“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?！?/p>

曹潔

中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員

大家好，我是曹潔，來(lái)自中國科學(xué)院大氣物理研究所，我所從事的主要工作是研究臺風(fēng)、暴雨，以及一系列非常激烈的對流天氣。今天我給大家介紹的是《風(fēng)之彩》。這個(gè)名字來(lái)自于迪士尼的動(dòng)畫(huà)《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(xiě)了一首詩(shī)，名字叫做《風(fēng)》。詩(shī)中寫(xiě)道風(fēng)可以吹落秋天的樹(shù)葉，可以吹開(kāi)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。

已完成：10% //////////

風(fēng)的形成

強風(fēng)造成的海浪（左）和打開(kāi)易拉罐產(chǎn)生風(fēng)（右）

生活中的很多現象都與風(fēng)有關(guān)。大到被強風(fēng)吹起的海浪，風(fēng)把遠海的各種物質(zhì)吹到了海邊。小到我們打開(kāi)易拉罐的時(shí)候會(huì )聽(tīng)到嘣的一聲，其實(shí)是因為罐內大氣壓力特別大，擠在小的氣壓罐里，再打開(kāi)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?？諝馐怯煞浅６鄠€(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(zhù)手待在這個(gè)黃圈里（上圖左）。溫度一旦升高，空氣分子的運動(dòng)越來(lái)越劇烈。在運動(dòng)劇烈的情況下，大家手拉手的距離就會(huì )擴大，對應的是空氣開(kāi)始膨脹（上圖右）。黃圈里的空氣膨脹之后，黃圈內的空氣就變少了。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)

比如赤道地區非常熱，空氣會(huì )膨脹上升，下面低層的空氣就會(huì )擠壓過(guò)來(lái)。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(wú)法待在同一個(gè)地方，在下沉的過(guò)程中它們會(huì )往兩邊走。

如果地球不自轉也不圍繞太陽(yáng)公轉，地球上也沒(méi)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。對應到地面上，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(lái)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的不同導致早晚風(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）

右圖中的陰影區域代表著(zhù)山，北京的北邊是山區。在北京，如果沒(méi)有下雨或者冰雹、閃電的時(shí)候，我們基本上每天聽(tīng)到的天氣預報都是白天北轉南風(fēng)，夜間南轉北風(fēng)。這并不是氣象臺的預報員們在偷懶，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(kāi)始上升。于是，山坡上面就沒(méi)有空氣了，空氣會(huì )從平原地區吹往山坡補充，這對應的就是北京的白天。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(tīng)到天氣預報報道，西伯利亞又來(lái)了一股冷空氣。但剛開(kāi)始我們其實(shí)感覺(jué)不到降溫，反而是升溫。這是因為溫度的變化和風(fēng)的變化有關(guān)。

冷空氣下沉示意圖（左）和氣溫、風(fēng)速監測圖（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?？諝鈴纳巾斖侥_走的過(guò)程中，溫度在一直升高。即使是冷空氣來(lái)臨，它從北京北邊的山坡上吹下來(lái)的時(shí)候，空氣在下降的過(guò)程中溫度也會(huì )升高。所以，在平原地區上的我們會(huì )覺(jué)得冷空氣來(lái)了也會(huì )更熱。但是，在冷空氣來(lái)臨后期，越來(lái)越強的冷空氣一股一股地注入，北京的氣溫會(huì )越來(lái)越低，我們就會(huì )感到越來(lái)越冷。

以后冷空氣來(lái)臨的時(shí)侯，大家可以提前把厚的衣服準備好，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(shuō)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 )做了哪些準備呢？左圖是上一屆韓國冬奧會(huì )的滑雪場(chǎng)地，它是彎彎曲曲的，因為有一些比賽需要彎曲場(chǎng)地的配合。右圖是我們的海陀山場(chǎng)地，中國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(guān)測海陀山場(chǎng)地的風(fēng)。

滑雪場(chǎng)地需達到的氣象條件（左）和工作人員觀(guān)測風(fēng)向（右）

為什么滑雪場(chǎng)地需要專(zhuān)門(mén)的氣象觀(guān)測去觀(guān)測風(fēng)呢？這是因為如果滑雪場(chǎng)地有霧，能見(jiàn)度就會(huì )下降。另外在奧運場(chǎng)館中，1分鐘的平均風(fēng)速不能超過(guò)3米每秒。一旦5分鐘的平均風(fēng)速超過(guò)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(kāi)展比賽，氣象預報員們也會(huì )發(fā)布預報，通知比賽需要延期，有時(shí)候甚至要取消。這是為了保護運動(dòng)員的生命安全，也是為了讓他們能取得更好的比賽成績(jì)。

