挪威學派氣象學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 北京大學物理學院大氣與海洋科學系，氣候與海氣實驗室，北京 100871；

2 國家海洋局北海預報中心，青島 266061；3 中國海洋大學海洋氣象系，青島 266100）

挪威學派氣象學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 北京大學物理學院大氣與海洋科學系，氣候與海氣實驗室，北京 100871；

2 國家海洋局北海預報中心，青島 266061；3 中國海洋大學海洋氣象系，青島 266100）

氣象學的挪威學派（Norwegian School，又稱卑爾根學派（Bergen School of Meteorology））由挪威氣象學家V.皮葉克尼斯（Vilhelm Bjerknes）創立，在20世紀大氣科學發展中貢獻卓著，他們創立的極鋒理論和鋒面氣旋模型對現代氣象學影響深遠。本文以挪威學派為線索，系統介紹了該學派的創立始末、發展歷程和主要學術成就，分別對挪威學派三位重要氣象學家J.皮葉克尼斯（Jacob Bjerknes）、H.索爾伯格（Halvor Solberg）及T.貝吉龍（Tor Bergeron）的生平經歷、研究工作和重要研究成果的形成過程進行了回顧，包括鋒面氣旋模型和極鋒理論、索爾伯格的慣性波研究、貝吉龍冷云降水過程等，并對其貢獻進行了總結。

挪威學派，天氣學，降水物理學

1 引言

大氣科學的發展與人類社會的發展、科學技術的進步和日益增長的社會需求密不可分。自人類文明開始至16世紀，人們通過觀察和記錄積累了豐富的氣象經驗知識。中國古代關于氣象經驗的記載主要包括大氣光象、云霧降水、風雷溫濕、物候氣候和天氣諺語等，可以追溯到中國公元前14世紀的殷代[1]。在古希臘、古埃及和古巴比倫，對大氣現象的探究同樣歷史久遠[2]，例如，古希臘阿那克西曼德（公元前610—前546年）在一篇關于自然哲學的文章中提出“風是空氣的流動”；亞里士多德所著的《氣象》（De Meteorologica，公元前340年）[3]是最早的氣象學專著，并被認為是氣象學成為一門獨立科學的開端[2]。大氣科學的飛躍發展，得益于近幾百年間物理、數學方法和觀測手段的進步。14—17世紀航海事業的興起、天文學和物理學的突破性進展，以及氣象要素測量儀器的陸續發明、氣象觀測站網的逐步建立，成為

人們定量描述大氣現象、研究大氣運動規律的基礎。從19世紀20年代第一張天氣圖的出現，直至20世紀40年代末，大氣科學的主要分支學科：天氣學、動力氣象學、氣候學以及云和降水物理學等相繼形成[1]。

誕生于1917年的挪威氣象學派（或稱卑爾根學派），在天氣學理論及現代天氣預報業務實踐方面均貢獻卓著。由挪威氣象學家V.皮葉克尼斯（Vilhelm Bjerknes）創立并領導的這支團隊，吸納并培養了 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）等著名氣象學家，他們提出的極鋒理論、氣團學說及鋒面氣旋模型成為天氣分析的基礎。隨著挪威學派理論和方法的傳播，氣象學逐漸成為一門獨立學科并蓬勃發展。不僅如此，V.皮葉克尼斯和他的門生們在各自的學術領域中亦有獨到建樹，例如1904年V.皮葉克尼斯就已提出用流體動力學和熱力學方程描述大氣運動的構想，成為數值天氣預報的發端[4]，并提出大氣環流圖像[5]；羅斯貝在美國創立芝加哥學派（Chicago School），門生包括Stommel、Charney等，師徒一起為物理海洋學、現代氣象學和大氣動力學的發展奠定了基礎。V.皮葉克尼斯環流定理、羅斯貝大氣長波理論、貝吉龍的冷云降水理論、ENSO理論等都出自挪威學派氣象學家。

