挪威學(xué)派氣象學(xué)家的研究工作和生平：J.皮葉克尼斯、H.索爾伯格和T.貝吉龍

葉鑫欣焦艷傅剛

（1 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系，氣候與海氣實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；

2 國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，青島 266061；3 中國(guó)海洋大學(xué)海洋氣象系，青島 266100）

挪威學(xué)派氣象學(xué)家的研究工作和生平：J.皮葉克尼斯、H.索爾伯格和T.貝吉龍

葉鑫欣1焦艷2傅剛3

（1 北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系，氣候與海氣實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；

2 國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，青島 266061；3 中國(guó)海洋大學(xué)海洋氣象系，青島 266100）

氣象學(xué)的挪威學(xué)派（Norwegian School，又稱卑爾根學(xué)派（Bergen School of Meteorology））由挪威氣象學(xué)家V.皮葉克尼斯（Vilhelm Bjerknes）創(chuàng)立，在20世紀(jì)大氣科學(xué)發(fā)展中貢獻(xiàn)卓著，他們創(chuàng)立的極鋒理論和鋒面氣旋模型對(duì)現(xiàn)代氣象學(xué)影響深遠(yuǎn)。本文以挪威學(xué)派為線索，系統(tǒng)介紹了該學(xué)派的創(chuàng)立始末、發(fā)展歷程和主要學(xué)術(shù)成就，分別對(duì)挪威學(xué)派三位重要?dú)庀髮W(xué)家J.皮葉克尼斯（Jacob Bjerknes）、H.索爾伯格（Halvor Solberg）及T.貝吉龍（Tor Bergeron）的生平經(jīng)歷、研究工作和重要研究成果的形成過(guò)程進(jìn)行了回顧，包括鋒面氣旋模型和極鋒理論、索爾伯格的慣性波研究、貝吉龍冷云降水過(guò)程等，并對(duì)其貢獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)。

挪威學(xué)派，天氣學(xué)，降水物理學(xué)

1 引言

大氣科學(xué)的發(fā)展與人類社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求密不可分。自人類文明開(kāi)始至16世紀(jì)，人們通過(guò)觀察和記錄積累了豐富的氣象經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。中國(guó)古代關(guān)于氣象經(jīng)驗(yàn)的記載主要包括大氣光象、云霧降水、風(fēng)雷溫濕、物候氣候和天氣諺語(yǔ)等，可以追溯到中國(guó)公元前14世紀(jì)的殷代[1]。在古希臘、古埃及和古巴比倫，對(duì)大氣現(xiàn)象的探究同樣歷史久遠(yuǎn)[2]，例如，古希臘阿那克西曼德（公元前610—前546年）在一篇關(guān)于自然哲學(xué)的文章中提出“風(fēng)是空氣的流動(dòng)”；亞里士多德所著的《氣象》（De Meteorologica，公元前340年）[3]是最早的氣象學(xué)專著，并被認(rèn)為是氣象學(xué)成為一門獨(dú)立科學(xué)的開(kāi)端[2]。大氣科學(xué)的飛躍發(fā)展，得益于近幾百年間物理、數(shù)學(xué)方法和觀測(cè)手段的進(jìn)步。14—17世紀(jì)航海事業(yè)的興起、天文學(xué)和物理學(xué)的突破性進(jìn)展，以及氣象要素測(cè)量?jī)x器的陸續(xù)發(fā)明、氣象觀測(cè)站網(wǎng)的逐步建立，成為

人們定量描述大氣現(xiàn)象、研究大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)。從19世紀(jì)20年代第一張?zhí)鞖鈭D的出現(xiàn)，直至20世紀(jì)40年代末，大氣科學(xué)的主要分支學(xué)科：天氣學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)、氣候?qū)W以及云和降水物理學(xué)等相繼形成[1]。

誕生于1917年的挪威氣象學(xué)派（或稱卑爾根學(xué)派），在天氣學(xué)理論及現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)實(shí)踐方面均貢獻(xiàn)卓著。由挪威氣象學(xué)家V.皮葉克尼斯（Vilhelm Bjerknes）創(chuàng)立并領(lǐng)導(dǎo)的這支團(tuán)隊(duì)，吸納并培養(yǎng)了 J.皮葉克尼斯（Jacob Bjerknes）、T.貝吉龍（Tor Bergeron）、H.索爾伯格（Halvor Solberg）、C.G. 羅斯貝（Carl-Gustav Rossby）等著名氣象學(xué)家，他們提出的極鋒理論、氣團(tuán)學(xué)說(shuō)及鋒面氣旋模型成為天氣分析的基礎(chǔ)。隨著挪威學(xué)派理論和方法的傳播，氣象學(xué)逐漸成為一門獨(dú)立學(xué)科并蓬勃發(fā)展。不僅如此，V.皮葉克尼斯和他的門生們?cè)诟髯缘膶W(xué)術(shù)領(lǐng)域中亦有獨(dú)到建樹(shù)，例如1904年V.皮葉克尼斯就已提出用流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程描述大氣運(yùn)動(dòng)的構(gòu)想，成為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)端[4]，并提出大氣環(huán)流圖像[5]；羅斯貝在美國(guó)創(chuàng)立芝加哥學(xué)派（Chicago School），門生包括Stommel、Charney等，師徒一起為物理海洋學(xué)、現(xiàn)代氣象學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。V.皮葉克尼斯環(huán)流定理、羅斯貝大氣長(zhǎng)波理論、貝吉龍的冷云降水理論、ENSO理論等都出自挪威學(xué)派氣象學(xué)家。

在近現(xiàn)代大氣科學(xué)的發(fā)展歷程中，卑爾根氣象學(xué)派無(wú)疑發(fā)揮了重要作用[6-8]。賈朋群[9]總結(jié)了20世紀(jì)初歐洲和美國(guó)的氣象事業(yè)和教育發(fā)展，對(duì)V.皮葉克尼斯創(chuàng)立挪威學(xué)派的情況和團(tuán)隊(duì)研究成果做了簡(jiǎn)要論述；Namias[10]介紹了挪威學(xué)派對(duì)天氣學(xué)在美國(guó)發(fā)展的早期影響；Friedman[11]評(píng)述了挪威學(xué)派的主要成就。挪威學(xué)派氣象學(xué)家的生平歷程和研究工作也引起前人的關(guān)注，例如Devik等[12]、Eliassen[13]為V.皮葉克尼斯撰寫(xiě)了傳記，并簡(jiǎn)述了他所培養(yǎng)的幾位學(xué)生在卑爾根時(shí)的學(xué)習(xí)和研究情況；Wurtele[14]整理出版了J.皮葉克尼斯的完整著作；Eliassen[15]介紹了J.皮葉克尼斯的研究經(jīng)歷；Fiolek[16]對(duì)皮葉克尼斯父子的生平經(jīng)歷和貢獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)。Weickmann[17]、Liljequist[18]、Schultz和Friedman[19]為貝吉龍撰寫(xiě)了傳記，Jewell[20]主要介紹了他在卑爾根時(shí)期的生活，并詳細(xì)介紹了挪威學(xué)派發(fā)展初期情況；Schwerdtfeger[21]簡(jiǎn)述了貝吉龍?jiān)谔鞖鈱W(xué)分析方面的貢獻(xiàn)。

