“風是空氣的流動，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

中國科學院大氣物理研究所副研究員

大家好，我是曹潔，來自中國科學院大氣物理研究所，我所從(cong) 事的主要工作是研究台風、暴雨，以及一係列非常激烈的對流天氣。今天我給大家介紹的是《風之彩》。這個(ge) 名字來自於(yu) 迪士尼的動畫《風中奇緣》的主題曲。

《風中奇緣》的主題曲——《風之彩》

那麽(me) ，我們(men) 的古詩詞中是怎麽(me) 描述風的呢？

唐代詩人李嶠的《風》

唐朝的李嶠寫(xie) 了一首詩，名字叫做《風》。詩中寫(xie) 道風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，還可以把竹林裏麵的竹子吹得傾(qing) 斜。

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風的形成

強風造成的海浪（左）和打開易拉罐產(chan) 生風（右）

生活中的很多現象都與(yu) 風有關(guan) 。大到被強風吹起的海浪，風把遠海的各種物質吹到了海邊。小到我們(men) 打開易拉罐的時候會(hui) 聽到嘣的一聲，其實是因為(wei) 罐內(nei) 大氣壓力特別大，擠在小的氣壓罐裏，再打開時於(yu) 是就產(chan) 生了風。所以，風是空氣的流動。

為(wei) 什麽(me) 會(hui) 產(chan) 生風呢？風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）時的空氣

那麽(me) ，什麽(me) 是氣壓？氣壓就是空氣的壓力。空氣是由非常多個(ge) 小的空氣分子組成的。我們(men) 可以想象成做遊戲的時候，大家手拉著手待在這個(ge) 黃圈裏（上圖左）。溫度一旦升高，空氣分子的運動越來越劇烈。在運動劇烈的情況下，大家手拉手的距離就會(hui) 擴大，對應的是空氣開始膨脹（上圖右）。黃圈裏的空氣膨脹之後，黃圈內(nei) 的空氣就變少了。一旦變少，它的氣壓就會(hui) 降低。空氣從(cong) 高氣壓擠向低氣壓，外界的空氣分子逐漸擠到黃圈裏麵，這樣就形成了風。

理想狀態中地球上的風

比如赤道地區非常熱，空氣會(hui) 膨脹上升，下麵低層的空氣就會(hui) 擠壓過來。但在南北兩(liang) 極，空氣又非常冷，這些空氣分子就會(hui) 緊緊地抱在一起。於(yu) 是空氣會(hui) 往下沉，它們(men) 無法待在同一個(ge) 地方，在下沉的過程中它們(men) 會(hui) 往兩(liang) 邊走。

如果地球不自轉也不圍繞太陽公轉，地球上也沒有海洋和陸地。那麽(me) ，在地球上風時時刻刻都是從(cong) 赤道上升，然後到南北兩(liang) 極下沉。對應到地麵上，就是風從(cong) 南北兩(liang) 極吹往赤道。但是，大家都知道每天的風是不一樣的，這是為(wei) 什麽(me) 呢？其實這和地球上海洋和陸地的差異有關(guan) 。

那我們(men) 來看一下我們(men) 的首都北京，它的風有什麽(me) 特點呢？剛才我們(men) 提到海洋和陸地的差別，北京的差異則在於(yu) 北京地勢的不同導致早晚風向發生變化。

北京市日夜風向示意圖（左）和北京周邊地圖（右）

右圖中的陰影區域代表著山，北京的北邊是山區。在北京，如果沒有下雨或者冰雹、閃電的時候，我們(men) 基本上每天聽到的天氣預報都是白天北轉南風，夜間南轉北風。這並不是氣象台的預報員們(men) 在偷懶，今天我向大家解釋一下北京的風為(wei) 什麽(me) 是這樣的。

剛才我們(men) 提到，空氣一旦加熱就會(hui) 上升。白天山坡受熱更快，空氣就會(hui) 開始上升。於(yu) 是，山坡上麵就沒有空氣了，空氣會(hui) 從(cong) 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，風從(cong) 南邊往北京山區走，這就是偏南風。到了晚上，山上降溫更快，溫度更低，風就會(hui) 從(cong) 山坡上往平原吹。這就導致北京早晚的風向發生了變化。

