我们是把飓风变成音乐的科学家

2017 年飓风季期间，北大西洋的强风暴摧毁了休斯顿、佛罗里达、波多黎各和加勒比海周边地区的社区。这些破坏表明，了解和传达这些风暴带来的严重威胁是多么重要。科学家在预测风暴的许多方面取得了巨大进步，但如果处于危险之中的人们不了解他们所处的危险，那么影响就会消失。我们是来自宾夕法尼亚州立大学不同领域的同事：我们其中一位是气象学教授，另一位是音乐技术教授。自 2014 年以来，我们一直合作将热带风暴的动态声音化。换句话说，我们将环境数据转化为音乐。

通过对天气预报中常见的卫星视频进行声音处理，我们希望人们能够更好地了解这些极端风暴是如何演变的。

数据转化为声音

我们大多数人都熟悉数据可视化：图表、图形、地图和动画，它们代表着一系列复杂的数字。声音化是一个新兴领域，它用声音来创建图形。

举一个简单的例子，声音化的图形可能由上升和下降的旋律组成，而不是页面上上升和下降的线条。

与传统数据可视化相比，声音化具有一些优势。其中之一就是可访问性：有视觉或认知障碍的人可能更能适应基于声音的媒体。

声音化也有利于发现。我们的眼睛擅长检测静态属性，如颜色、大小和纹理。但我们的耳朵更善于感知变化和波动的属性。音调或节奏等特性可能会发生非常微妙的变化，但仍很容易被感知到。耳朵也比眼睛更善于同时遵循多种模式，这就是我们在欣赏复杂音乐中相互交织的部分时所做的。

声音的处理速度也比视觉更快，更直观。这就是为什么我们会不由自主地打拍子，跟着喜欢的歌曲一起唱。

把风暴变成歌曲

飓风的持续时间从一天到数周不等。美国国家海洋和大气管理局等机构不断测量风暴的各种特征。

我们将飓风的变化特征提炼为每六小时测量一次的四个特征：气压、纬度、经度和不对称性（衡量风暴中心周围风向的模式）。

为了创建声音效果，我们将这些数据导出到音乐合成程序 SuperCollider 中。在这里，可以根据需要缩放和调换数值，例如，一场持续数天的风暴可以在几分钟或几秒钟内播放出来。

然后，每种类型的数据都被视为乐谱的一部分。数据用于“演奏”合成乐器，这些乐器被设计成发出让人联想到风暴的声音，并完美地融合在一起。

在我们的录音中，气压是通过反映压力变化的旋转风声来传达的。飓风越猛烈，海平面的气压值就越低。在猛烈的风暴中，靠近地面的风也越强。

随着压力降低，我们记录到的声音的旋转速度增加，音量增大，风声也变得更明亮。

风暴中心的经度反映在立体声平移中，即左右扬声器通道之间的声源位置。

纬度反映在旋涡声的音调上，以及更高的脉动声中。当风暴从赤道移向两极时，音调会下降，以反映热带以外地区气温的下降。

越圆的风暴通常越强烈。对称性值反映在低沉、底层声音的亮度上。当风暴呈长方形或椭圆形时，声音更明亮。

使用声音

到目前为止，我们已经对 11 场风暴进行了声音处理，并绘制了自 2005 年以来的全球风暴活动图。

风暴声化技术可能会给那些追踪风暴系统或向公众通报天气活动的人带来好处。例如，声化技术可以通过广播播放。对于手机带宽有限、接收音频内容比接收视频内容更方便的人来说，它们可能也很有用。

即使对于气象学专家来说，通过聆听同时发生的音乐片段，比仅仅依靠图像更容易了解相互关联的风暴动态。例如，虽然风暴的形状通常与气压有关，但有时风暴的形状也会在气压没有变化的情况下发生变化。虽然这种差异在视觉图形中很难看出，但在声音数据中很容易听到。

我们的目标是将各种图形的可听化引入科学课堂，尤其是针对低年级学生的课堂。可听化正在成为一种公认的研究方法，多项研究已证明它能够有效地传达复杂的数据。但其普及速度缓慢。

全国范围内，科学家、教师和学校管理人员都认识到艺术（包括声音和音乐）在科学和数学教学中的重要性。如果一代学生在成长过程中通过更多的感官（视觉、听觉和触觉）体验科学，那么他们可能会发现科学更有吸引力，更不令人生畏。

马克·巴洛拉 (Mark Ba​​llora) 是宾夕法尼亚州立大学音乐技术教授，珍妮·埃文斯 (Jenni Evans) 是气象学教授。本文最初发表于 The Conversation。