在近現代大氣科學的發展歷程中，卑爾根氣象學派無疑發揮了重要作用[6-8]。賈朋群[9]總結了20世紀初歐洲和美國的氣象事業和教育發展，對V.皮葉克尼斯創立挪威學派的情況和團隊研究成果做了簡要論述；Namias[10]介紹了挪威學派對天氣學在美國發展的早期影響；Friedman[11]評述了挪威學派的主要成就。挪威學派氣象學家的生平歷程和研究工作也引起前人的關注，例如Devik等[12]、Eliassen[13]為V.皮葉克尼斯撰寫了傳記，并簡述了他所培養的幾位學生在卑爾根時的學習和研究情況；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歷；Fiolek[16]對皮葉克尼斯父子的生平經歷和貢獻進行了總結。Weickmann[17]、Liljequist[18]、Schultz和Friedman[19]為貝吉龍撰寫了傳記，Jewell[20]主要介紹了他在卑爾根時期的生活，并詳細介紹了挪威學派發展初期情況；Schwerdtfeger[21]簡述了貝吉龍在天氣學分析方面的貢獻。

本文結合前人對挪威學派氣象學家所作記述和有關學術著作，總結挪威學派的發展歷程，著重回顧J.皮葉克尼斯、索爾伯格和貝吉龍三位氣象學家的生平經歷和學術研究工作。作者希望科學先驅者們獨到的學術思想和研究經歷能夠為大氣及海洋科學的學習和研究者帶來一定的啟發和示范。

2 挪威學派簡介

挪威學派創立于1917年，其創始人和領導者V.皮葉克尼斯（Vilhelm Friman Koren Bjerknes，1862年3月14日—1951年4月9日，圖1）是現代天氣學、大氣動力學和天氣預報的奠基人之一[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數學系教授。1888年，V.皮葉克尼斯在獲得碩士學位后留學德國波恩大學，擔任物理學家赫茲（Heinrich Hertz）的助手；1892年他獲得波恩大學博士學位，并被聘任為斯德哥爾摩大學力學和數學物理學教授，之后在奧斯陸大學（1907—1912年）、萊比錫大學（1912—1917年）工作。

一戰爆發后，戰爭局勢使德國的科研環境大不如前。V.皮葉克尼斯于1917年回到挪威，應海洋學家Hansen②Bjorn Helland-Hansen（1877—1957年），挪威近代海洋學家，他對海洋的物理結構和動力學特性進行了研究，是將海洋學從以描述性為主的科學轉變為以物理化學原理為基礎的科學的先驅。的邀請到卑爾根大學（當時稱為卑爾根博物館）地球物理研究所主持氣象學科，這就是挪威學派的雛形。當時跟隨他的只有他的兒子J.皮葉克尼斯（Jacob Bjerknes，1897—1975年）和學生H.索爾伯格（1895—1974年）。基于軍事氣象和農業生產需要，他們將研究重點放在天氣預報上，順利獲得政府資助，從而在挪威境內布設了完善的觀測站網。1918年11月，J.皮葉克尼斯和索爾伯格在搜集觀測數據的過程中結識了四名瑞典學生③當時挪威科研人員薪酬較高，由于氣象學作為一門科學尚未被廣泛接受，很少人會選擇從事該領域，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，挪威學派初見雛形。V.皮葉克尼斯曾在給友人的信中寫到：

圖1 V.皮葉克尼斯（1862—1951年）①參見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家，V.皮葉克尼斯在卑爾根期間也培養了眾多氣象人才。多年之后（1926年）他回到母校奧斯陸大學擔任應用力學和數學物理學教授，繼續從事教學工作。1946年卑爾根博物館更名為卑爾根大學（The University of Bergen），如今已成為挪威第二大綜合性大學。由卑爾根大學和南森海洋研究所等機構聯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研究的核心機構之一①參見http://www.uib.no/bjerknes/en和http://www.bjerknes.uib.no/ 。。

在挪威學派的主要科學家中，V.皮葉克尼斯和索爾伯格較為側重理論研究，J.皮葉克尼斯和貝吉龍則側重于天氣學分析（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，以及極鋒波動發展為氣旋的過程，完善了整個理論；貝吉龍提出氣旋錮囚理論，使鋒面氣旋的生命史更加完整[13]。20世紀20年代，氣團、極鋒學說、鋒面氣旋模型被稱為“極鋒氣象學”。鋒面氣旋和極鋒學說是卑爾根大學氣象系得名“學派”的主要原因之一。與此同時他們的學術著作極大促進了氣象學的發展[24-25]，其中以Physikalische Hydrodynamik（《物理和流體力學》）[26]一書最為突出。