除此之外，北京的風還有一個(ge) 特點。有時我們(men) 會(hui) 聽到天氣預報報道，西伯利亞(ya) 又來了一股冷空氣。但剛開始我們(men) 其實感覺不到降溫，反而是升溫。這是因為(wei) 溫度的變化和風的變化有關(guan) 。

冷空氣下沉示意圖（左）和氣溫、風速監測圖（右）

我們(men) 都知道爬山的時候，在山坡上會(hui) 比在山腳下更冷。空氣從(cong) 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(lin) ，它從(cong) 北京北邊的山坡上吹下來的時候，空氣在下降的過程中溫度也會(hui) 升高。所以，在平原地區上的我們(men) 會(hui) 覺得冷空氣來了也會(hui) 更熱。但是，在冷空氣來臨(lin) 後期，越來越強的冷空氣一股一股地注入，北京的氣溫會(hui) 越來越低，我們(men) 就會(hui) 感到越來越冷。

以後冷空氣來臨(lin) 的時侯，大家可以提前把厚的衣服準備好，等上半天再穿上。這就是北京的風的特點。

平昌冬奧會(hui) 場地（左）和海陀山場地（右）

說到北京，我們(men) 就會(hui) 想到即將舉(ju) 辦的冬奧會(hui) 。我們(men) 為(wei) 冬奧會(hui) 做了哪些準備呢？左圖是上一屆韓國冬奧會(hui) 的滑雪場地，它是彎彎曲曲的，因為(wei) 有一些比賽需要彎曲場地的配合。右圖是我們(men) 的海陀山場地，中國氣象局和北京城市氣象研究院已經在那裏加密布網，去觀測海陀山場地的風。

滑雪場地需達到的氣象條件（左）和工作人員觀測風向（右）

為(wei) 什麽(me) 滑雪場地需要專(zhuan) 門的氣象觀測去觀測風呢？這是因為(wei) 如果滑雪場地有霧，能見度就會(hui) 下降。另外在奧運場館中，1分鍾的平均風速不能超過3米每秒。一旦5分鍾的平均風速超過了10米每秒，或者氣溫小於(yu) 零下18攝氏度……在這些情況下，即使是冬奧會(hui) 要開展比賽，氣象預報員們(men) 也會(hui) 發布預報，通知比賽需要延期，有時候甚至要取消。這是為(wei) 了保護運動員的生命安全，也是為(wei) 了讓他們(men) 能取得更好的比賽成績。

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風的大小和方向

風是由大小和方向決(jue) 定的。在氣象上，我們(men) 用一個(ge) 旗杆來表示風的大小和方向，在天氣預報圖上可以看到下圖中的旗杆。

風向杆示意圖

在旗杆上，用旗子所在的位置代表風的來向，即風的方向，比如圖片最上麵的旗子就表示北風。旗子上的一個(ge) 三角形表示20米每秒的風，一個(ge) 長橫線代表4米每秒的風，一個(ge) 短橫線代表2米每秒的風。風的大小也是用旗杆上的旗幟對應的數字來表示。

風力歌

我給大家解釋一下風的大小是什麽(me) 。風的大小是從(cong) 地麵上感受到的空氣流動的速度，包括零到十八之間的等級。大家可能有學過風力歌，一級青煙隨風飄，二級輕風吹臉麵，也可以吹起了小朋友的裙子……

風力的級別和風速的大小有一個(ge) 乘2的關(guan) 係（風力等級中的1級風，基本對應1-2米每秒的風速；2級對應2-4米每秒的風，以此類推）。我再列舉(ju) 一些簡單的例子，方便大家今後在聽天氣預報的時候，明白如何躲避風災。

一般來說，四級風對應的是路上的塵土被吹起來，它的速度基本上是學校門口車速的限速。

如果是九、十級風，比如前段時間武漢發生的非常大的風災就是十級風，它會(hui) 破壞房屋。地鐵開起來的車速基本上就是九級風的速度。

高鐵運行中的速度對應的是每小時250公裏的風速，即超強台風。如果我們(men) 聽到超強台風，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，掌握三級以上的風在全國分布的數據，甚至包括一帶一路上的主要國家的風的大小和方向分布的大數據，我們(men) 就可以用風力作為(wei) 發電資源。下圖是中國氣象局已經掌握的四維風能的大數據資源。

