鋒面氣旋概念的緣起、發展和社會實踐的關系

陶祖鈺 聞新宇

（北京大學物理學院大氣與海洋科學系，北京 100871）

鋒面氣旋概念的緣起、發展和社會實踐的關系

陶祖鈺 聞新宇

（北京大學物理學院大氣與海洋科學系，北京 100871）

回顧了19世紀氣象學處于萌芽階段時人們是如何逐漸認識中緯度氣旋和鋒面概念的，并對20世紀初V. 皮葉克尼斯提出的極鋒理論、當時的時代背景，以及之后的不斷改進進行了介紹和討論，最后指出極鋒理論的出現和不斷完善是人們在實踐中不斷創造和不斷檢驗的結果，是現代氣象學最終成為一門科學的重要基石。

極鋒理論，氣旋，鋒面

0　引言

物理學家愛因斯坦說：“一切發現都不是邏輯思維的結果，盡管這些發現看起來很接近邏輯規律。”每一個新概念的提出和確立，通常都經歷過一段曲折的醞釀過程。這個過程有時可長達數十年，甚至數百年，中間還會有曲折與反復。而新概念被確立或獲得公認后，也并不意味已成為認識的終結，它還可能會受到質疑，需要不斷修正和發展。“鋒面氣旋”就是這樣一個很好的事例。對鋒面氣旋這一科學概念，從歷史的角度進行一番回顧，于今天的我們無疑是很有教益的。

本文結合作者閱讀《氣象科技進展》2014年第6期“氣象科技史研究”專輯的一些感想和體會，通過梳理鋒面氣旋概念的歷史演進，想著重強調：社會實踐在科學創新中占據第一位的重要性。不僅如此，回望和溯源的最終目的是為了更好地繼續前進，本文談及的一些實踐中發現的新問題，也可作為今后的研究重點。

為便于讀者閱讀，下面先給出與鋒面氣旋概念模型相關的一些重要時間節點：

1854年法國巴黎天文臺臺長勒威耶（Le Verrier）首次發現風暴；

1863年英國菲茨羅伊（Fitz-Roy）繪出第一張風暴概念模型；

1895—1905年挪威V. 皮葉克尼斯（V. Bjerknes）倡導氣團分析，1905年在訪問美國時介紹氣團理論；

1898年V.皮葉克尼斯發表環流理論；

1917年V.皮葉克尼斯鋒面分析成為地面圖分析的常規工作；

1919年J.皮葉克尼斯（J. Bjerknes，V.皮葉克尼斯之子）提出鋒面氣旋概念模型[1]（被稱為挪威模型）；

1990年夏皮羅（M. A. Shapiro）與凱瑟（D. Keyser）提出新的鋒面氣旋模型（被稱為S-K模型）；

2011年舒爾茨（D. Schultz）與福奧翰（G. Vaughan）提出教科書中挪威氣旋模型的“追趕（catch-up）”錮囚過程必須修改為“包卷（wrap-up）”過程。

1　極鋒的發現

“鋒面氣旋”這個概念中包含兩個概念：一是“鋒面”，二是“氣旋”。要追溯“鋒面氣旋”，就必須分別追溯“鋒面”和“氣旋”這兩個概念。從1922年被認為是確立鋒面氣旋概念的論文——《氣旋生命史和大氣環流的極鋒理論》[2]的題目就可以看出，氣旋這個概念是和作為大氣環流的極鋒理論緊緊聯結在一起的。傳統的地面天氣圖鋒面分析，早在1917年V.皮葉克尼斯到挪威卑爾根大學開展天氣學研究時就已開始，到1922年論文的發表，中間經過了5年的天氣圖鋒面分析實踐，該論文正是這一段實踐的總結（詳見文獻[3]）。因此可以說是先有了極鋒的概念，后才有鋒面氣旋的概念。

追溯鋒面，還必須追溯極地氣團的發現。杜鈞等[3]指出，氣團學說是1895—1905年V.皮葉克尼斯在斯德哥爾摩大學完成的（1905年他受邀赴美介紹氣團理論）。這表明對氣團的分析更早，且持續時間更長。值得指出的是，人們對V.皮葉克尼斯的科學貢獻往往強調他的環流理論，因為它是動力氣象學的萌芽，同時也是數值預報思想的萌芽。但很少有人強調他在天氣分析和預報方面的實踐。葉鑫欣等[4]敘述了V.皮葉克尼斯的環流理論發表于1898年，正處在做氣團分析的十余年中。所以，V.皮葉克尼斯不僅僅是理論氣象學家，而且是長期堅持天氣分析的實踐家。理論來源于實踐，這點是在談論氣象發展史時萬萬不可遺忘的。