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） 是挪威學派的學術繁榮時期的代表人物，在鋒面氣旋模型的建立方面有重要貢獻。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和奧斯陸大學學習，在此期間對流體力學理論應用于大氣運動和天氣預報問題產生興趣。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]，協助了氣象觀測站網建設，這也是挪威學派創立過程中的重要一環。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）主持實施的挪威天氣預報項目，保障了各地農業生產。當時，J.皮葉克尼斯和索爾伯格分別負責卑爾根、克里斯蒂安尼亞兩座城市的天氣預報工作。

1924年J.皮葉克尼斯獲得奧斯陸大學博士學位。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際氣象界的廣泛關注[13]。1939年7月，他攜家人在美國進行為期八個月的學術交流，其中包括加利福尼亞大學洛杉磯分校（The University of California，Los Angeles，簡稱UCLA）物理系的氣象學和天氣預報研究室。1939年9月第二次世界大戰爆發后挪威遭受德國入侵，鑒于戰事，J.皮葉克尼斯在羅斯貝的推薦下到UCLA工作，并定居美國。1940年，J.皮葉克尼斯成為UCLA的氣象學教授并主管氣象學事務，UCLA氣象系在他的推動下于1945年正式成立②美國第四個開設的大學氣象系，前三個為羅斯貝最早創建的麻省理工學院（MIT）氣象系、加州理工學院和紐約大學氣象系。。1946年J.皮葉克尼斯加入美國國籍。

二戰結束后，J.皮葉克尼斯著重對平均大氣環流進行了研究。20世紀50年代末，他投入到大西洋和熱帶太平洋海氣相互作用領域，這方面內容在文獻[27]中已有總結。J.皮葉克尼斯活躍在大氣科學領域長達55年之久，曾先后獲得美國地球物理聯合會（AGU）威廉鮑伊獎，美國氣象學會羅斯貝獎（1960）、國家科學獎（1966）等。在挪威學派發展期間，J.皮葉克尼

斯的主要學術貢獻包括鋒面氣旋模型、鋒面氣旋結構分析等，后期延伸到大氣波動等問題，下面將分別介紹。

圖2 挪威學派工作和生活地點卑爾根市大街33號冬景[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.皮葉克尼斯主要關注大氣運動的理論研究。在1918年2月剛剛開始天氣預報工作時，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，從而提高預報水平。豐富的數據和持續的日常分析，為鋒面氣旋模型的提出和修正奠定了基礎。盡管當時信息共享程度不高，法國、英國及大西洋洋面上的觀測數據無法利用，J.皮葉克尼斯仍觀察到他曾在萊比錫研究過的輻合線[13]，定義出大氣波動發展過程中的兩類主要結構，并將其稱為“轉向線”（steering-line）和“颮線”（squall-line），指出它們可能與高低壓系統形成，以及極地和熱帶的空氣交換有關[22]，也就是后來的“暖鋒”和“冷鋒”[28]。

經過數月對歐洲區域天氣圖的分析，J.皮葉克尼斯在《移動性氣旋的結構》[22]一文中提出了對鋒面氣旋結構的革命性認識。文章分析了氣旋模型的典型流場和“轉向線”、“颮線”空間界面（圖4），包含氣旋區云系和降水區分布特征（圖5）。暖空氣沿傾斜的鋒面抬升并產生云帶和降水區、冷空氣下沉并沿地面擴散，位能由于垂直運動而減小，這不僅可以解釋氣旋形成時的動能來源（與Margules 1903年發表的理論具有一致性），還能夠說明氣旋為什么總生成于大氣不連續面附近及其移動路徑規律。文中還提到，氣旋中的冷鋒可以作為新氣旋的暖鋒進而形成“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“轉向線”和“颮線”在1919年末被更名為“暖鋒”和“冷鋒”，因為相抗衡的兩個氣團與一戰兩軍交鋒的情形十分相似。Gold[29]稱該文章為“天氣學文獻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事實，并針對鋒面氣旋模型及其垂直結構進行了專門研究，進一步揭示了對流層低層大氣不連續面（鋒面）結構和氣旋形成過程。J.皮葉克尼斯和索爾伯格[28]論述了降水形成條件，根據斯堪的納維亞半島的降水資料指出空氣上升冷卻凝結是形成降水的關鍵因素，而能夠成雨的上升區多出現在地面氣流輻合帶、切變線附近且通常出現在冷暖空氣交匯處，“冷鋒”和“暖鋒”的定義首次明確出現。文中共討論了四類降水及成因，包括與氣旋有關