中國四維風能資源大數據

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風帶來的自然災害

風力一旦超過了八九級，會(hui) 造成風災。我們(men) 一般看到風速大於(yu) 地鐵速度的九級風，基本上可以判斷會(hui) 造成風災。

我國遭受的一些氣象災害

我們(men) 國家其實是世界上遭受氣象災害最嚴(yan) 重的國家。除了有台風、暴雨，還有龍卷，每年都給我們(men) 國家造成了非常多的人員和財產(chan) 損失。

大風預警等級

針對大風的避險，我們(men) 能做什麽(me) ？在聽天氣預報時，當大風來臨(lin) ，我們(men) 會(hui) 收到大風預警。按照風力的大小和嚴(yan) 重程度，可以分成藍色、黃色、橙色和紅色四種預警。一旦聽到大風預警，我們(men) 需要做的事情是立刻躲避。如果你在室外，最好躲到沒有風的地方，及時逃離廣告牌還有樹木。

同時，在大風來臨(lin) 時還會(hui) 有狹管效應。上圖中有位同學走過一個(ge) 長長的寬闊的操場，回到教室樓之前有一個(ge) 狹長的區域，一旦走到這樣的地方，風速會(hui) 劇烈地增強。所以，一旦收到了大風預警，我們(men) 就要躲避這些狹管的地方，也是對我們(men) 自己的保護。

中國天氣網站的預警信息

我們(men) 可以在哪裏看到這些預警信號呢？除了手機、電視以外，我們(men) 也可以在中國天氣網站上看到全國各個(ge) 時刻的各種預警信號，包括大風、霜凍、閃電和冰雹。我們(men) 聽到預警信號的時候要及時躲避，保護好自己和周圍的人，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力超過十二級的自然災害現象。

最常見的是台風，雖然在北方地區感受不到台風直接登陸的影響，但是我們(men) 是可以經常在新聞上看到的。台風的大小有多大？它是怎麽(me) 形成的？

我們(men) 前麵講風的形成是由於(yu) 空氣受熱之後上升，周圍的空氣就會(hui) 來補充。台風是在熱帶海麵上形成的，那裏的溫度非常高，海水會(hui) 蒸發，形成一個(ge) 低氣壓的區域。又由於(yu) 地球的自轉，周圍的空氣在往中間補充的過程中，會(hui) 一邊補充，一邊高速旋轉起來，於(yu) 是就形成了台風。

台風

這是空間站上看到的台風，我們(men) 甚至可以看到台風中心的凹陷的形狀，說明它的影響範圍和整個(ge) 的高度、深度都特別大。

遭遇台風災害的情形

一般來說，台風登陸我國福建沿海地區的時候，我們(men) 經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(hui) 被吹走。台風的破壞力非常大。

台風衛星雲(yun) 圖（左）和台風的中心區域晴空萬(wan) 裏

但是在台風的中心區域，即凹陷的地方，其實是晴空萬(wan) 裏的。所以，在台風裏麵不僅(jin) 有暴風驟雨，還有晴朗無雲(yun) 的地方。

龍卷風

講完了台風，我們(men) 再講一講破壞力更大的龍卷風。上圖是我在美國的同事們(men) 拍攝到的，他們(men) 會(hui) 在龍卷風來臨(lin) 之前試圖追蹤它，進行拍攝和預報，獲取的經驗和觀測數據會(hui) 繼續在下一次的龍卷風的預報預測當中使用。

龍卷風和台風有一個(ge) 很相似的特點，他們(men) 都是高速旋轉的自然災害。但是，兩(liang) 者又有不一樣的地方。最大的區別是時空範圍的差異。台風持續時間數天、範圍近千公裏，龍卷風幾十分鍾、範圍幾百米。

我們(men) 注意到前麵所講的台風的雲(yun) 和風基本上都是白色的，水汽特別足，但是我們(men) 看到的龍卷風經常是黃沙漫天的樣子。龍卷風會(hui) 有一個(ge) 像漏鬥一樣的雲(yun) ，先接觸到地麵的時候，它還是白色的。一旦把地麵上的灰塵、房屋，甚至汽車、橋梁卷起來的時候，塵埃就被帶到了風中，所以風的顏色也就發生了變化。

龍卷風具有非常大的破壞力，這是因為(wei) 它的範圍特別小。剛才我們(men) 提到，在空間站上我們(men) 可以看到台風，但是我們(men) 用手機拍照就可以拍到完整的龍卷風。

遼寧開原龍卷出現的漏鬥雲(yun)