從地圖上可看到，挪威地處格陵蘭島和冰島兩個大冰原的東南方，是歐亞大陸受極地氣團影響最大的國家。極鋒理論產生于挪威而不是別的國家有其天然的合理性。

2　氣旋的發現

實際上，早在鋒面分析成為常規天氣分析之前人們就已經有了“氣旋（cyclone）”這個概念，在西方的科技文獻中常常與“風暴（storm）”混用。氣旋的首次發現通常指1854年克里米亞戰爭期間法國軍艦亨利四號沉沒31天后，法國巴黎天文臺臺長勒威耶[5]根據收集的氣象資料查明沉沒是由11月14日黑海的風暴所致。此風暴于11月12—13日已出現在西班牙和法國西部，兩天后東移到黑海地區，如能及時發現風暴并預告風暴的移動，那么損失可能是可以避免的。因此，勒威耶提出的組織氣象臺站網、開展天氣圖分析和天氣預報的建議均被法國政府采納，并于1856年組織了氣象觀測網。從此，繪制天氣圖便成為一項日常業務，并陸續推廣到其他國家。

最早將“鋒面”和“氣旋”兩個概念結合起來的“跡象”可能是1863年英國的菲茨羅伊繪制的風暴概念模型（圖1）[6]。圖中反時針旋轉的渦旋就是風暴，他用實線和虛線矢線分別表示冷、暖兩股氣流，每個氣旋都由冷、暖兩股氣流組成。前面已經介紹，鋒面分析和鋒面概念開始于1917年V.皮葉克尼斯指導下的挪威卑爾根大學，也就是說菲茨羅伊將“氣團”和“氣旋”兩個概念結合起來比鋒面概念的確立早了半個多世紀。如文獻[7]所介紹的，1934年英國氣象學家肖氏就提出過，如果菲茨羅伊繼續沿著他的道路前進，則氣旋的鋒面學說將出現在1870年而不是1919年[1]。

圖1　1863年英國船長菲茨羅伊繪制的風暴概念模型：反時針旋轉的渦旋，有冷（實線）暖（劃線）兩種氣團［6］Fig. 1 Conceptual models of cyclone drawn by Fitz-Roy in 1863， anti-clockwise vortex with cold/warm air masses［6］

對菲茨羅伊的生平，“氣象科技史研究”專輯中有相當多的介紹。菲茨羅伊曾是19世紀50年代英國成立氣象局時的首任局長，而且他的工作深受出海水手們的歡迎，他們不要求天氣預報全對，大部分對就可以了。但當時英國社會的貴族們認為不太準的天氣預報會妨礙他們的生活；守舊的科學大師們也不支持，一些英國皇家學會的科學家們用物理學、生物學的眼光看待大氣科學，認為科學結論首先要在實驗室做好才能應用。這導致19世紀60年代初期，英國氣象局被取消，菲茨羅伊被調到英國皇家學會做資料統計員。

據《科學分類手冊叢書》（英）天氣和氣候卷人物志介紹[8]，菲茨羅伊是海軍出身，其長期的航海生活使他特別關心氣象，并隨時記錄風、溫度和氣壓的變化。1831年他被任命為船長做環球考察，達爾文（C. Darwin）就是跟隨這條船完成了環球考察并寫出著名的《進化論》。在航行中，菲茨羅伊總是攜帶氣壓表來做航行中的天氣預報。在擔任氣象局局長后，他倡導用氣壓表作為天氣預報的利器。他發明的氣壓計被稱為“菲茨羅伊”氣壓計。如圖2所示，菲茨羅伊氣壓計中把980hPa以下標注為風暴（Storm），980～1005hPa標注為雨（Rain），1005～1025hPa標注為變化（Change），1025～1045hPa標注為晴好（Fair），1045hPa以上標注為干燥（Very Dry）。菲茨羅伊氣壓計在英國各港口普遍應用，并于1861年做出了第一次風暴警報。至今還可以在很多菲茨羅伊氣壓計上看到，氣壓低于980hPa的區間被標注為風暴區。