本文結(jié)合前人對(duì)挪威學(xué)派氣象學(xué)家所作記述和有關(guān)學(xué)術(shù)著作，總結(jié)挪威學(xué)派的發(fā)展歷程，著重回顧J.皮葉克尼斯、索爾伯格和貝吉龍三位氣象學(xué)家的生平經(jīng)歷和學(xué)術(shù)研究工作。作者希望科學(xué)先驅(qū)者們獨(dú)到的學(xué)術(shù)思想和研究經(jīng)歷能夠?yàn)榇髿饧昂Ｑ罂茖W(xué)的學(xué)習(xí)和研究者帶來(lái)一定的啟發(fā)和示范。

2 挪威學(xué)派簡(jiǎn)介

挪威學(xué)派創(chuàng)立于1917年，其創(chuàng)始人和領(lǐng)導(dǎo)者V.皮葉克尼斯（Vilhelm Friman Koren Bjerknes，1862年3月14日—1951年4月9日，圖1）是現(xiàn)代天氣學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)和天氣預(yù)報(bào)的奠基人之一[16]。他出生于挪威克里斯蒂安尼亞（1624—1925年奧斯陸的舊稱），父親C. A.皮葉克尼斯（Carl Anton Bjerknes，1825—1903年）是克里斯蒂安尼亞大學(xué)數(shù)學(xué)系教授。1888年，V.皮葉克尼斯在獲得碩士學(xué)位后留學(xué)德國(guó)波恩大學(xué)，擔(dān)任物理學(xué)家赫茲（Heinrich Hertz）的助手；1892年他獲得波恩大學(xué)博士學(xué)位，并被聘任為斯德哥爾摩大學(xué)力學(xué)和數(shù)學(xué)物理學(xué)教授，之后在奧斯陸大學(xué)（1907—1912年）、萊比錫大學(xué)（1912—1917年）工作。

一戰(zhàn)爆發(fā)后，戰(zhàn)爭(zhēng)局勢(shì)使德國(guó)的科研環(huán)境大不如前。V.皮葉克尼斯于1917年回到挪威，應(yīng)海洋學(xué)家Hansen②Bjorn Helland-Hansen（1877—1957年），挪威近代海洋學(xué)家，他對(duì)海洋的物理結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，是將海洋學(xué)從以描述性為主的科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕锢砘瘜W(xué)原理為基礎(chǔ)的科學(xué)的先驅(qū)。的邀請(qǐng)到卑爾根大學(xué)（當(dāng)時(shí)稱為卑爾根博物館）地球物理研究所主持氣象學(xué)科，這就是挪威學(xué)派的雛形。當(dāng)時(shí)跟隨他的只有他的兒子J.皮葉克尼斯（Jacob Bjerknes，1897—1975年）和學(xué)生H.索爾伯格（1895—1974年）?；谲娛職庀蠛娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，他們將研究重點(diǎn)放在天氣預(yù)報(bào)上，順利獲得政府資助，從而在挪威境內(nèi)布設(shè)了完善的觀測(cè)站網(wǎng)。1918年11月，J.皮葉克尼斯和索爾伯格在搜集觀測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)程中結(jié)識(shí)了四名瑞典學(xué)生③當(dāng)時(shí)挪威科研人員薪酬較高，由于氣象學(xué)作為一門科學(xué)尚未被廣泛接受，很少人會(huì)選擇從事該領(lǐng)域，但在瑞典的情況恰恰相反，故他們選擇到瑞典招募有氣象方面興趣的青年才俊。，其中包括T.貝吉龍（1891—1977年）和C. G. 羅斯貝（1898—1957年），他們隨即投入V.皮葉克尼斯門下，挪威學(xué)派初見(jiàn)雛形。V.皮葉克尼斯曾在給友人的信中寫(xiě)到：

圖1 V.皮葉克尼斯（1862—1951年）①參見(jiàn)http://www.history.noaa.gov/stories_tales/bjerknes.html。

“To work on the material which Jack and Solberg have collected from the three Scandinavian countries fi ve young men will now gather here during the coming year. I have every reason to believe that several of them are talented - one of them, Bergeron, you know already. So we shall have a living scientif i c milieu here too.”

除了上述幾位主要科學(xué)家，V.皮葉克尼斯在卑爾根期間也培養(yǎng)了眾多氣象人才。多年之后（1926年）他回到母校奧斯陸大學(xué)擔(dān)任應(yīng)用力學(xué)和數(shù)學(xué)物理學(xué)教授，繼續(xù)從事教學(xué)工作。1946年卑爾根博物館更名為卑爾根大學(xué)（The University of Bergen），如今已成為挪威第二大綜合性大學(xué)。由卑爾根大學(xué)和南森海洋研究所等機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立的皮葉克尼斯氣候研究所（The Bjerknes Centre for Climate Research，BCCR）是北歐最大的氣候研究中心和歐洲大氣科學(xué)研究的核心機(jī)構(gòu)之一①參見(jiàn)http://www.uib.no/bjerknes/en和http://www.bjerknes.uib.no/ 。。

在挪威學(xué)派的主要科學(xué)家中，V.皮葉克尼斯和索爾伯格較為側(cè)重理論研究，J.皮葉克尼斯和貝吉龍則側(cè)重于天氣學(xué)分析（圖2）。他們建立的鋒面氣旋模型[22-23]是中緯度天氣尺度氣旋發(fā)展和演變的重要概念模型，索爾伯格提出極鋒、氣旋族的概念，以及極鋒波動(dòng)發(fā)展為氣旋的過(guò)程，完善了整個(gè)理論；貝吉龍?zhí)岢鰵庑d囚理論，使鋒面氣旋的生命史更加完整[13]。20世紀(jì)20年代，氣團(tuán)、極鋒學(xué)說(shuō)、鋒面氣旋模型被稱為“極鋒氣象學(xué)”。鋒面氣旋和極鋒學(xué)說(shuō)是卑爾根大學(xué)氣象系得名“學(xué)派”的主要原因之一。與此同時(shí)他們的學(xué)術(shù)著作極大促進(jìn)了氣象學(xué)的發(fā)展[24-25]，其中以Physikalische Hydrodynamik（《物理和流體力學(xué)》）[26]一書(shū)最為突出。

