“风是空气的流动，是大自然试图将不太均匀的气压变得均匀所做出的一种努力。”

曹洁

中国科学院大气物理研究所副研究员

大家好，我是曹洁，来自中国科学院大气物理研究所，我所从事的主要工作是研究台风、暴雨，以及一系列非常激烈的对流天气。今天我给大家介绍的是《风之彩》。这个名字来自于迪士尼的动画《风中奇缘》的主题曲。

《风中奇缘》的主题曲——《风之彩》

那么，我们的古诗词中是怎么描述风的呢？

唐代诗人李峤的《风》

唐朝的李峤写了一首诗，名字叫做《风》。诗中写道风可以吹落秋天的树叶，可以吹开二月的花朵，可以吹散千层浪，还可以把竹林里面的竹子吹得倾斜。

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风的形成

强风造成的海浪（左）和打开易拉罐产生风（右）

生活中的很多现象都与风有关。大到被强风吹起的海浪，风把远海的各种物质吹到了海边。小到我们打开易拉罐的时候会听到嘣的一声，其实是因为罐内大气压力特别大，挤在小的气压罐里，再打开时于是就产生了风。所以，风是空气的流动。

为什么会产生风呢？风是大自然试图将不太均匀的气压变得均匀所做出的一种努力。

平常温度（左）和温度升高（右）时的空气

那么，什么是气压？气压就是空气的压力。空气是由非常多个小的空气分子组成的。我们可以想象成做游戏的时候，大家手拉着手待在这个黄圈里（上图左）。温度一旦升高，空气分子的运动越来越剧烈。在运动剧烈的情况下，大家手拉手的距离就会扩大，对应的是空气开始膨胀（上图右）。黄圈里的空气膨胀之后，黄圈内的空气就变少了。一旦变少，它的气压就会降低。空气从高气压挤向低气压，外界的空气分子逐渐挤到黄圈里面，这样就形成了风。

理想状态中地球上的风

比如赤道地区非常热，空气会膨胀上升，下面低层的空气就会挤压过来。但在南北两极，空气又非常冷，这些空气分子就会紧紧地抱在一起。于是空气会往下沉，它们无法待在同一个地方，在下沉的过程中它们会往两边走。

如果地球不自转也不围绕太阳公转，地球上也没有海洋和陆地。那么，在地球上风时时刻刻都是从赤道上升，然后到南北两极下沉。对应到地面上，就是风从南北两极吹往赤道。但是，大家都知道每天的风是不一样的，这是为什么呢？其实这和地球上海洋和陆地的差异有关。

那我们来看一下我们的首都北京，它的风有什么特点呢？刚才我们提到海洋和陆地的差别，北京的差异则在于北京地势的不同导致早晚风向发生变化。

北京市日夜风向示意图（左）和北京周边地图（右）

右图中的阴影区域代表着山，北京的北边是山区。在北京，如果没有下雨或者冰雹、闪电的时候，我们基本上每天听到的天气预报都是白天北转南风，夜间南转北风。这并不是气象台的预报员们在偷懒，今天我向大家解释一下北京的风为什么是这样的。

刚才我们提到，空气一旦加热就会上升。白天山坡受热更快，空气就会开始上升。于是，山坡上面就没有空气了，空气会从平原地区吹往山坡补充，这对应的就是北京的白天。白天北京北边的山上非常热，风从南边往北京山区走，这就是偏南风。到了晚上，山上降温更快，温度更低，风就会从山坡上往平原吹。这就导致北京早晚的风向发生了变化。

除此之外，北京的风还有一个特点。有时我们会听到天气预报报道，西伯利亚又来了一股冷空气。但刚开始我们其实感觉不到降温，反而是升温。这是因为温度的变化和风的变化有关。

冷空气下沉示意图（左）和气温、风速监测图（右）

我们都知道爬山的时候，在山坡上会比在山脚下更冷。空气从山顶往山脚走的过程中，温度在一直升高。即使是冷空气来临，它从北京北边的山坡上吹下来的时候，空气在下降的过程中温度也会升高。所以，在平原地区上的我们会觉得冷空气来了也会更热。但是，在冷空气来临后期，越来越强的冷空气一股一股地注入，北京的气温会越来越低，我们就会感到越来越冷。

以后冷空气来临的时侯，大家可以提前把厚的衣服准备好，等上半天再穿上。这就是北京的风的特点。

平昌冬奥会场地（左）和海陀山场地（右）

说到北京，我们就会想到即将举办的冬奥会。我们为冬奥会做了哪些准备呢？左图是上一届韩国冬奥会的滑雪场地，它是弯弯曲曲的，因为有一些比赛需要弯曲场地的配合。右图是我们的海陀山场地，中国气象局和北京城市气象研究院已经在那里加密布网，去观测海陀山场地的风。