圖2　 菲茨羅伊船用氣壓計Fig. 2 FitzRoy barameter used in the ship of HMS Beagle

不難看出，菲茨羅伊的氣旋模型是他長期進行氣象觀測和預報實踐的總結，其中含有氣團的概念，但他沒有明確提出鋒面的概念。

3　鋒和氣旋的關系

從1906年馬古拉斯（M. Margules，亦譯為馬爾古斯）提出鋒的坡度公式①http://paoc.mit.edu/labguide_old/fronts/observations/polar.htm，1917年分析鋒成為挪威天氣圖分析的基本內容，再到1922年挪威氣旋模型的提出，可以看出，極鋒概念的確立對鋒面氣旋學說的建立具有至關重要的意義，甚至可以說，鋒是氣旋學說的物理核心。這是因為，典型的鋒面氣旋，特別是北大西洋的氣旋，都伴隨著狂風，而這些巨大的動能（和強臺風相當），來源于極鋒中位能的轉換。

極鋒，是與極地冷氣團相關聯的鋒。常年不化的格陵蘭冰原，是極地氣團的主要源地。極地氣團南下，挪威首當其沖，深受其害。因此，極鋒受到挪威氣象學家的特別關注。馬古拉斯認為，傾斜的鋒面，意味著空氣的重心偏高，表明存在一定數量的重力位勢能可以釋放為動能，其專業名詞稱為有效位能。鋒面坡度越大，有效位能越大。按鋒面坡度公式，極鋒南下時緯度減小，鋒面坡度也隨之變小，有效位能變小就意味著有一部分位能轉換為動能。所以，風暴的動能來源于極鋒中位能的釋放。

根據力管環流理論，極鋒兩側，冷空氣下沉、暖空氣上升，使大氣的重心降低，是位能轉換為動能的動力學機制。

但是，鋒作為一個傾斜的過渡帶是在6年后的1922年才首次在觀測上得到證實。當年J.皮葉克尼斯在瑞士氣象學會同行的幫助下，在阿爾卑斯山地區居住了一年，并在3000m高度的空間范圍內進行了觀測，最終在還沒有探空的情況下獲得了鋒區在空間是一個傾斜面的觀測證據（如圖3所示）。同年，J.皮葉克尼斯和索爾伯格發表了被后世稱為挪威氣旋模型和鋒面氣旋學說的經典論文——Life cycles of cyclones and the polar front theory of atmospheric circulation[2]。

圖3　挪威學派鋒面氣旋結構模型及生命史［2］Fig. 3 Frontal structure of Norwegian cyclone model and its life cycle［2］

對于鋒和氣旋的關系，除了從能量的角度認為“鋒是因，氣旋是果”這種觀點外，當時還有一種觀點認為“氣旋是因，鋒是果”。這是因為在地面天氣圖分析中發現，鋒是氣旋內氣流匯合的產物（即運動學鋒生）[4]。

在氣旋生命史概念模型中，也是先有鋒后有氣旋，氣旋是靜止鋒波動的產物。但是天氣實踐發現，很多氣旋新生時并不存在鋒[9-10]，而是隨著氣旋的發生而鋒生。后來佩特森（S. Petterssen）把它稱為B類氣旋[6]。這是在實踐的基礎上對1922年挪威氣旋模型做出的一次重要修正。鋒和氣旋之間還存在第三種關系：二者同時發生，同時衰亡，即不是簡單的因果關系，而是互為因果。那么引起兩者同時發展的原因又是什么？互為因果的物理機理到底是什么？這個問題至今仍未解決，很值得研究[11]。

4　經典鋒面氣旋模型一個沒有被普遍注意的重要缺陷和新模型的發現

鋒面氣旋學說無論是結構還是生命史，其概念模型圖（圖3）都具有很突出的科學美：氣旋中有冷、暖兩種氣團，冷、暖氣團之間的界面是鋒面，來自北方的冷空氣南下鍥入暖空氣的下方是為冷鋒，來自南方的暖空氣在冷氣團上方爬升稱為暖鋒。由于冷、暖鋒的坡度不同，形成寬窄不同的冷、暖鋒云帶和雨區。鋒面上的擾動使靜止鋒演變為冷鋒和暖鋒，隨著氣旋發展，地面暖區逐漸縮小消失，冷鋒追趕上暖鋒，最后形成錮囚鋒和錮囚氣旋。