3 J.皮葉克尼斯的生平和研究工作

J.皮葉克尼斯（Jacob Aall Bonnevie Bjerknes，1897年11月2日—1975年7月7日，圖3） 是挪威學(xué)派的學(xué)術(shù)繁榮時(shí)期的代表人物，在鋒面氣旋模型的建立方面有重要貢獻(xiàn)。J.皮葉克尼斯出生于瑞典斯德哥爾摩，1907年跟隨父親V.皮葉克尼斯前往挪威，并在克里斯蒂安尼亞大學(xué)和奧斯陸大學(xué)學(xué)習(xí)，在此期間對(duì)流體力學(xué)理論應(yīng)用于大氣運(yùn)動(dòng)和天氣預(yù)報(bào)問(wèn)題產(chǎn)生興趣。1914—1917年他曾專心幫助父親在萊比錫和卑爾根的研究工作[15]，協(xié)助了氣象觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)，這也是挪威學(xué)派創(chuàng)立過(guò)程中的重要一環(huán)。J.皮葉克尼斯在1918年夏季加入了由V.皮葉克尼斯和T.海塞爾伯格（T. Hesselberg）主持實(shí)施的挪威天氣預(yù)報(bào)項(xiàng)目，保障了各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)，J.皮葉克尼斯和索爾伯格分別負(fù)責(zé)卑爾根、克里斯蒂安尼亞兩座城市的天氣預(yù)報(bào)工作。

1924年J.皮葉克尼斯獲得奧斯陸大學(xué)博士學(xué)位。1931年他受聘于卑爾根博物館的氣象系，在鋒面氣旋方面的研究得到了國(guó)際氣象界的廣泛關(guān)注[13]。1939年7月，他攜家人在美國(guó)進(jìn)行為期八個(gè)月的學(xué)術(shù)交流，其中包括加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（The University of California，Los Angeles，簡(jiǎn)稱UCLA）物理系的氣象學(xué)和天氣預(yù)報(bào)研究室。1939年9月第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后挪威遭受德國(guó)入侵，鑒于戰(zhàn)事，J.皮葉克尼斯在羅斯貝的推薦下到UCLA工作，并定居美國(guó)。1940年，J.皮葉克尼斯成為UCLA的氣象學(xué)教授并主管氣象學(xué)事務(wù)，UCLA氣象系在他的推動(dòng)下于1945年正式成立②美國(guó)第四個(gè)開(kāi)設(shè)的大學(xué)氣象系，前三個(gè)為羅斯貝最早創(chuàng)建的麻省理工學(xué)院（MIT）氣象系、加州理工學(xué)院和紐約大學(xué)氣象系。。1946年J.皮葉克尼斯加入美國(guó)國(guó)籍。

二戰(zhàn)結(jié)束后，J.皮葉克尼斯著重對(duì)平均大氣環(huán)流進(jìn)行了研究。20世紀(jì)50年代末，他投入到大西洋和熱帶太平洋海氣相互作用領(lǐng)域，這方面內(nèi)容在文獻(xiàn)[27]中已有總結(jié)。J.皮葉克尼斯活躍在大氣科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)55年之久，曾先后獲得美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)（AGU）威廉鮑伊獎(jiǎng)，美國(guó)氣象學(xué)會(huì)羅斯貝獎(jiǎng)（1960）、國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)（1966）等。在挪威學(xué)派發(fā)展期間，J.皮葉克尼

斯的主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)包括鋒面氣旋模型、鋒面氣旋結(jié)構(gòu)分析等，后期延伸到大氣波動(dòng)等問(wèn)題，下面將分別介紹。

圖2 挪威學(xué)派工作和生活地點(diǎn)卑爾根市大街33號(hào)冬景[20]

圖3 J.皮葉克尼斯（1897—1975年）[16,20]

3.1 鋒面氣旋模型

在卑爾根工作期間，J.皮葉克尼斯主要關(guān)注大氣運(yùn)動(dòng)的理論研究。在1918年2月剛剛開(kāi)始天氣預(yù)報(bào)工作時(shí)，V.皮葉克尼斯就希望從天氣圖資料的分析中得出理論解釋，從而提高預(yù)報(bào)水平。豐富的數(shù)據(jù)和持續(xù)的日常分析，為鋒面氣旋模型的提出和修正奠定了基礎(chǔ)。盡管當(dāng)時(shí)信息共享程度不高，法國(guó)、英國(guó)及大西洋洋面上的觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法利用，J.皮葉克尼斯仍觀察到他曾在萊比錫研究過(guò)的輻合線[13]，定義出大氣波動(dòng)發(fā)展過(guò)程中的兩類主要結(jié)構(gòu)，并將其稱為“轉(zhuǎn)向線”（steering-line）和“颮線”（squall-line），指出它們可能與高低壓系統(tǒng)形成，以及極地和熱帶的空氣交換有關(guān)[22]，也就是后來(lái)的“暖鋒”和“冷鋒”[28]。

經(jīng)過(guò)數(shù)月對(duì)歐洲區(qū)域天氣圖的分析，J.皮葉克尼斯在《移動(dòng)性氣旋的結(jié)構(gòu)》[22]一文中提出了對(duì)鋒面氣旋結(jié)構(gòu)的革命性認(rèn)識(shí)。文章分析了氣旋模型的典型流場(chǎng)和“轉(zhuǎn)向線”、“颮線”空間界面（圖4），包含氣旋區(qū)云系和降水區(qū)分布特征（圖5）。暖空氣沿傾斜的鋒面抬升并產(chǎn)生云帶和降水區(qū)、冷空氣下沉并沿地面擴(kuò)散，位能由于垂直運(yùn)動(dòng)而減小，這不僅可以解釋氣旋形成時(shí)的動(dòng)能來(lái)源（與Margules 1903年發(fā)表的理論具有一致性），還能夠說(shuō)明氣旋為什么總生成于大氣不連續(xù)面附近及其移動(dòng)路徑規(guī)律。文中還提到，氣旋中的冷鋒可以作為新氣旋的暖鋒進(jìn)而形成“氣旋串”，成為近極地和熱帶空氣的交換媒介。概念模型中最重要的要素“轉(zhuǎn)向線”和“颮線”在1919年末被更名為“暖鋒”和“冷鋒”，因?yàn)橄嗫购獾膬蓚€(gè)氣團(tuán)與一戰(zhàn)兩軍交鋒的情形十分相似。Gold[29]稱該文章為“天氣學(xué)文獻(xiàn)中最引人注目的作品”（the most remarkable eight pages in the literature of synoptic meteorology），貝吉龍也曾在一封給瑞典友人的信中曾稱贊道：

“The facts of the matter are that last autumn (in 1918) the institute here took up the problem of local showers with the result that it has been possible to penetrate some of their secrets, something which previously had def i ed the wits of meteorologists. It turns out that when one properly divides up the problem also these occurrences follow the laws of nature. The honor for this belongs to the young Bjerknes①引自貝吉龍1919年7月20日寄給Gunnar Rising的信。.”