已完成：30% //////////

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(lái)表示風(fēng)的大小和方向，在天氣預報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(lái)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(cháng)橫線(xiàn)代表4米每秒的風(fēng)，一個(gè)短橫線(xiàn)代表2米每秒的風(fēng)。風(fēng)的大小也是用旗桿上的旗幟對應的數字來(lái)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。大家可能有學(xué)過(guò)風(fēng)力歌，一級青煙隨風(fēng)飄，二級輕風(fēng)吹臉面，也可以吹起了小朋友的裙子……

風(fēng)力的級別和風(fēng)速的大小有一個(gè)乘2的關(guān)系（風(fēng)力等級中的1級風(fēng)，基本對應1-2米每秒的風(fēng)速；2級對應2-4米每秒的風(fēng)，以此類(lèi)推）。我再列舉一些簡(jiǎn)單的例子，方便大家今后在聽(tīng)天氣預報的時(shí)候，明白如何躲避風(fēng)災。

一般來(lái)說(shuō)，四級風(fēng)對應的是路上的塵土被吹起來(lái)，它的速度基本上是學(xué)校門(mén)口車(chē)速的限速。

如果是九、十級風(fēng)，比如前段時(shí)間武漢發(fā)生的非常大的風(fēng)災就是十級風(fēng)，它會(huì )破壞房屋。地鐵開(kāi)起來(lái)的車(chē)速基本上就是九級風(fēng)的速度。

高鐵運行中的速度對應的是每小時(shí)250公里的風(fēng)速，即超強臺風(fēng)。如果我們聽(tīng)到超強臺風(fēng)，大家就可以想象一下高鐵飛馳而過(guò)的感覺(jué)，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，掌握三級以上的風(fēng)在全國分布的數據，甚至包括一帶一路上的主要國家的風(fēng)的大小和方向分布的大數據，我們就可以用風(fēng)力作為發(fā)電資源。下圖是中國氣象局已經(jīng)掌握的四維風(fēng)能的大數據資源。

中國四維風(fēng)能資源大數據

已完成：50% //////////

風(fēng)帶來(lái)的自然災害

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

我國遭受的一些氣象災害

我們國家其實(shí)是世界上遭受氣象災害最嚴重的國家。除了有臺風(fēng)、暴雨，還有龍卷，每年都給我們國家造成了非常多的人員和財產(chǎn)損失。

大風(fēng)預警等級

針對大風(fēng)的避險，我們能做什么？在聽(tīng)天氣預報時(shí)，當大風(fēng)來(lái)臨，我們會(huì )收到大風(fēng)預警。按照風(fēng)力的大小和嚴重程度，可以分成藍色、黃色、橙色和紅色四種預警。一旦聽(tīng)到大風(fēng)預警，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(shù)木。

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

中國天氣網(wǎng)站的預警信息

我們可以在哪里看到這些預警信號呢？除了手機、電視以外，我們也可以在中國天氣網(wǎng)站上看到全國各個(gè)時(shí)刻的各種預警信號，包括大風(fēng)、霜凍、閃電和冰雹。我們聽(tīng)到預警信號的時(shí)候要及時(shí)躲避，保護好自己和周?chē)娜?，這就是對防災減災做出的一份貢獻。

我再給大家介紹幾種風(fēng)力超過(guò)十二級的自然災害現象。

最常見(jiàn)的是臺風(fēng)，雖然在北方地區感受不到臺風(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?chē)目諝饩蜁?huì )來(lái)補充。臺風(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)低氣壓的區域。又由于地球的自轉，周?chē)目諝庠谕虚g補充的過(guò)程中，會(huì )一邊補充，一邊高速旋轉起來(lái)，于是就形成了臺風(fēng)。

臺風(fēng)

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

遭遇臺風(fēng)災害的情形

一般來(lái)說(shuō)，臺風(fēng)登陸我國福建沿海地區的時(shí)候，我們經(jīng)常知道的狀況都是上圖中的情形：車(chē)被吹翻了，樹(shù)木、海浪、房屋都會(huì )被吹走。臺風(fēng)的破壞力非常大。