氣團—鋒面—氣旋—云雨—水平環流—垂直運動各個方面，看起來配合完美、邏輯嚴密。不幸的是，這個概念模型存在重大的理論缺陷，即將鋒面假設為物質面，以及用簡單的機械運動——抬升和爬升來解釋鋒面垂直運動的機理。前者違背了連續性是流體的根本屬性，流體中不存在密度的0階不連續[12]。鋒是溫度梯度不連續，即溫度的1階不連續。因此將鋒當作物質面是一個嚴重的理論錯誤。后者，用簡單的機械運動（質點動力學）代替流體動力學來解釋與鋒相聯系的垂直環流，在動力學理論上是對環流定律的倒退。

挪威模型中包含的流體力學基本概念的錯誤（或者說是過度簡化），還導致了對錮囚過程和錮囚鋒結構的錯誤認識[11,13]。天氣學教科書中，經典模型的錮囚過程是冷鋒趕上暖鋒的“追趕”過程（catch-up，也可翻譯為“趕超”過程），錮囚鋒的結構被解釋成冷鋒爬到暖鋒之上，暖氣團全部脫離地面被抬升到空中（圖4）[14]。因此在錮囚氣旋內，低層全部被冷氣團占據，錮囚鋒兩側地面的溫度對比很小（圖5a）。衛星云圖的出現使人們對經典錮囚鋒的結構產生了懷疑。云圖上常見北大西洋錮囚氣旋中有很強的螺旋狀錮囚鋒云帶（圖5b）。1988年大西洋爆發性氣旋外場科學試驗觀測資料表明，錮囚鋒的結構和經典模型相反，其兩側的溫度梯度非常大（甚至超過冷鋒），它是冷暖氣團相互“包卷（wrap-up）”形成的，錮囚氣旋的中心部分反而是相對暖的，如圖6所示。有意思的是，這個事實在1863年菲茨羅伊的風暴概念模型中卻可以找到，它充分反映了實踐在科學發現中具有第一位的重要性，而理論的解釋往往由于過于追求形式上的“完美”反而可能導致錯誤。

圖4　北半球的鋒［14］Fig. 4 Schematic diagram of the polar fronts in Northern Hemisphere［14］

圖5　教科書上的錮囚鋒和錮囚過程（a）及1988年大西洋科學試驗衛星云圖上錮囚鋒的包卷特征（b）［8］Fig. 5 Occluded fronts in classic textbook （a） and in real observations over North Atlantic in the cloud map from a satellite in 1988 （b）［8］

圖6　S-K模型鋒面氣旋（外熱帶海洋性鋒面氣旋）生命史：（a）初始鋒面氣旋，（b）鋒面斷裂，（c）后彎暖鋒，（d）暖核隔離（圖中陰影為云區，黑實線為等高線，藍色線為冷氣流，紅色線為暖氣流）［14］Fig. 6 Schematic illustration of Shapiro-Keyser extratropical cyclone model： （a） the forming of low pressure； （b） frontal fracture； （c） bent back warm front and frontal T-bone； （d） warm core frontal seclusion （the grey shading stands for frontal cloud areas； the black/red/blue lines are geopotential height/warm front/cold front）

1988年的科學發現雖然在1990年已經被總結在美國氣象學會出版的《溫帶氣旋——帕爾曼紀念文集》[15]中，但直到20年后的2011年，舒爾茨與福奧翰才在美國氣象學會會刊上對教科書上廣泛使用的經典的錮囚概念提出了質疑，提出要對挪威氣旋模式重新進行評估，并明確指出錮囚過程不是“趕超”過程（catch-up）及鋒不是溫度的0階不連續，而是1階不連續[16]。該文還指出，“在挪威氣旋模式中，錮囚是氣旋加深過程終止的信號，因為當低壓內部不存在暖區（warm sector）就意味著氣旋失去了儲存在氣旋中的有效位能供給。”J.皮葉克尼斯和索爾伯格[2]宣稱，“當氣旋尚未錮囚時，其動能都會增加”，“氣旋一旦錮囚，氣旋立即開始填塞”。但是，舒爾茨與福奧翰指出：“觀測經常發現，錮囚形成后，氣旋還會持續加深好幾個小時，中心最低氣壓會達到比錮囚形成時低許多百帕”。統計表明，通常在錮囚初始形成的12～24h后，氣旋才達到它的最大強度。在統計的美國東北部91個氣旋中，至少有29個氣旋的地面分析顯示，在錮囚形成12～24h后氣旋繼續加深了8～24hPa。最極端的例子是1972年2月19—20日，在錮囚鋒形成后36h，氣旋中心氣壓又降低了32hPa。