的鋒面降水、地面輻射增溫造成的不穩定降水、低層空氣接觸冷的下墊面降溫導致的“霧狀雨”或“毛毛雨”，以及山地上升氣流導致的地形降水，并結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 移動性氣旋的流線分布[22]

圖5 J.皮葉克尼斯的首個氣旋模型，包括流線、云系、降水和垂直剖面[22]

根據天氣圖分析，索爾伯格確定了“極鋒”和鋒上波動結構的存在并觀察到“氣旋族”的蹤跡，貝吉龍則發現了氣旋發展的另一過程，即由他命名的“錮囚”過程，這部分會在后文詳細涉及。盡管如此，氣旋發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，挪威學派完整提出了四維鋒面氣旋模型[23]，即以溫帶移動性氣旋理想模型（圖6）為基礎，包含初生、發展、錮囚各階段生命周期（圖7）。他們認為，氣旋形成的關鍵是冷暖氣團同時存在并維持性質差異，暖空氣被冷空氣抬升并在地轉作用下導致氣旋形成，冷空氣逐漸占據渦旋系統，當其變為冷性渦旋時能量迅速消耗，氣旋填塞消亡。由于歐洲大陸所見的氣旋大多處于北大西洋氣旋的錮囚階段，故從統計上看，氣旋通常具有冷中心且結構較為對稱，但考察氣旋的發展階段不難發現其不對稱性。他們提到極地氣團和熱帶氣團的概念[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），即以氣旋路徑和發展周期劃分的“氣旋族”。統計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。整個中緯度繞極波狀環流圈上通常存在約4個氣旋族以及中間4個反氣旋（圖9），說明地球自轉在環流圈形成中起作用，而Defant認為繞極環流是中緯度海陸熱力性質不同造成的。事實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致的概念圖大部分僅基于對觀測數據的概念化，缺乏具有一定說服力的實際天氣個例，氣旋的垂直結構是從理論推測所得。同時，該文章在撰寫時忽視了對前人工作的探討，特別是奧地利維也納學派氣象學家的工作[21]。盡管如此，鋒面氣旋和極鋒學說仍成為他們的經典理論，挪威學派在天氣學方面研究成果的開創性價值及其對天氣預報業務的指導作用十分深遠。

圖6 溫帶氣旋理想模型示意圖[28]

3.2 鋒面氣旋結構及其動力學成因

1922年J.皮葉克尼斯作為瑞士氣象學會特邀顧問來到蘇黎世。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數據，從而在垂直達到3000m高度的空間內驗證了鋒區傾斜面的存在。結合這些數據，J.皮葉克尼斯[31]詳細分析了一次暖鋒過程的鋒面結構和附近運動場，證實鋒面是半球比例的熱力不連續面；嘗試根據診斷結果和物理方程推斷氣團運動，從動力學角度討論了氣旋的形成和鋒面移動，并通過該研究成果獲得奧斯陸大學博士學位。

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 平均溫帶大氣環流[23]

J.皮葉克尼斯與芬蘭地球物理學家Erik Palmén①Erik Palmén（1898—1985年），芬蘭氣象學家，在氣象學、地球物理學、海洋學方面都有涉獵。曾協助J.皮葉克尼斯從事氣旋和鋒面的研究；后前往芝加哥大學成為C.G.羅斯貝創立的芝加哥氣象學派一員，在高空急流動力學研究中有突出貢獻。合作，分析了多個歐洲大陸氣旋過程②氣旋個例分析系列包括四篇文章：個例一（1928年3月28—30日）發表于1933年；個例二（1928年12月26—28日）發表于1932年；個例三（1930年12月30—31日）發表于1934年；個例四（1935年2月15—17日）發表于1937年。。利用在比利時于克勒（Uccle）施放31個氣球探空數據，J.皮葉克尼斯在對1928年12月一次氣旋過程的研究中發現[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時產生的垂直拉伸。文中描述了與低空氣旋有關的對流層高空西風氣流波動，是利用動力學觀點解釋高空大氣波動的首次嘗試[13]。此外，J.皮葉克尼斯和Palmén[33]通過對氣旋形成過程的分析描繪出鋒區上部的折疊，建立了地面鋒區到對流層頂的垂直剖面。