1919—1922年，J.皮葉克尼斯、索爾伯格及貝吉龍逐漸掌握了更多觀測(cè)事實(shí)，并針對(duì)鋒面氣旋模型及其垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門研究，進(jìn)一步揭示了對(duì)流層低層大氣不連續(xù)面（鋒面）結(jié)構(gòu)和氣旋形成過(guò)程。J.皮葉克尼斯和索爾伯格[28]論述了降水形成條件，根據(jù)斯堪的納維亞半島的降水資料指出空氣上升冷卻凝結(jié)是形成降水的關(guān)鍵因素，而能夠成雨的上升區(qū)多出現(xiàn)在地面氣流輻合帶、切變線附近且通常出現(xiàn)在冷暖空氣交匯處，“冷鋒”和“暖鋒”的定義首次明確出現(xiàn)。文中共討論了四類降水及成因，包括與氣旋有關(guān)

的鋒面降水、地面輻射增溫造成的不穩(wěn)定降水、低層空氣接觸冷的下墊面降溫導(dǎo)致的“霧狀雨”或“毛毛雨”，以及山地上升氣流導(dǎo)致的地形降水，并結(jié)合鋒面氣旋云系和降水特征建立了理想氣旋模型（圖6）。

圖4 移動(dòng)性氣旋的流線分布[22]

圖5 J.皮葉克尼斯的首個(gè)氣旋模型，包括流線、云系、降水和垂直剖面[22]

根據(jù)天氣圖分析，索爾伯格確定了“極鋒”和鋒上波動(dòng)結(jié)構(gòu)的存在并觀察到“氣旋族”的蹤跡，貝吉龍則發(fā)現(xiàn)了氣旋發(fā)展的另一過(guò)程，即由他命名的“錮囚”過(guò)程，這部分會(huì)在后文詳細(xì)涉及。盡管如此，氣旋發(fā)展各階段的主要特征在J.皮葉克尼斯1919年的文章[22]中都已提到。至此，挪威學(xué)派完整提出了四維鋒面氣旋模型[23]，即以溫帶移動(dòng)性氣旋理想模型（圖6）為基礎(chǔ)，包含初生、發(fā)展、錮囚各階段生命周期（圖7）。他們認(rèn)為，氣旋形成的關(guān)鍵是冷暖氣團(tuán)同時(shí)存在并維持性質(zhì)差異，暖空氣被冷空氣抬升并在地轉(zhuǎn)作用下導(dǎo)致氣旋形成，冷空氣逐漸占據(jù)渦旋系統(tǒng)，當(dāng)其變?yōu)槔湫詼u旋時(shí)能量迅速消耗，氣旋填塞消亡。由于歐洲大陸所見(jiàn)的氣旋大多處于北大西洋氣旋的錮囚階段，故從統(tǒng)計(jì)上看，氣旋通常具有冷中心且結(jié)構(gòu)較為對(duì)稱，但考察氣旋的發(fā)展階段不難發(fā)現(xiàn)其不對(duì)稱性。他們提到極地氣團(tuán)和熱帶氣團(tuán)的概念[23]，指出極地空氣與熱帶空氣之間存在“極鋒”。近極地氣流左側(cè)和鄰近的熱帶氣流之間存在“氣旋族”（圖8），即以氣旋路徑和發(fā)展周期劃分的“氣旋族”。統(tǒng)計(jì)得出的歐洲氣旋族周期大約為5.5天，與Defant[30]得到的降水周期相似。整個(gè)中緯度繞極波狀環(huán)流圈上通常存在約4個(gè)氣旋族以及中間4個(gè)反氣旋（圖9），說(shuō)明地球自轉(zhuǎn)在環(huán)流圈形成中起作用，而Defant認(rèn)為繞極環(huán)流是中緯度海陸熱力性質(zhì)不同造成的。事實(shí)上兩方面因素都存在作用。不足的是，J.皮葉克尼斯和索爾伯格這些細(xì)致的概念圖大部分僅基于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的概念化，缺乏具有一定說(shuō)服力的實(shí)際天氣個(gè)例，氣旋的垂直結(jié)構(gòu)是從理論推測(cè)所得。同時(shí)，該文章在撰寫(xiě)時(shí)忽視了對(duì)前人工作的探討，特別是奧地利維也納學(xué)派氣象學(xué)家的工作[21]。盡管如此，鋒面氣旋和極鋒學(xué)說(shuō)仍成為他們的經(jīng)典理論，挪威學(xué)派在天氣學(xué)方面研究成果的開(kāi)創(chuàng)性價(jià)值及其對(duì)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的指導(dǎo)作用十分深遠(yuǎn)。

圖6 溫帶氣旋理想模型示意圖[28]

3.2 鋒面氣旋結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)成因

1922年J.皮葉克尼斯作為瑞士氣象學(xué)會(huì)特邀顧問(wèn)來(lái)到蘇黎世。在瑞士同行的幫助下，他在阿爾卑斯山居住一年并獲得了山頂觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而在垂直達(dá)到3000m高度的空間內(nèi)驗(yàn)證了鋒區(qū)傾斜面的存在。結(jié)合這些數(shù)據(jù)，J.皮葉克尼斯[31]詳細(xì)分析了一次暖鋒過(guò)程的鋒面結(jié)構(gòu)和附近運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，證實(shí)鋒面是半球比例的熱力不連續(xù)面；嘗試根據(jù)診斷結(jié)果和物理方程推斷氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)力學(xué)角度討論了氣旋的形成和鋒面移動(dòng)，并通過(guò)該研究成果獲得奧斯陸大學(xué)博士學(xué)位。

圖7 溫帶氣旋生命周期示意圖[23]

圖8 氣旋族示意圖[23]

圖9 平均溫帶大氣環(huán)流[23]

J.皮葉克尼斯與芬蘭地球物理學(xué)家Erik Palmén①Erik Palmén（1898—1985年），芬蘭氣象學(xué)家，在氣象學(xué)、地球物理學(xué)、海洋學(xué)方面都有涉獵。曾協(xié)助J.皮葉克尼斯從事氣旋和鋒面的研究；后前往芝加哥大學(xué)成為C.G.羅斯貝創(chuàng)立的芝加哥氣象學(xué)派一員，在高空急流動(dòng)力學(xué)研究中有突出貢獻(xiàn)。合作，分析了多個(gè)歐洲大陸氣旋過(guò)程②氣旋個(gè)例分析系列包括四篇文章：個(gè)例一（1928年3月28—30日）發(fā)表于1933年；個(gè)例二（1928年12月26—28日）發(fā)表于1932年；個(gè)例三（1930年12月30—31日）發(fā)表于1934年；個(gè)例四（1935年2月15—17日）發(fā)表于1937年。。利用在比利時(shí)于克勒（Uccle）施放31個(gè)氣球探空數(shù)據(jù)，J.皮葉克尼斯在對(duì)1928年12月一次氣旋過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn)[32]，高空槽常位于地面冷鋒上空，槽渦度的形成是由于暖空氣沿冷空氣傾斜界面向下流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的垂直拉伸。文中描述了與低空氣旋有關(guān)的對(duì)流層高空西風(fēng)氣流波動(dòng)，是利用動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)解釋高空大氣波動(dòng)的首次嘗試[13]。此外，J.皮葉克尼斯和Palmén[33]通過(guò)對(duì)氣旋形成過(guò)程的分析描繪出鋒區(qū)上部的折疊，建立了地面鋒區(qū)到對(duì)流層頂?shù)拇怪逼拭妗?/p>