臺風(fēng)衛星云圖（左）和臺風(fēng)的中心區域晴空萬(wàn)里

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

龍卷風(fēng)

講完了臺風(fēng)，我們再講一講破壞力更大的龍卷風(fēng)。上圖是我在美國的同事們拍攝到的，他們會(huì )在龍卷風(fēng)來(lái)臨之前試圖追蹤它，進(jìn)行拍攝和預報，獲取的經(jīng)驗和觀(guān)測數據會(huì )繼續在下一次的龍卷風(fēng)的預報預測當中使用。

龍卷風(fēng)和臺風(fēng)有一個(gè)很相似的特點(diǎn)，他們都是高速旋轉的自然災害。但是，兩者又有不一樣的地方。最大的區別是時(shí)空范圍的差異。臺風(fēng)持續時(shí)間數天、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(chē)、橋梁卷起來(lái)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，這是因為它的范圍特別小。剛才我們提到，在空間站上我們可以看到臺風(fēng)，但是我們用手機拍照就可以拍到完整的龍卷風(fēng)。

遼寧開(kāi)原龍卷出現的漏斗云

遼寧開(kāi)原龍卷

上圖是2019年7月3日下午5點(diǎn)15分，在我國遼寧省開(kāi)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。它只持續了幾分鐘，這對于預報員來(lái)說(shuō)，就會(huì )非常難預測。但是，在它提前到來(lái)之前，即出現漏斗云之前，我們能夠提前幾小時(shí)預測到會(huì )有大風(fēng)過(guò)來(lái)，所以在那時(shí)候就會(huì )發(fā)布剛才提到的藍色、橙色等大風(fēng)預警信息。如果我們聽(tīng)從這些預警信息及時(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(cháng)，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(méi)有解決的問(wèn)題，也非常希望大家可以用各個(gè)學(xué)科的知識，用數學(xué)、物理的方程，用計算機來(lái)解決這些問(wèn)題。

我再給大家介紹兩個(gè)風(fēng)速沒(méi)有那么大的天氣現象，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)地方空氣非常的穩定，沒(méi)有非常大的風(fēng)吹來(lái)，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，我們國家大風(fēng)的天數越來(lái)越少，對應的沙塵天數其實(shí)也在減少，相應的霾天數在增加。

已完成：90% //////////

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。大家平時(shí)可能會(huì )對車(chē)感興趣，不知道是否已經(jīng)發(fā)現了這個(gè)規律，有些車(chē)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)現還有很多車(chē)的名字其實(shí)都與風(fēng)有關(guān)，這是為什么呢？因為無(wú)論是國內還是國外，是古代還是現在，是在動(dòng)畫(huà)片還是古詩(shī)詞里，風(fēng)始終是我們身邊的一個(gè)現象，我們一直對它很感興趣。由于還沒(méi)有琢磨和研究透徹，所以大家會(huì )用風(fēng)的名字來(lái)命名周?chē)囊恍┪锲贰?/p>

我對今天分享的內容做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結。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)，是因為北京的北邊有山。此外，風(fēng)有大小和方向，風(fēng)速特別大的是臺風(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，現在的天氣預報已經(jīng)可以很準確地預報風(fēng)，但是，我們還在研究能否預報地球系統上未來(lái)的演變。那么，我們就需要知道大氣的運動(dòng)，還有海洋的運動(dòng)和生物的運動(dòng)。這些需要我們把物理、化學(xué)、生物學(xué)等等這些學(xué)科的基礎知識，還有我們未知的、已知的科學(xué)知識全都用計算機模擬的形式實(shí)現。

位于懷柔科學(xué)城的地球模擬系統

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，它有一個(gè)很好聽(tīng)的名字——“寰”，代表宇宙萬(wàn)物。這也是2019年國家最高科學(xué)技術(shù)獎的獲得者曾慶存院士提名的。

預測地球系統未來(lái)演變

今年下半年，整個(gè)地球系統模擬裝置就要正式投入運行。所以，未來(lái)我們不但可以預測風(fēng)，減少風(fēng)的災害，我們還可以預報預測整個(gè)地球系統的演變規律。以上就是我今天的分享，謝謝大家！


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話(huà)框：
回復【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動(dòng)
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀(guān)鳥(niǎo)知識】，學(xué)習觀(guān)鳥(niǎo)相關(guān)科普知識
回復【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情