3.3 大氣波動和平均大氣環流

J.皮葉克尼斯曾著重討論氣旋發展過程中的氣壓變化問題[34]，結合對流層高層 、疊加在緯向氣流上的擾動進行了初步分析，發現中緯度高空波動因大氣斜壓性而發生相對水平移動，導致地面氣旋增強或減弱[13]。他將氣旋生消的原因由鋒面波動延伸為對流層大氣波動，并進行了一系列關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形成的重要動力學因素，該結論啟發羅斯貝從理論和觀測方面研究了控制天氣和大氣環流變化的大氣長波，從二維無輻散渦度方程出發，求出長波公式并得到符合實際的長波移速和發展率。之后羅斯貝的學生及合作者對大氣長波的產生機制進行了深入研究，相繼提出斜壓不穩定理論[35-36]、正壓不穩定理論[37]及大氣長波的頻散理論[38]，這些成果有助于人們認識大氣環流演變過程，為天氣預報提供了依據，并成為其后數值天氣預報和大氣環流數值試驗的基礎，開辟了現代大氣動力學與大氣環流研究的新局面。大氣波動力學的理論體系被認為是20世紀大氣科學理論最重要的研究成就。

為發展溫帶氣旋理論、進一步探討其形成機制，J.皮葉克尼斯在UCLA期間利用氣壓傾向方程[39]分析了西風波動上的氣壓變化，指出在一般的西風強度下水平散度分布將使波峰和波谷向東移動。通過推導，他得到正壓和斜壓大氣中的波動移動規律，并討論了高低空氣壓系統的綜合配置。該文章啟發UCLA氣象系首位博士生J. Charney[35]得出第一個斜壓流體波動解。

20世紀50年代，大氣科學進入到計算機應用和高空大氣探測階段，J.皮葉克尼斯倡導利用火箭、衛星圖像進行高空大氣研究。二戰末期，美國飛行員在日本上空的對流層頂附近向西飛行注意到一股高速氣流，氣象學家研究確定為高空西風急流。后來得到的大氣風場觀測結果顯示，高空西風急流比預想的還要強。英國數學家、地球物理學家Harold Jeffreys曾在1933年提出設想：大氣波動和渦旋擾動可以把角動量從低緯度輸送到中緯度地區。以此為基礎，J.皮葉克

尼斯和Yale Mintz①Yale Mintz是J.皮葉克尼斯的研究生，1949年獲得博士學位后留在UCLA工作，20世紀50年代末開始主要從事平均大氣環流模式的設計。他所招收的東京大學氣象學家Akio Arakawa具有杰出的數學天賦，以研究積云對流參數化聞名。邀請了多位國外科學家開展了大氣平均環流的計算研究項目，收集整個北半球數據，并對角動量和熱收支方程各項的時間、空間平均量進行了計算[40]，驗證了Jeffreys的理論，并與當時MIT的Victor Starr②Victor Starr是芝加哥大學氣象系培養的第二位博士（畢業于1946年夏，第一位是1945年秋畢業的Morris Neiberger），1947年起在MIT任教。研究組的結果一致，加深了人們對平均大氣環流的認識。

圖 10 1953年J.皮葉克尼斯（近者）和D.富茲在芝加哥大學流體力學實驗室

挪威氣象學家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（Ringsaker Hedmark），1912—1916年在克里斯蒂安尼亞大學學習天文學、化學、力學等課程，并獲得天文學學士學位③參見http://www.snl.no/.nbl_biografi/Halvor_Solberg/utdypning。，期間曾連續三年作為Lars Vegard和Carl St?rmer教授的助手參與極光研究。畢業后索爾伯格前往萊比錫學習并師從V.皮葉克尼斯，成為挪威學派的最初成員之一。當時他致力于理論氣象學研究，主要關注氣流摩擦。

1917年秋，索爾伯格跟隨V.皮葉克尼斯來到新創立的卑爾根大學氣象系，接觸到天氣預報問題，通過觀測分析完善了J.皮葉克尼斯（1919）提出的鋒面氣旋模型，構建了“極鋒氣象學”體系。1921—1927年，他前往德國格丁根（G?ttingen）和法國巴黎學習流體力學，之后到挪威奧斯陸繼續協助V.皮葉克尼斯，進行氣旋發展機制的理論研究。1930—1964年他在奧斯陸大學擔任教授。從事教學工作同時，索爾伯格繼續從數學角度研究流體慣性波動，在描述大氣擾動和波的移動方面有所進展，同時對流體穩定性條件做了研究。索爾伯格十分注重培養學生的大氣動力學基礎，而這樣的大氣科學教學理念直到二戰之后才被世界各國廣泛認同。此外，索爾伯格還積極促進計算機的應用，擔任數學計算委員會主席多年。