3.3 大氣波動(dòng)和平均大氣環(huán)流

J.皮葉克尼斯曾著重討論氣旋發(fā)展過(guò)程中的氣壓變化問(wèn)題[34]，結(jié)合對(duì)流層高層 、疊加在緯向氣流上的擾動(dòng)進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)中緯度高空波動(dòng)因大氣斜壓性而發(fā)生相對(duì)水平移動(dòng)，導(dǎo)致地面氣旋增強(qiáng)或減弱[13]。他將氣旋生消的原因由鋒面波動(dòng)延伸為對(duì)流層大氣波動(dòng)，并進(jìn)行了一系列關(guān)于高空波的理論研究。他指出，科氏力隨緯度的變化是高空大氣波動(dòng)形成的重要?jiǎng)恿W(xué)因素，該結(jié)論啟發(fā)羅斯貝從理論和觀測(cè)方面研究了控制天氣和大氣環(huán)流變化的大氣長(zhǎng)波，從二維無(wú)輻散渦度方程出發(fā)，求出長(zhǎng)波公式并得到符合實(shí)際的長(zhǎng)波移速和發(fā)展率。之后羅斯貝的學(xué)生及合作者對(duì)大氣長(zhǎng)波的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了深入研究，相繼提出斜壓不穩(wěn)定理論[35-36]、正壓不穩(wěn)定理論[37]及大氣長(zhǎng)波的頻散理論[38]，這些成果有助于人們認(rèn)識(shí)大氣環(huán)流演變過(guò)程，為天氣預(yù)報(bào)提供了依據(jù)，并成為其后數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和大氣環(huán)流數(shù)值試驗(yàn)的基礎(chǔ)，開(kāi)辟了現(xiàn)代大氣動(dòng)力學(xué)與大氣環(huán)流研究的新局面。大氣波動(dòng)力學(xué)的理論體系被認(rèn)為是20世紀(jì)大氣科學(xué)理論最重要的研究成就。

為發(fā)展溫帶氣旋理論、進(jìn)一步探討其形成機(jī)制，J.皮葉克尼斯在UCLA期間利用氣壓傾向方程[39]分析了西風(fēng)波動(dòng)上的氣壓變化，指出在一般的西風(fēng)強(qiáng)度下水平散度分布將使波峰和波谷向東移動(dòng)。通過(guò)推導(dǎo)，他得到正壓和斜壓大氣中的波動(dòng)移動(dòng)規(guī)律，并討論了高低空氣壓系統(tǒng)的綜合配置。該文章啟發(fā)UCLA氣象系首位博士生J. Charney[35]得出第一個(gè)斜壓流體波動(dòng)解。

20世紀(jì)50年代，大氣科學(xué)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)應(yīng)用和高空大氣探測(cè)階段，J.皮葉克尼斯倡導(dǎo)利用火箭、衛(wèi)星圖像進(jìn)行高空大氣研究。二戰(zhàn)末期，美國(guó)飛行員在日本上空的對(duì)流層頂附近向西飛行注意到一股高速氣流，氣象學(xué)家研究確定為高空西風(fēng)急流。后來(lái)得到的大氣風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果顯示，高空西風(fēng)急流比預(yù)想的還要強(qiáng)。英國(guó)數(shù)學(xué)家、地球物理學(xué)家Harold Jeffreys曾在1933年提出設(shè)想：大氣波動(dòng)和渦旋擾動(dòng)可以把角動(dòng)量從低緯度輸送到中緯度地區(qū)。以此為基礎(chǔ)，J.皮葉克

尼斯和Yale Mintz①Yale Mintz是J.皮葉克尼斯的研究生，1949年獲得博士學(xué)位后留在UCLA工作，20世紀(jì)50年代末開(kāi)始主要從事平均大氣環(huán)流模式的設(shè)計(jì)。他所招收的東京大學(xué)氣象學(xué)家Akio Arakawa具有杰出的數(shù)學(xué)天賦，以研究積云對(duì)流參數(shù)化聞名。邀請(qǐng)了多位國(guó)外科學(xué)家開(kāi)展了大氣平均環(huán)流的計(jì)算研究項(xiàng)目，收集整個(gè)北半球數(shù)據(jù)，并對(duì)角動(dòng)量和熱收支方程各項(xiàng)的時(shí)間、空間平均量進(jìn)行了計(jì)算[40]，驗(yàn)證了Jeffreys的理論，并與當(dāng)時(shí)MIT的Victor Starr②Victor Starr是芝加哥大學(xué)氣象系培養(yǎng)的第二位博士（畢業(yè)于1946年夏，第一位是1945年秋畢業(yè)的Morris Neiberger），1947年起在MIT任教。研究組的結(jié)果一致，加深了人們對(duì)平均大氣環(huán)流的認(rèn)識(shí)。

圖 10 1953年J.皮葉克尼斯（近者）和D.富茲在芝加哥大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室

挪威氣象學(xué)家H.索爾伯格（Halvor Skappel Solberg，1895年2月5日—1974年1月31日）出生在挪威海德馬克市林薩克區(qū)（Ringsaker Hedmark），1912—1916年在克里斯蒂安尼亞大學(xué)學(xué)習(xí)天文學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等課程，并獲得天文學(xué)學(xué)士學(xué)位③參見(jiàn)http://www.snl.no/.nbl_biografi/Halvor_Solberg/utdypning。，期間曾連續(xù)三年作為L(zhǎng)ars Vegard和Carl St?rmer教授的助手參與極光研究。畢業(yè)后索爾伯格前往萊比錫學(xué)習(xí)并師從V.皮葉克尼斯，成為挪威學(xué)派的最初成員之一。當(dāng)時(shí)他致力于理論氣象學(xué)研究，主要關(guān)注氣流摩擦。

1917年秋，索爾伯格跟隨V.皮葉克尼斯來(lái)到新創(chuàng)立的卑爾根大學(xué)氣象系，接觸到天氣預(yù)報(bào)問(wèn)題，通過(guò)觀測(cè)分析完善了J.皮葉克尼斯（1919）提出的鋒面氣旋模型，構(gòu)建了“極鋒氣象學(xué)”體系。1921—1927年，他前往德國(guó)格丁根（G?ttingen）和法國(guó)巴黎學(xué)習(xí)流體力學(xué)，之后到挪威奧斯陸繼續(xù)協(xié)助V.皮葉克尼斯，進(jìn)行氣旋發(fā)展機(jī)制的理論研究。1930—1964年他在奧斯陸大學(xué)擔(dān)任教授。從事教學(xué)工作同時(shí)，索爾伯格繼續(xù)從數(shù)學(xué)角度研究流體慣性波動(dòng)，在描述大氣擾動(dòng)和波的移動(dòng)方面有所進(jìn)展，同時(shí)對(duì)流體穩(wěn)定性條件做了研究。索爾伯格十分注重培養(yǎng)學(xué)生的大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，而這樣的大氣科學(xué)教學(xué)理念直到二戰(zhàn)之后才被世界各國(guó)廣泛認(rèn)同。此外，索爾伯格還積極促進(jìn)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，擔(dān)任數(shù)學(xué)計(jì)算委員會(huì)主席多年。