遼寧開原龍卷

上圖是2019年7月3日下午5點15分，在我國遼寧省開原市發生的一次龍卷風，這次龍卷風造成了6人死亡，191人受傷(shang) 。它隻持續了幾分鍾，這對於(yu) 預報員來說，就會(hui) 非常難預測。但是，在它提前到來之前，即出現漏鬥雲(yun) 之前，我們(men) 能夠提前幾小時預測到會(hui) 有大風過來，所以在那時候就會(hui) 發布剛才提到的藍色、橙色等大風預警信息。如果我們(men) 聽從(cong) 這些預警信息及時進行躲避，就能夠盡可能少地減少龍卷風的災害。

雙龍卷

我們(men) 剛才看到的一直是單個(ge) 龍卷，如果有兩(liang) 個(ge) 龍卷，像跳舞一樣此消彼長，它的破壞力就更大。它是怎麽(me) 形成的？它的影響範圍有多少？它會(hui) 往哪個(ge) 方向移動？我們(men) 還有非常多沒有解決(jue) 的問題，也非常希望大家可以用各個(ge) 學科的星空体育官网入口网站，用數學、物理的方程，用計算機來解決(jue) 這些問題。

我再給大家介紹兩(liang) 個(ge) 風速沒有那麽(me) 大的天氣現象，分別是霾和沙塵。霾和沙塵有一個(ge) 相似的特點，它們(men) 會(hui) 使空氣質量變差，這是眾(zhong) 所周知的。

霾和沙塵的區別

但是，它們(men) 又是不一樣的。首先，它們(men) 的主要成分不同。霾的主要成分是PM2.5，它的顆粒更小一點兒(er) ；沙塵的主要成分是黃沙，它的顆粒更大一點兒(er) 。其次，它們(men) 出現的氣象條件也非常不同。一般有特別大的風的時候才會(hui) 有沙塵天氣，但如果這個(ge) 地方空氣非常的穩定，沒有非常大的風吹來，這時形成的基本上是霾。

沙塵天氣

所以，在全球變暖的背景下，我們(men) 國家大風的天數越來越少，對應的沙塵天數其實也在減少，相應的霾天數在增加。

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從(cong) 了解風到了解整個(ge) 地球

最後，再給大家介紹一個(ge) 趣味小星空体育官网入口网站。大家平時可能會(hui) 對車感興(xing) 趣，不知道是否已經發現了這個(ge) 規律，有些車的名字也是與(yu) 風有關(guan) 的。例如，Polo代表的是極地風，像前麵講的極地下沉的風就叫極地風。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。

我們(men) 發現還有很多車的名字其實都與(yu) 風有關(guan) ，這是為(wei) 什麽(me) 呢？因為(wei) 無論是國內(nei) 還是國外，是古代還是現在，是在動畫片還是古詩詞裏，風始終是我們(men) 身邊的一個(ge) 現象，我們(men) 一直對它很感興(xing) 趣。由於(yu) 還沒有琢磨和研究透徹，所以大家會(hui) 用風的名字來命名周圍的一些物品。

我對今天分享的內(nei) 容做一個(ge) 簡單的總結。今天我們(men) 介紹了風是由於(yu) 氣壓不同、溫度差異引發空氣流動而形成的。北京的風有固定的特點，是因為(wei) 北京的北邊有山。此外，風有大小和方向，風速特別大的是台風和龍卷，風速小的是沙塵和霾。

最後再給大家做一個(ge) 廣告宣傳(chuan) 。我們(men) 都知道，現在的天氣預報已經可以很準確地預報風，但是，我們(men) 還在研究能否預報地球係統上未來的演變。那麽(me) ，我們(men) 就需要知道大氣的運動，還有海洋的運動和生物的運動。這些需要我們(men) 把物理、化學、生物學等等這些學科的基礎星空体育官网入口网站，還有我們(men) 未知的、已知的科學星空体育官网入口网站全都用計算機模擬的形式實現。

位於(yu) 懷柔科學城的地球模擬係統

我所在的中科院大氣物理研究所就在做這件事情，在懷柔科學城有一個(ge) 地球模擬係統，它有一個(ge) 很好聽的名字——“寰”，代表宇宙萬(wan) 物。這也是2019年國家最高科學技術獎的獲得者曾慶存院士提名的。

預測地球係統未來演變

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


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