盡管與挪威學派其他幾位主要成員相比，索爾伯格的學術成就并不十分突出，但他推動了鋒面氣旋模型的建立特別是“氣旋族”的發現，并在氣旋形成機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，索爾伯格通過分析船舶觀測資料，對北大西洋區域歷史天氣圖進行了重新研究，證實了大氣不連續面的存在。通過描繪多個氣旋的冷暖鋒結構（圖12），他得到一條基本連續的冷暖空氣分界線即“極鋒”，并認為極鋒以彎曲的波狀形式存在，索爾伯格認為，這種不同性質空氣間的分界線與降水形成關系密切，冷暖空氣相互作用使其具有彎曲的走向，極鋒上的波動可能發展為氣旋，進而提出“氣旋族”概念。結合這一概念，挪威學派關于溫帶氣旋特征的研究更加完整。

4.2 流體波動與氣旋形成機制

索爾伯格用數學物理方法研究流體波動的初衷是揭示氣旋的形成和發展過程。除了人們熟知的聲波和重力內波，索爾伯格在博士論文[41]中通過方程式在旋轉流體中確定了細胞狀內波（cellular internal waves）的存在，但由于解的形式十分復雜，并且未得到氣旋波性質的波動，此項工作并未產生很大反響。之后，V.皮葉克尼斯和索爾伯格[42]共同研究了細胞狀內波的

物理性質。

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）

索爾伯格是流體內部慣性波研究的先驅者之一。結合基本的數學物理方程，索爾伯格[43]討論了可壓大氣中兩等溫面的平行運動，成功得到所有可能的波動類型，其中包括存在于兩界面之間、與初生氣旋波在波長和傳播速度方面相似的不穩定波，即不穩定慣性長波。雖然索爾伯格對鋒面波動發展過程的理論研究指出了研究慣性長波不穩定的必要性[41,43]，但是動力解釋存在缺陷，數學推導過程非常復雜，且無法解釋大氣長波的不穩定性形成原因。盡管如此，該研究仍被認為是揭示氣旋形成機制的重要一步，從最初認為的重力波不穩定或大氣不連續面不穩定，過渡到慣性長波不穩定，為大氣長波的研究打下了基礎。

Godske[44]總結了索爾伯格關于波動類別及穩定性的主要結論，指出大氣中存在的三種相互獨立并對波動產生具有關鍵作用的動力因素。第一種為重力，當空氣運動速度具有垂直分量時重力起作用，由于在慣性系統中輕的空氣在重的空氣之上，故重力是穩定因素；第二種為界面處的速度切變，這是形成不穩定波的常見動力因素，在小尺度運動中表現為層流轉化為湍流，大尺度氣流切變也有不穩定波形成；第三種為地球旋轉，實質為角動量守恒，是穩定波的形成因素之一。圖13為上述因素的綜合效應示意圖，頻率的平方（表征穩定度，負值為不穩定）是不連續面上波動波長的函數，當波長約在2km以下時，不穩定性主要決定于鋒面切變，當上下兩層流體密度不同，并且有不同的切向速度時出現這種不穩定性，在大氣中常表現為波狀云；當波長超過2km時重力成為主要因素，波動就變為穩定波；地球旋轉對短波影響很小，而對波長在幾千千米量級的長波，由于空氣運動速度的水平分量與垂直分量相比很小，穩定作用主要來自地球旋轉，Godske[44]稱這種波為慣性波，當受到速度切變因素影響時形成不穩定慣性長波。他認為大氣中存在兩種不穩定波動：（1）短重力波，在大氣中表現為波狀云，與開爾文—亥姆霍茲不穩定（Kelvin-Helmholtz Instability）有關。（2）不穩定慣性長波，由索爾伯格發現，并認為其實質是氣旋波。

圖 13 Godske關于大氣波動穩定性和不穩定性的示意圖[44]（1為重力穩定，2為切變不穩定，3為旋轉慣性穩定）

5 T.貝吉龍的生平和研究工作

瑞典氣象學家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）是挪威學派的重要成員之一，在大氣科學的諸多分支領域均有開創性貢獻，包括鋒生問題、氣團分類、降水機制等。