盡管與挪威學(xué)派其他幾位主要成員相比，索爾伯格的學(xué)術(shù)成就并不十分突出，但他推動(dòng)了鋒面氣旋模型的建立特別是“氣旋族”的發(fā)現(xiàn)，并在氣旋形成機(jī)制的理論研究方面作出了有益的嘗試。

圖11 H.索爾伯格（1895—1974年）[13]

4.1 極鋒理論和氣旋族

在卑爾根工作期間，索爾伯格通過(guò)分析船舶觀測(cè)資料，對(duì)北大西洋區(qū)域歷史天氣圖進(jìn)行了重新研究，證實(shí)了大氣不連續(xù)面的存在。通過(guò)描繪多個(gè)氣旋的冷暖鋒結(jié)構(gòu)（圖12），他得到一條基本連續(xù)的冷暖空氣分界線即“極鋒”，并認(rèn)為極鋒以彎曲的波狀形式存在，索爾伯格認(rèn)為，這種不同性質(zhì)空氣間的分界線與降水形成關(guān)系密切，冷暖空氣相互作用使其具有彎曲的走向，極鋒上的波動(dòng)可能發(fā)展為氣旋，進(jìn)而提出“氣旋族”概念。結(jié)合這一概念，挪威學(xué)派關(guān)于溫帶氣旋特征的研究更加完整。

4.2 流體波動(dòng)與氣旋形成機(jī)制

索爾伯格用數(shù)學(xué)物理方法研究流體波動(dòng)的初衷是揭示氣旋的形成和發(fā)展過(guò)程。除了人們熟知的聲波和重力內(nèi)波，索爾伯格在博士論文[41]中通過(guò)方程式在旋轉(zhuǎn)流體中確定了細(xì)胞狀內(nèi)波（cellular internal waves）的存在，但由于解的形式十分復(fù)雜，并且未得到氣旋波性質(zhì)的波動(dòng)，此項(xiàng)工作并未產(chǎn)生很大反響。之后，V.皮葉克尼斯和索爾伯格[42]共同研究了細(xì)胞狀內(nèi)波的

物理性質(zhì)。

圖 12 索爾伯格描繪的1907年1月3日和4日（繞極）極鋒（繪制于1920年2—3月）

索爾伯格是流體內(nèi)部慣性波研究的先驅(qū)者之一。結(jié)合基本的數(shù)學(xué)物理方程，索爾伯格[43]討論了可壓大氣中兩等溫面的平行運(yùn)動(dòng)，成功得到所有可能的波動(dòng)類型，其中包括存在于兩界面之間、與初生氣旋波在波長(zhǎng)和傳播速度方面相似的不穩(wěn)定波，即不穩(wěn)定慣性長(zhǎng)波。雖然索爾伯格對(duì)鋒面波動(dòng)發(fā)展過(guò)程的理論研究指出了研究慣性長(zhǎng)波不穩(wěn)定的必要性[41,43]，但是動(dòng)力解釋存在缺陷，數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程非常復(fù)雜，且無(wú)法解釋大氣長(zhǎng)波的不穩(wěn)定性形成原因。盡管如此，該研究仍被認(rèn)為是揭示氣旋形成機(jī)制的重要一步，從最初認(rèn)為的重力波不穩(wěn)定或大氣不連續(xù)面不穩(wěn)定，過(guò)渡到慣性長(zhǎng)波不穩(wěn)定，為大氣長(zhǎng)波的研究打下了基礎(chǔ)。

Godske[44]總結(jié)了索爾伯格關(guān)于波動(dòng)類別及穩(wěn)定性的主要結(jié)論，指出大氣中存在的三種相互獨(dú)立并對(duì)波動(dòng)產(chǎn)生具有關(guān)鍵作用的動(dòng)力因素。第一種為重力，當(dāng)空氣運(yùn)動(dòng)速度具有垂直分量時(shí)重力起作用，由于在慣性系統(tǒng)中輕的空氣在重的空氣之上，故重力是穩(wěn)定因素；第二種為界面處的速度切變，這是形成不穩(wěn)定波的常見(jiàn)動(dòng)力因素，在小尺度運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)為層流轉(zhuǎn)化為湍流，大尺度氣流切變也有不穩(wěn)定波形成；第三種為地球旋轉(zhuǎn)，實(shí)質(zhì)為角動(dòng)量守恒，是穩(wěn)定波的形成因素之一。圖13為上述因素的綜合效應(yīng)示意圖，頻率的平方（表征穩(wěn)定度，負(fù)值為不穩(wěn)定）是不連續(xù)面上波動(dòng)波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)約在2km以下時(shí)，不穩(wěn)定性主要決定于鋒面切變，當(dāng)上下兩層流體密度不同，并且有不同的切向速度時(shí)出現(xiàn)這種不穩(wěn)定性，在大氣中常表現(xiàn)為波狀云；當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)2km時(shí)重力成為主要因素，波動(dòng)就變?yōu)榉€(wěn)定波；地球旋轉(zhuǎn)對(duì)短波影響很小，而對(duì)波長(zhǎng)在幾千千米量級(jí)的長(zhǎng)波，由于空氣運(yùn)動(dòng)速度的水平分量與垂直分量相比很小，穩(wěn)定作用主要來(lái)自地球旋轉(zhuǎn)，Godske[44]稱這種波為慣性波，當(dāng)受到速度切變因素影響時(shí)形成不穩(wěn)定慣性長(zhǎng)波。他認(rèn)為大氣中存在兩種不穩(wěn)定波動(dòng)：（1）短重力波，在大氣中表現(xiàn)為波狀云，與開(kāi)爾文—亥姆霍茲不穩(wěn)定（Kelvin-Helmholtz Instability）有關(guān)。（2）不穩(wěn)定慣性長(zhǎng)波，由索爾伯格發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)為其實(shí)質(zhì)是氣旋波。

圖 13 Godske關(guān)于大氣波動(dòng)穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性的示意圖[44]（1為重力穩(wěn)定，2為切變不穩(wěn)定，3為旋轉(zhuǎn)慣性穩(wěn)定）

5 T.貝吉龍的生平和研究工作

瑞典氣象學(xué)家T.貝吉龍（Tor Harold Percival B e r g e r o n， 1 8 9 1年8月1 5日—1977年7月13日，圖14）是挪威學(xué)派的重要成員之一，在大氣科學(xué)的諸多分支領(lǐng)域均有開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，包括鋒生問(wèn)題、氣團(tuán)分類、降水機(jī)制等。

貝吉龍出生在英國(guó)薩里城郊的戈德斯通，父親Armand經(jīng)營(yíng)郵票生意，母親Hilda Stawe是歌手及聲樂(lè)教師。1910—1916年，貝吉龍?jiān)谒沟赂鐮柲Υ髮W(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，期間經(jīng)常到氣象學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)分析天氣圖，畢業(yè)后他在瑞典氣象學(xué)會(huì)工作。貝吉龍非常注重觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，少年時(shí)代就熱衷于天氣現(xiàn)象和云的觀測(cè)，經(jīng)常記天氣日志，曾經(jīng)觀測(cè)到當(dāng)時(shí)教科書(shū)中鮮有記錄的山脈背風(fēng)波云系（lee-wave clouds）。他曾在給朋友的信中附加空白表格，用于記錄航海過(guò)程中的大氣能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象等，并建議把表格分發(fā)給航海人員和山區(qū)徒步的人。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)在新理論驗(yàn)證方面發(fā)揮了補(bǔ)充作用，例如，貝吉龍利用大量觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)氣團(tuán)之間往往存在明顯的邊界，從而提出“氣團(tuán)”的設(shè)想[45]。

