠提前幾小時(shí)預(yù)測(cè)到會(huì)有大風(fēng)過來，所以在那時(shí)候就會(huì)發(fā)布剛才提到的藍(lán)色、橙色等大風(fēng)預(yù)警信息。如果我們聽從這些預(yù)警信息及時(shí)進(jìn)行躲避，就能夠盡可能少地減少龍卷風(fēng)的災(zāi)害。

雙龍卷

我們剛才看到的一直是單個(gè)龍卷，如果有兩個(gè)龍卷，像跳舞一樣此消彼長(zhǎng)，它的破壞力就更大。它是怎么形成的？它的影響范圍有多少？它會(huì)往哪個(gè)方向移動(dòng)？我們還有非常多沒有解決的問題，也非常希望大家可以用各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，用數(shù)學(xué)、物理的方程，用計(jì)算機(jī)來解決這些問題。

我再給大家介紹兩個(gè)風(fēng)速?zèng)]有那么大的天氣現(xiàn)象，分別是霾和沙塵。霾和沙塵有一個(gè)相似的特點(diǎn)，它們會(huì)使空氣質(zhì)量變差，這是眾所周知的。

霾和沙塵的區(qū)別

但是，它們又是不一樣的。首先，它們的主要成分不同。霾的主要成分是PM2.5，它的顆粒更小一點(diǎn)兒；沙塵的主要成分是黃沙，它的顆粒更大一點(diǎn)兒。其次，它們出現(xiàn)的氣象條件也非常不同。一般有特別大的風(fēng)的時(shí)候才會(huì)有沙塵天氣，但如果這個(gè)地方空氣非常的穩(wěn)定，沒有非常大的風(fēng)吹來，這時(shí)形成的基本上是霾。

沙塵天氣

所以，在全球變暖的背景下，我們國(guó)家大風(fēng)的天數(shù)越來越少，對(duì)應(yīng)的沙塵天數(shù)其實(shí)也在減少，相應(yīng)的霾天數(shù)在增加。

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從了解風(fēng)到了解整個(gè)地球

最后，再給大家介紹一個(gè)趣味小知識(shí)。大家平時(shí)可能會(huì)對(duì)車感興趣，不知道是否已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)規(guī)律，有些車的名字也是與風(fēng)有關(guān)的。例如，Polo代表的是極地風(fēng)，像前面講的極地下沉的風(fēng)就叫極地風(fēng)。還有高爾夫（golf），它代表的是大西洋的暖流，是海洋上的一股風(fēng)。

我們發(fā)現(xiàn)還有很多車的名字其實(shí)都與風(fēng)有關(guān)，這是為什么呢？因?yàn)闊o論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，是古代還是現(xiàn)在，是在動(dòng)畫片還是古詩(shī)詞里，風(fēng)始終是我們身邊的一個(gè)現(xiàn)象，我們一直對(duì)它很感興趣。由于還沒有琢磨和研究透徹，所以大家會(huì)用風(fēng)的名字來命名周圍的一些物品。

我對(duì)今天分享的內(nèi)容做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)。今天我們介紹了風(fēng)是由于氣壓不同、溫度差異引發(fā)空氣流動(dòng)而形成的。北京的風(fēng)有固定的特點(diǎn)，是因?yàn)楸本┑谋边呌猩?。此外，風(fēng)有大小和方向，風(fēng)速特別大的是臺(tái)風(fēng)和龍卷，風(fēng)速小的是沙塵和霾。

最后再給大家做一個(gè)廣告宣傳。我們都知道，現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)可以很準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)風(fēng)，但是，我們還在研究能否預(yù)報(bào)地球系統(tǒng)上未來的演變。那么，我們就需要知道大氣的運(yùn)動(dòng)，還有海洋的運(yùn)動(dòng)和生物的運(yùn)動(dòng)。這些需要我們把物理、化學(xué)、生物學(xué)等等這些學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，還有我們未知的、已知的科學(xué)知識(shí)全都用計(jì)算機(jī)模擬的形式實(shí)現(xiàn)。

位于懷柔科學(xué)城的地球模擬系統(tǒng)

我所在的中科院大氣物理研究所就在做這件事情，在懷柔科學(xué)城有一個(gè)地球模擬系統(tǒng)，它有一個(gè)很好聽的名字——“寰”，代表宇宙萬(wàn)物。這也是2019年國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的獲得者曾慶存院士提名的。

預(yù)測(cè)地球系統(tǒng)未來演變

今年下半年，整個(gè)地球系統(tǒng)模擬裝置就要正式投入運(yùn)行。所以，未來我們不但可以預(yù)測(cè)風(fēng)，減少風(fēng)的災(zāi)害，我們還可以預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)整個(gè)地球系統(tǒng)的演變規(guī)律。以上就是我今天的分享，謝謝大家！


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