貝吉龍出生在英國薩里城郊的戈德斯通，父親Armand經營郵票生意，母親Hilda Stawe是歌手及聲樂教師。1910—1916年，貝吉龍在斯德哥爾摩大學學習數學和物理，期間經常到氣象學會學習分析天氣圖，畢業后他在瑞典氣象學會工作。貝吉龍非常注重觀測數據的分析，少年時代就熱衷于天氣現象和云的觀測，經常記天氣日志，曾經觀測到當時教科書中鮮有記錄的山脈背風波云系（lee-wave clouds）。他曾在給朋友的信中附加空白表格，用于記錄航海過程中的大氣能見度、天氣現象等，并建議把表格分發給航海人員和山區徒步的人。這些觀測數據在新理論驗證方面發揮了補充作用，例如，貝吉龍利用大量觀測數據發現兩個氣團之間往往存在明顯的邊界，從而提出“氣團”的設想[45]。

1918年秋，貝吉龍在J.皮葉克尼斯和索爾伯格的邀請下，來到卑爾根大學氣象系學習。1919年末，他前往位于斯德哥爾摩的瑞典氣象水文學會任初級氣象學家。1922年5月至1929年，貝吉龍回到卑爾根，在挪威氣象學會天氣預報部門工作，并開辦了天氣圖分析課程，這一舉措成為系統化氣象教學的開端[45]。與此同時，他先后到德國萊比錫大學（1923—1925年）和奧斯陸大學（1925—1928年）學習，1928年獲得奧斯陸大學博士學位。1936—1947年，貝吉龍在位于瑞典首都斯德哥爾摩的瑞典氣象水文研究所（SMHI）工作，通過講座和天氣圖分析課程，在短時間內實現

了瑞典氣象事業的現代化[46]。他親自準備課程計劃，安排野外氣象學實踐課程。在此期間，他還擔任了世界氣象組織（WMO）天氣學委員會委員。1945年隨著第二次世界大戰的結束，瑞典軍事和航空領域缺乏大量的氣象人才，氣象學逐漸得到國家的重視。貝吉龍也于1947年被聘為烏普薩拉大學天氣學系教授及系主任，進行熱帶氣象學[47-48]、假冷鋒、極地氣象學等研究。1953年，貝吉龍組織開展了Pluvius降水研究計劃，主持這項工作直到晚年。

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

貝吉龍曾到多國講學（馬耳他、前蘇聯等），致力于傳播挪威學派理念和方法，他掌握的七種語言為學術交流帶來了促進作用。1930年9—12月和1931年12—1932年10月，他兩次前往莫斯科開辦講座，講稿由俄國天氣學家S. P. Chromow整理，編寫成為Einführung in die synoptische fluently (Introduction to the Synoptic Fluently）一書，該書被貝吉龍的密友G. Swoboda翻譯為德語版本（1940年），同年還出版了N. Koncek翻譯的荷蘭語版本。此外，貝吉龍還承擔了一些國際援助工作，如國際教科文組織技術援助計劃（The UNESCO Technical Aid Program），曾在摩洛哥和南斯拉夫進行天氣學教學（1953年9—10月）。

從烏普薩拉大學退休后（1961年），年近七旬的貝吉龍仍在氣象學院繼續研究工作和國際交流（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派代表人物[45]。第十一屆國際氣象組織獎頒獎儀式上貝吉龍的頒獎詞，可以說是對其在氣象學領域貢獻的全面評價：

“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]

貝吉龍在卑爾根期間的主要貢獻是發現了“錮囚”現象和“錮囚鋒”，從理論方面幫助完善了鋒面氣旋理論，并從觀測事實角度驗證了有關理想模型的合理性，還構思出冷暖鋒的標記方法。之后他通過觀測事實提出了冷云降水機制[49-51]，即后來所說的魏格納—貝吉龍—芬代森降水過程（Wegener-Bergeron-Findeisen process）。同時，他在天氣學分析和高空氣象學方面也有重要貢獻[45]。以下將重點介紹貝吉龍在鋒面氣旋模型和降水機制方面的研究。

5.1 鋒面氣旋的錮囚過程

如前所述，J.皮葉克尼斯在1919年發表的文章中提出了理想的熱帶外移動性氣旋結構概念模型。貝吉龍曾經注意到冷鋒追上暖鋒的跡象，并稱其為“Sammenklapping”（即“會聚”或“閉合”），但當時他并不確定這究竟是熱帶外氣旋結構的新形式，還是簡單的局地現象[52]。隨著觀測數據時空密度的逐漸增加，貝吉龍在1919年11月18日的天氣圖上發現了“錮囚”現象，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。