上面對鋒面氣旋學說的追溯表明，即使是已經成為“公認”并被編在教科書中的結論也必須要經受實踐的檢驗。對于某些不符合客觀事實的結論，不是千方百計為它尋找理由，而應觀點鮮明地指出問題的癥結所在，以此推動科學的向前發展。曾慶存在回憶20世紀50年代北京大學仇永炎教授天氣學課程時指出，學習“經典”必須同時“直面實際”，敢于“突破成規”，并具體總結了東亞天氣學有七個方面的問題值得研究[9]，為我們做出了很好的榜樣。

［1］Bjerknes J. On the structure of moving cyclones. Geofys Publ， 1919，1（2）： 1-8.

［2］Bjerknes J， Solberg H. Life cycle of cyclones and the polar front theory of atmospheric circulation. Geofys Publ， 1922， 3： 1-18.

［3］杜鈞， 錢維宏. 天氣預報的三次躍進. 氣象科技進展， 2014， 4（6）： 13-26.

［4］葉鑫欣， 焦艷， 傅剛. 偉大的卑爾根學派氣象學家： J.皮葉克尼斯，H.索爾伯格和T.伯杰龍. 氣象科技進展， 2014， 4（6）： 35-45.

［5］謝義炳， 陳受鈞， 肖文俊. 天氣學基礎. 北京： 高等教育出版社， 1959.

［6］佩特森. 天氣分析和預報（上冊）. 程純樞， 譯.北京： 科學出版社， 1958.［7］許小峰， 張萌. 氣象科技發展歷程及其對當代大氣科學的啟示. 氣象科技進展， 2014， 4（6）： 6-12.

［8］邁克爾·阿拉貢.科學分類手冊叢書： 天氣和氣候卷. 張春喜， 等，譯. 北京： 光明日報出版社，2004.

［9］北京大學物理學院大氣與海洋科學系. 勤勤懇懇教書育人： 紀念著名氣象學家仇永炎教授. 北京： 氣象出版社， 2011.

［10］ 本書編委會. 開拓奉獻、科技楷模——紀念著名大氣科學家顧震潮. 北京: 氣象出版社, 2006.

［11］ 陶祖鈺, 熊秋芬, 鄭永光, 等. 天氣學的發展概要——關于鋒面氣旋學說的四個階段. 氣象學報, 2014, 72(5): 940-947.

［12］ 顧震潮, 陳雄山, 許有豐.鋒面假相當位溫圖和它對中國寒潮冷鋒上界變化分析的應用. 氣象學報, 1958, 29(1): 44-56.

［13］ 熊秋芬, 牛寧, 章麗娜.陸地上爆發性溫帶氣旋的暖鋒后彎結構分析.氣象學報, 2013, 71(2): 239-249.

［14］Lehkonen A. Textbook of Synoptic Meteorology. Eumetrain, 2013.

［15］Newton E C, Holopainen E O. Extratropical Cyclones: The Erik Palmen Memorial Volume. Boston: Amer Meteor Soc, 1990.

［16］Schultz D, Vaughan G. Occluded fronts and the occlusion process: a fresh look at conventional wisdom, Bull Amer Meteor Soc, 2011: 443-466.

A Study on the Evolution of Front Cyclone Theory and Its Relations with Weather Forecast Practice

Tao Zuyu, Wen Xinyu
（Department of Science of Atmosphere and Ocean， Peking University， Beijing 100871）

The basic concepts of frontal cyclone, which emerged in the late 19th century, and the polar front theory, which came from the Bergen School in the early 20th century, are comprehensively reviewed in this paper. The discovery and continuous development of the Norwegian cyclone model were resulted from the weather forecast practice and field work in meteorological research. It ultimately formatted meteorology as a kind of sciences.

polar front theory, cyclone, front

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.021

2015年4月7日；

2016年3月16日

陶祖鈺（1939—），Email: taozuyu@pku.edu.cn

資助信息： 中科院戰略先導專項（XDA05080801）；北京市青年英才計劃（YETP0005）