1918年秋，貝吉龍?jiān)贘.皮葉克尼斯和索爾伯格的邀請(qǐng)下，來(lái)到卑爾根大學(xué)氣象系學(xué)習(xí)。1919年末，他前往位于斯德哥爾摩的瑞典氣象水文學(xué)會(huì)任初級(jí)氣象學(xué)家。1922年5月至1929年，貝吉龍回到卑爾根，在挪威氣象學(xué)會(huì)天氣預(yù)報(bào)部門工作，并開(kāi)辦了天氣圖分析課程，這一舉措成為系統(tǒng)化氣象教學(xué)的開(kāi)端[45]。與此同時(shí)，他先后到德國(guó)萊比錫大學(xué)（1923—1925年）和奧斯陸大學(xué)（1925—1928年）學(xué)習(xí)，1928年獲得奧斯陸大學(xué)博士學(xué)位。1936—1947年，貝吉龍?jiān)谖挥谌鸬涫锥妓沟赂鐮柲Φ娜鸬錃庀笏难芯克⊿MHI）工作，通過(guò)講座和天氣圖分析課程，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)

了瑞典氣象事業(yè)的現(xiàn)代化[46]。他親自準(zhǔn)備課程計(jì)劃，安排野外氣象學(xué)實(shí)踐課程。在此期間，他還擔(dān)任了世界氣象組織（WMO）天氣學(xué)委員會(huì)委員。1945年隨著第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束，瑞典軍事和航空領(lǐng)域缺乏大量的氣象人才，氣象學(xué)逐漸得到國(guó)家的重視。貝吉龍也于1947年被聘為烏普薩拉大學(xué)天氣學(xué)系教授及系主任，進(jìn)行熱帶氣象學(xué)[47-48]、假冷鋒、極地氣象學(xué)等研究。1953年，貝吉龍組織開(kāi)展了Pluvius降水研究計(jì)劃，主持這項(xiàng)工作直到晚年。

圖14 T.貝吉龍（1891—1977年）（左：攝于卑爾根工作時(shí)期[20]，右：攝于20世紀(jì)30年代初[18]）

貝吉龍?jiān)蕉鄧?guó)講學(xué)（馬耳他、前蘇聯(lián)等），致力于傳播挪威學(xué)派理念和方法，他掌握的七種語(yǔ)言為學(xué)術(shù)交流帶來(lái)了促進(jìn)作用。1930年9—12月和1931年12—1932年10月，他兩次前往莫斯科開(kāi)辦講座，講稿由俄國(guó)天氣學(xué)家S. P. Chromow整理，編寫(xiě)成為Einführung in die synoptische fluently (Introduction to the Synoptic Fluently）一書(shū)，該書(shū)被貝吉龍的密友G. Swoboda翻譯為德語(yǔ)版本（1940年），同年還出版了N. Koncek翻譯的荷蘭語(yǔ)版本。此外，貝吉龍還承擔(dān)了一些國(guó)際援助工作，如國(guó)際教科文組織技術(shù)援助計(jì)劃（The UNESCO Technical Aid Program），曾在摩洛哥和南斯拉夫進(jìn)行天氣學(xué)教學(xué)（1953年9—10月）。

從烏普薩拉大學(xué)退休后（1961年），年近七旬的貝吉龍仍在氣象學(xué)院繼續(xù)研究工作和國(guó)際交流（圖15）。1976年秋，貝吉龍不幸罹患胰腺癌，于1977年6月13日在瑞典烏普薩拉逝世，享年85歲。貝吉龍是最后一位辭世的挪威學(xué)派代表人物[45]。第十一屆國(guó)際氣象組織獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)儀式上貝吉龍的頒獎(jiǎng)詞，可以說(shuō)是對(duì)其在氣象學(xué)領(lǐng)域貢獻(xiàn)的全面評(píng)價(jià)：

“In recognition of his Outstanding Contributions to Air Mass Analysis, Physics of Precipitation and Theory of Fronts, his furtherance of International co-operation in the Science of the Atmosphere; and his stimulation of the development of the Science of Meteorology by his lectures and writings.”

圖15 貝吉龍和夫人Vera（攝于1969年）[18]

貝吉龍?jiān)诒盃柛陂g的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了“錮囚”現(xiàn)象和“錮囚鋒”，從理論方面幫助完善了鋒面氣旋理論，并從觀測(cè)事實(shí)角度驗(yàn)證了有關(guān)理想模型的合理性，還構(gòu)思出冷暖鋒的標(biāo)記方法。之后他通過(guò)觀測(cè)事實(shí)提出了冷云降水機(jī)制[49-51]，即后來(lái)所說(shuō)的魏格納—貝吉龍—芬代森降水過(guò)程（Wegener-Bergeron-Findeisen process）。同時(shí)，他在天氣學(xué)分析和高空氣象學(xué)方面也有重要貢獻(xiàn)[45]。以下將重點(diǎn)介紹貝吉龍?jiān)阡h面氣旋模型和降水機(jī)制方面的研究。

5.1 鋒面氣旋的錮囚過(guò)程

如前所述，J.皮葉克尼斯在1919年發(fā)表的文章中提出了理想的熱帶外移動(dòng)性氣旋結(jié)構(gòu)概念模型。貝吉龍?jiān)?jīng)注意到冷鋒追上暖鋒的跡象，并稱其為“Sammenklapping”（即“會(huì)聚”或“閉合”），但當(dāng)時(shí)他并不確定這究竟是熱帶外氣旋結(jié)構(gòu)的新形式，還是簡(jiǎn)單的局地現(xiàn)象[52]。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空密度的逐漸增加，貝吉龍?jiān)?919年11月18日的天氣圖上發(fā)現(xiàn)了“錮囚”現(xiàn)象，并描繪出“錮囚鋒”（圖16）（大致分布在挪威海岸），冷鋒向南延伸至瑞典并使夾在中間的暖空氣被抬升，氣旋趨于消亡。錮囚概念在J.皮葉克尼斯和索爾伯格1922年的文章[23]中首次正式出現(xiàn)。

5.2 關(guān)于冷暖鋒標(biāo)記

冷暖鋒可以說(shuō)是挪威學(xué)派提出的標(biāo)志性概念，其表示方法也經(jīng)歷過(guò)一系列演變。最初的冷、暖鋒顏色分別是紅、藍(lán)色，與現(xiàn)在通常使用的配色相反。羅斯貝在1919年夏季提出顏色互換的意見(jiàn)。為了在黑白打印稿上標(biāo)注鋒面，貝吉龍構(gòu)思出圓弧和三角符號(hào)，建