5.2 關于冷暖鋒標記

冷暖鋒可以說是挪威學派提出的標志性概念，其表示方法也經歷過一系列演變。最初的冷、暖鋒顏色分別是紅、藍色，與現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。為了在黑白打印稿上標注鋒面，貝吉龍構思出圓弧和三角符號，建

議J.皮葉克尼斯在挪威學派發表的文章中使用，這個細節在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 首張描繪錮囚現象的天氣圖：1919年11月18日18 GMT[20]

5.3 冷云降水機制

冰核降水理論的提出，是貝吉龍對于觀測現象的又一提煉。1911年，A. Wegener就已經提出在冰、水粒子同時存在的云中可能發生過冷水在冰晶上迅速凝結的現象。貝吉龍在Voksenkollen山區（海拔約470m，挪威奧斯陸以北）療養地觀測過程中（1922年2月）觀測到了該現象。他發現，氣溫在－5℃至－10℃時，霧中的過冷水滴會蒸發，水汽在林木針葉上凝結成霜，從而使山區部分區域的霧滴消散；氣溫高于0℃則沒有這種現象（圖18）。貝吉龍思考冰晶對成云致雨的作用，認為與上述現象相似的凝結過程也存在于高空。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在冰核上，使空氣的飽和度降低；過冷水滴逐漸蒸發，水汽繼續凝結，從而使冰粒子迅速增大，下落形成降水。貝吉龍繼續觀測，希望找到可能支持該假設的現象。1933年，他在里斯本的地測學和地球物理學會議報告中提到冰核降水理論，引起一定關注，相關文章中也著重闡述了該問題[49]。1938年，Findeisen從實驗角度論證了貝吉龍的降水理論，從而形成貝吉龍—芬代森降水過程 （Bergeron-Findeisen process）理論，或稱魏格納—貝吉龍—芬代森降水過程（Wegener-Bergeron-Findeisen process）理論。貝吉龍還論述了強烈凝結在降水過程中的重要性[47]，提出此類過程中同時存在的兩種云系，其一充當凝結核 （seeder cloud），通常是冰晶，其二是水汽源 （feeder cloud）。歐洲的降水過程時常與暖鋒相聯系，卷層云、高層云中產生的冰晶會吸收雨層云中的水滴。如果是對流性降水過程，則冰晶大多生成在上升氣流中，并在下降時使云水減少。他認為對于云頂溫度在－12℃到－20℃的淺薄降水系統，冰粒子的形成具有不確定性，存在人工降雨的可能性。貝吉龍過程已成為人工降雨的重要理論依據之一。

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

本文介紹了以挪威氣象學派創立背景和發展歷程，并對該學派中三位重要成員J.皮葉克尼斯、H.索爾伯格及T.貝吉龍的生平經歷和研究工作進行了回顧。挪威學派對20世紀大氣科學發展的貢獻主要體現在早期工作，即氣團概念、鋒面氣旋模型、極鋒學說及和天氣學分析方法等，該理論體系是現代天氣學的基本原理和重要內容之一。其突破性意義在于將天氣預報建立在清晰的物理概念和原理的基礎上，與過去的經驗預報方法相比，更容易應用和推廣，從而帶來了天氣預報業務革命性的轉變，也為大氣環流與大尺度動力學研究提供了思路。同時，該理論體系也促進了中長期天氣預報和數值天氣預報的實現。在鋒面氣旋動力學研究的基礎上，大氣斜壓不穩定等理論相繼被提出，成為數值天氣預報和大氣環流模式的理論依據之一。此外，J.皮葉克尼斯在對北大西洋和赤道太

平洋海氣相互作用的研究，特別是對El Ni?o現象的研究中也貢獻突出，他提出的沃克環流、ENSO概念和Bjerknes正反饋機制影響深遠。貝吉龍為天氣學分析預報理論的完善和挪威學派理念的傳播做出了重要貢獻。挪威學派取得卓越成就的原因是多方面的，與新觀測技術的推動，社會環境需求以及V.皮葉克尼斯的引導作用密不可分。如今距離挪威學派經典理論的提出已經過去近百年，天氣學分析仍是重要的、不可忽視的預報手段，并已成為氣象學科的必修課。

圖18 貝吉龍1922年2月在奧斯陸附近的Voksenkollen觀測期間繪制的示意圖[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：國家自然科學基金（41275049）