滑雪场地需达到的气象条件（左）和工作人员观测风向（右）

为什么滑雪场地需要专门的气象观测去观测风呢？这是因为如果滑雪场地有雾，能见度就会下降。另外在奥运场馆中，1分钟的平均风速不能超过3米每秒。一旦5分钟的平均风速超过了10米每秒，或者气温小于零下18摄氏度……在这些情况下，即使是冬奥会要开展比赛，气象预报员们也会发布预报，通知比赛需要延期，有时候甚至要取消。这是为了保护运动员的生命安全，也是为了让他们能取得更好的比赛成绩。

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风的大小和方向

风是由大小和方向决定的。在气象上，我们用一个旗杆来表示风的大小和方向，在天气预报图上可以看到下图中的旗杆。

风向杆示意图

在旗杆上，用旗子所在的位置代表风的来向，即风的方向，比如图片最上面的旗子就表示北风。旗子上的一个三角形表示20米每秒的风，一个长横线代表4米每秒的风，一个短横线代表2米每秒的风。风的大小也是用旗杆上的旗帜对应的数字来表示。

风力歌

我给大家解释一下风的大小是什么。风的大小是从地面上感受到的空气流动的速度，包括零到十八之间的等级。大家可能有学过风力歌，一级青烟随风飘，二级轻风吹脸面，也可以吹起了小朋友的裙子……

风力的级别和风速的大小有一个乘2的关系（风力等级中的1级风，基本对应1-2米每秒的风速；2级对应2-4米每秒的风，以此类推）。我再列举一些简单的例子，方便大家今后在听天气预报的时候，明白如何躲避风灾。

一般来说，四级风对应的是路上的尘土被吹起来，它的速度基本上是学校门口车速的限速。

如果是九、十级风，比如前段时间武汉发生的非常大的风灾就是十级风，它会破坏房屋。地铁开起来的车速基本上就是九级风的速度。

高铁运行中的速度对应的是每小时250公里的风速，即超强台风。如果我们听到超强台风，大家就可以想象一下高铁飞驰而过的感觉，它的破坏力非常大。

风是一种非常清洁的能源。如果能够合理地利用它，掌握三级以上的风在全国分布的数据，甚至包括一带一路上的主要国家的风的大小和方向分布的大数据，我们就可以用风力作为发电资源。下图是中国气象局已经掌握的四维风能的大数据资源。

中国四维风能资源大数据

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风带来的自然灾害

风力一旦超过了八九级，会造成风灾。我们一般看到风速大于地铁速度的九级风，基本上可以判断会造成风灾。

我国遭受的一些气象灾害

我们国家其实是世界上遭受气象灾害最严重的国家。除了有台风、暴雨，还有龙卷，每年都给我们国家造成了非常多的人员和财产损失。

大风预警等级

针对大风的避险，我们能做什么？在听天气预报时，当大风来临，我们会收到大风预警。按照风力的大小和严重程度，可以分成蓝色、黄色、橙色和红色四种预警。一旦听到大风预警，我们需要做的事情是立刻躲避。如果你在室外，最好躲到没有风的地方，及时逃离广告牌还有树木。

同时，在大风来临时还会有狭管效应。上图中有位同学走过一个长长的宽阔的操场，回到教室楼之前有一个狭长的区域，一旦走到这样的地方，风速会剧烈地增强。所以，一旦收到了大风预警，我们就要躲避这些狭管的地方，也是对我们自己的保护。

中国天气网站的预警信息

我们可以在哪里看到这些预警信号呢？除了手机、电视以外，我们也可以在中国天气网站上看到全国各个时刻的各种预警信号，包括大风、霜冻、闪电和冰雹。我们听到预警信号的时候要及时躲避，保护好自己和周围的人，这就是对防灾减灾做出的一份贡献。

我再给大家介绍几种风力超过十二级的自然灾害现象。

最常见的是台风，虽然在北方地区感受不到台风直接登陆的影响，但是我们是可以经常在新闻上看到的。台风的大小有多大？它是怎么形成的？

我们前面讲风的形成是由于空气受热之后上升，周围的空气就会来补充。台风是在热带海面上形成的，那里的温度非常高，海水会蒸发，形成一个低气压的区域。又由于地球的自转，周围的空气在往中间补充的过程中，会一边补充，一边高速旋转起来，于是就形成了台风。

台风

这是空间站上看到的台风，我们甚至可以看到台风中心的凹陷的形状，说明它的影响范围和整个的高度、深度都特别大。

遭遇台风灾害的情形

一般来说，台风登陆我国福建沿海地区的时候，我们经常知道的状况都是上图中的情形：车被吹翻了，树木、海浪、房屋都会被吹走。台风的破坏力非常大。

台风卫星云图（左）和台风的中心区域晴空万里

但是在台风的中心区域，即凹陷的地方，其实是晴空万里的。所以，在台风里面不仅有暴风骤雨，还有晴朗无云的地方。

龙卷风

讲完了台风，我们再讲一讲破坏力更大的龙卷风。上图是我在美国的同事们拍摄到的，他们会在龙卷风来临之前试图追踪它，进行拍摄和预报，获取的经验和观测数据会继续在下一次的龙卷风的预报预测当中使用。