議J.皮葉克尼斯在挪威學(xué)派發(fā)表的文章中使用，這個(gè)細(xì)節(jié)在1924年1月8日貝吉龍寄給J.皮葉克尼斯的明信片中可以看到（圖17）。

圖16 首張描繪錮囚現(xiàn)象的天氣圖：1919年11月18日18 GMT[20]

5.3 冷云降水機(jī)制

冰核降水理論的提出，是貝吉龍對(duì)于觀測(cè)現(xiàn)象的又一提煉。1911年，A. Wegener就已經(jīng)提出在冰、水粒子同時(shí)存在的云中可能發(fā)生過(guò)冷水在冰晶上迅速凝結(jié)的現(xiàn)象。貝吉龍?jiān)赩oksenkollen山區(qū)（海拔約470m，挪威奧斯陸以北）療養(yǎng)地觀測(cè)過(guò)程中（1922年2月）觀測(cè)到了該現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)，氣溫在－5℃至－10℃時(shí)，霧中的過(guò)冷水滴會(huì)蒸發(fā)，水汽在林木針葉上凝結(jié)成霜，從而使山區(qū)部分區(qū)域的霧滴消散；氣溫高于0℃則沒(méi)有這種現(xiàn)象（圖18）。貝吉龍思考冰晶對(duì)成云致雨的作用，認(rèn)為與上述現(xiàn)象相似的凝結(jié)過(guò)程也存在于高空。在一定溫度條件下，由于冰面飽和水汽壓低于水面飽和水汽壓，空氣中的水汽將凝結(jié)在冰核上，使空氣的飽和度降低；過(guò)冷水滴逐漸蒸發(fā)，水汽繼續(xù)凝結(jié)，從而使冰粒子迅速增大，下落形成降水。貝吉龍繼續(xù)觀測(cè)，希望找到可能支持該假設(shè)的現(xiàn)象。1933年，他在里斯本的地測(cè)學(xué)和地球物理學(xué)會(huì)議報(bào)告中提到冰核降水理論，引起一定關(guān)注，相關(guān)文章中也著重闡述了該問(wèn)題[49]。1938年，F(xiàn)indeisen從實(shí)驗(yàn)角度論證了貝吉龍的降水理論，從而形成貝吉龍—芬代森降水過(guò)程 （Bergeron-Findeisen process）理論，或稱魏格納—貝吉龍—芬代森降水過(guò)程（Wegener-Bergeron-Findeisen process）理論。貝吉龍還論述了強(qiáng)烈凝結(jié)在降水過(guò)程中的重要性[47]，提出此類過(guò)程中同時(shí)存在的兩種云系，其一充當(dāng)凝結(jié)核 （seeder cloud），通常是冰晶，其二是水汽源 （feeder cloud）。歐洲的降水過(guò)程時(shí)常與暖鋒相聯(lián)系，卷層云、高層云中產(chǎn)生的冰晶會(huì)吸收雨層云中的水滴。如果是對(duì)流性降水過(guò)程，則冰晶大多生成在上升氣流中，并在下降時(shí)使云水減少。他認(rèn)為對(duì)于云頂溫度在－12℃到－20℃的淺薄降水系統(tǒng)，冰粒子的形成具有不確定性，存在人工降雨的可能性。貝吉龍過(guò)程已成為人工降雨的重要理論依據(jù)之一。

圖17 1924年1月8日貝吉龍從萊比錫寄給J.皮葉克尼斯的明信片[20]

6 總結(jié)

本文介紹了以挪威氣象學(xué)派創(chuàng)立背景和發(fā)展歷程，并對(duì)該學(xué)派中三位重要成員J.皮葉克尼斯、H.索爾伯格及T.貝吉龍的生平經(jīng)歷和研究工作進(jìn)行了回顧。挪威學(xué)派對(duì)20世紀(jì)大氣科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在早期工作，即氣團(tuán)概念、鋒面氣旋模型、極鋒學(xué)說(shuō)及和天氣學(xué)分析方法等，該理論體系是現(xiàn)代天氣學(xué)的基本原理和重要內(nèi)容之一。其突破性意義在于將天氣預(yù)報(bào)建立在清晰的物理概念和原理的基礎(chǔ)上，與過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法相比，更容易應(yīng)用和推廣，從而帶來(lái)了天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)革命性的轉(zhuǎn)變，也為大氣環(huán)流與大尺度動(dòng)力學(xué)研究提供了思路。同時(shí)，該理論體系也促進(jìn)了中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的實(shí)現(xiàn)。在鋒面氣旋動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，大氣斜壓不穩(wěn)定等理論相繼被提出，成為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和大氣環(huán)流模式的理論依據(jù)之一。此外，J.皮葉克尼斯在對(duì)北大西洋和赤道太

平洋海氣相互作用的研究，特別是對(duì)El Ni?o現(xiàn)象的研究中也貢獻(xiàn)突出，他提出的沃克環(huán)流、ENSO概念和Bjerknes正反饋機(jī)制影響深遠(yuǎn)。貝吉龍為天氣學(xué)分析預(yù)報(bào)理論的完善和挪威學(xué)派理念的傳播做出了重要貢獻(xiàn)。挪威學(xué)派取得卓越成就的原因是多方面的，與新觀測(cè)技術(shù)的推動(dòng)，社會(huì)環(huán)境需求以及V.皮葉克尼斯的引導(dǎo)作用密不可分。如今距離挪威學(xué)派經(jīng)典理論的提出已經(jīng)過(guò)去近百年，天氣學(xué)分析仍是重要的、不可忽視的預(yù)報(bào)手段，并已成為氣象學(xué)科的必修課。

圖18 貝吉龍1922年2月在奧斯陸附近的Voksenkollen觀測(cè)期間繪制的示意圖[50]

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On the Researches and Life Experiences of Bergen School Scientists: Jacob Bjerknes, Halvor Solberg and Tor Bergeron

Ye Xinxin1, Jiao Yan2, Fu Gang3
(1 Laboratory of Climate and Ocean-Atmosphere Studies, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871 2 North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266061 3 Department of Marine Meteorology, Ocean University of China, Qingdao 266100)

The Berge n School of meteorology, founded by the Norwegian meteorologist Vilhelm Bjerknes, has played a signif i cant role in the development of modern atmospheric sciences. They put forward several important theories including the polar front theory and the frontal cyclone model, which influenced modern meteorology profoundly. In this paper, the foundation of the Bergen School and the chief academic achievements were reviewed. The life and research experiences of three significant members: Jacob Bjerknes, Halvor Solberg and Tor Bergeron were introduced. We focus on the development process of their theories, including the front-cyclone concept, polar front theory, Solberg’s work on inertial wave and Bergeron’s dedication to the development of cold-cloud precipitation theory. The contributions of these three greatest meteorologists are also discussed.

Bergen School of meteorology, synoptic meteorology, precipitation physics

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.06.004

2013年9月11日；

2014年4月1日

葉鑫欣（1987—），Email: xxin.ye@gmail.com

傅剛，Email: fugang@ouc.edu.cn

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金（41275049）