龙卷风和台风有一个很相似的特点，他们都是高速旋转的自然灾害。但是，两者又有不一样的地方。最大的区别是时空范围的差异。台风持续时间数天、范围近千公里，龙卷风几十分钟、范围几百米。

我们注意到前面所讲的台风的云和风基本上都是白色的，水汽特别足，但是我们看到的龙卷风经常是黄沙漫天的样子。龙卷风会有一个像漏斗一样的云，先接触到地面的时候，它还是白色的。一旦把地面上的灰尘、房屋，甚至汽车、桥梁卷起来的时候，尘埃就被带到了风中，所以风的颜色也就发生了变化。

龙卷风具有非常大的破坏力，这是因为它的范围特别小。刚才我们提到，在空间站上我们可以看到台风，但是我们用手机拍照就可以拍到完整的龙卷风。

辽宁开原龙卷出现的漏斗云

辽宁开原龙卷

上图是2019年7月3日下午5点15分，在我国辽宁省开原市发生的一次龙卷风，这次龙卷风造成了6人死亡，191人受伤。它只持续了几分钟，这对于预报员来说，就会非常难预测。但是，在它提前到来之前，即出现漏斗云之前，我们能够提前几小时预测到会有大风过来，所以在那时候就会发布刚才提到的蓝色、橙色等大风预警信息。如果我们听从这些预警信息及时进行躲避，就能够尽可能少地减少龙卷风的灾害。

双龙卷

我们刚才看到的一直是单个龙卷，如果有两个龙卷，像跳舞一样此消彼长，它的破坏力就更大。它是怎么形成的？它的影响范围有多少？它会往哪个方向移动？我们还有非常多没有解决的问题，也非常希望大家可以用各个学科的知识，用数学、物理的方程，用计算机来解决这些问题。

我再给大家介绍两个风速没有那么大的天气现象，分别是霾和沙尘。霾和沙尘有一个相似的特点，它们会使空气质量变差，这是众所周知的。

霾和沙尘的区别

但是，它们又是不一样的。首先，它们的主要成分不同。霾的主要成分是PM2.5，它的颗粒更小一点儿；沙尘的主要成分是黄沙，它的颗粒更大一点儿。其次，它们出现的气象条件也非常不同。一般有特别大的风的时候才会有沙尘天气，但如果这个地方空气非常的稳定，没有非常大的风吹来，这时形成的基本上是霾。

沙尘天气

所以，在全球变暖的背景下，我们国家大风的天数越来越少，对应的沙尘天数其实也在减少，相应的霾天数在增加。

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从了解风到了解整个地球

最后，再给大家介绍一个趣味小知识。大家平时可能会对车感兴趣，不知道是否已经发现了这个规律，有些车的名字也是与风有关的。例如，Polo代表的是极地风，像前面讲的极地下沉的风就叫极地风。还有高尔夫（golf），它代表的是大西洋的暖流，是海洋上的一股风。

我们发现还有很多车的名字其实都与风有关，这是为什么呢？因为无论是国内还是国外，是古代还是现在，是在动画片还是古诗词里，风始终是我们身边的一个现象，我们一直对它很感兴趣。由于还没有琢磨和研究透彻，所以大家会用风的名字来命名周围的一些物品。

我对今天分享的内容做一个简单的总结。今天我们介绍了风是由于气压不同、温度差异引发空气流动而形成的。北京的风有固定的特点，是因为北京的北边有山。此外，风有大小和方向，风速特别大的是台风和龙卷，风速小的是沙尘和霾。

最后再给大家做一个广告宣传。我们都知道，现在的天气预报已经可以很准确地预报风，但是，我们还在研究能否预报地球系统上未来的演变。那么，我们就需要知道大气的运动，还有海洋的运动和生物的运动。这些需要我们把物理、化学、生物学等等这些学科的基础知识，还有我们未知的、已知的科学知识全都用计算机模拟的形式实现。

位于怀柔科学城的地球模拟系统

我所在的中科院大气物理研究所就在做这件事情，在怀柔科学城有一个地球模拟系统，它有一个很好听的名字——“寰”，代表宇宙万物。这也是2019年国家最高科学技术奖的获得者曾庆存院士提名的。

预测地球系统未来演变

今年下半年，整个地球系统模拟装置就要正式投入运行。所以，未来我们不但可以预测风，减少风的灾害，我们还可以预报预测整个地球系统的演变规律。以上就是我今天的分享，谢谢大家！


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