伯杰龍及其在天氣學(xué)分析和高空氣象學(xué)的貢獻(xiàn)

葉鑫欣 焦艷 傅剛

伯杰龍及其在天氣學(xué)分析和高空氣象學(xué)的貢獻(xiàn)

葉鑫欣 焦艷 傅剛

瑞典氣象學(xué)家伯杰龍(Tor Harold Percival Bergeron,1891.8.15—1977.6.13)是挪威學(xué)派的重要成員之一,在大氣科學(xué)諸多分支領(lǐng)域均有開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。他的研究工作同時(shí)涉及氣團(tuán)分類、鋒面理論和降水物理學(xué)等方面,他總結(jié)的氣團(tuán)分析方法是天氣預(yù)報(bào)的重要分析手段之一。

伯杰龍發(fā)現(xiàn)兩個(gè)氣團(tuán)之間往往存在明顯的邊界，一定存在某種更為保守的性質(zhì)，可以表征氣團(tuán)的“純凈程度”。

T. 伯杰龍（左：攝于卑爾根工作時(shí)期，右：攝于20世紀(jì)30年代初）

一、伯杰龍與天氣學(xué)分析

伯杰龍出生在英國(guó)薩里城郊的戈德斯通,成長(zhǎng)在一個(gè)富有藝術(shù)氣息的家庭中,父親經(jīng)營(yíng)郵票生意,母親是歌手及聲樂(lè)教師。少年時(shí)代的伯杰龍對(duì)天氣現(xiàn)象和云觀測(cè)有濃厚的興趣,并養(yǎng)成記“天氣日志”的習(xí)慣,幾乎每個(gè)夏天都會(huì)到位于挪威邊境的?nn(63?20’N,12?30’E,海拔560m)進(jìn)行觀測(cè),在那里他觀測(cè)到了當(dāng)時(shí)的云圖中從未提及的山脈背風(fēng)波云系(lee-wave clouds)。

1910—1916年,伯杰龍?jiān)谒沟赂鐮柲Υ髮W(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理。遵照Ekholm的建議①N. Ekholm (1848—1923年),瑞典氣象學(xué)家、極地探險(xiǎn)家,1914—1918年主要負(fù)責(zé)瑞典氣象學(xué)會(huì),他是伯杰龍母親的一位朋友。他非常努力地學(xué)習(xí)物理。盡管如此,他仍然保持著對(duì)氣象學(xué)的熱愛,經(jīng)常到氣象學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)分析天氣圖。根據(jù)大量的觀測(cè)數(shù)據(jù),伯杰龍發(fā)現(xiàn)兩個(gè)氣團(tuán)之間往往存在明顯的邊界,并認(rèn)為氣團(tuán)之間的性質(zhì)差異是源地不同導(dǎo)致的,一定存在某種更為保守的性質(zhì),可以表征氣團(tuán)的“純凈程度”,認(rèn)為大氣能見度可用來(lái)跟蹤氣團(tuán)移動(dòng)、混合等過(guò)程。

1918年秋,伯杰龍?jiān)谌鸬湟姷搅薐.皮葉克尼斯和索爾伯格,次年被Sandstr?m推薦到卑爾根氣象學(xué)院學(xué)習(xí),與那里的氣象學(xué)家們成為摯友。他在1919年11月18日的天氣圖上首次發(fā)現(xiàn)了“錮囚”現(xiàn)象和“錮囚鋒”,而后從理論方面完善了極鋒、鋒面氣旋等理論,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,而且構(gòu)思出了天氣圖上沿用至今的冷暖鋒的標(biāo)記方法。1919年末,他前往斯德哥爾摩的瑞典氣象水文學(xué)會(huì)任初級(jí)氣象學(xué)家一職,直到1922年5月回到卑爾根,并在挪威氣象學(xué)會(huì)天氣預(yù)報(bào)部門工作至1929年。1923年春季,他在卑爾根專門開設(shè)天氣圖分析課程,這也是之后系統(tǒng)化的氣象教學(xué)的開端。1926年,他與德國(guó)氣象學(xué)家G. Schinze②G. Schinze當(dāng)時(shí)在挪威氣象服務(wù)部門工作,以天氣圖分析認(rèn)真著稱,曾提出一套天氣圖工作流程。的堂妹Elfriede Schinze結(jié)為夫婦。這期間,他還先后到德國(guó)萊比錫大學(xué)(1923—1925年)和奧斯陸大學(xué)(1925—1928年)深造,并于1928年獲得奧斯陸大學(xué)博士學(xué)位。伯杰龍?jiān)螝v多國(guó)并撰寫著作,致力于傳播挪威學(xué)派的天氣學(xué)分析方法；期間提出了冷云降水機(jī)制,即后來(lái)為人們熟知的魏格納—伯杰龍—芬代森降水過(guò)程(the Wegener–Bergeron–Findeisen process)。

伯杰龍具有過(guò)人的語(yǔ)言天賦,掌握七種語(yǔ)言,因而成為挪威學(xué)派科學(xué)家中傳道授業(yè)的主要貢獻(xiàn)者,曾到馬耳他、前蘇聯(lián)等地講學(xué)。1930年9—12月和1931年12月—1932年10月,他兩次前往莫斯科指導(dǎo)天氣分析,講座內(nèi)容由他和兩名俄國(guó)天氣學(xué)家S. P. Chromow 及B. L. Dzerdzeyevsky共同整理成俄語(yǔ)版。

1936年,伯杰龍回到斯德哥爾摩,在瑞典氣象水文研究所(SMHI)工作(1936—1947年),并于1942年起擔(dān)任首席氣象科學(xué)家。盡管當(dāng)時(shí)瑞典氣象學(xué)界對(duì)挪威學(xué)派的理念抱有排斥,通過(guò)講座和天氣圖分析課程,伯杰龍仍推動(dòng)了天氣學(xué)分析方法在瑞典的普及。不僅如此,他非常關(guān)注斯德哥爾摩廣播發(fā)布的氣象預(yù)報(bào),常常直接向預(yù)報(bào)部門闡述他的意見。在此期間他還擔(dān)任世界氣象組織(WMO)天氣學(xué)委員會(huì)委員職務(wù),在云和降水分類工作中做出了貢獻(xiàn)。

1945年第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí),瑞典軍事和航空領(lǐng)域面臨巨大的氣象人才需求, SMHI隨即開設(shè)了天氣學(xué)分析培訓(xùn)課程。不久后,瑞典政府開始重視氣象學(xué)教學(xué),諸多高校開設(shè)了氣象學(xué)專業(yè),伯杰龍也于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)行了熱帶氣象學(xué)和極地氣象的研究。1953年,他主持了Pluvius降水研究計(jì)劃,負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施直到晚年,保持著清晰、敏銳的思維和良好的記憶力。同年9—10月,他參與了國(guó)際教科文組織技術(shù)援助計(jì)劃(The UNESCO Technical Aid Program),到摩洛哥和南斯拉夫進(jìn)行天氣學(xué)分析教學(xué)。1961年從烏普薩拉大學(xué)退休后,年近七旬的伯杰龍仍在氣象學(xué)院繼續(xù)著研究工作。1976年秋,伯杰龍?jiān)?5歲生日后不久便罹患胰腺癌,1977年6月13日逝世于瑞典烏普薩拉,是最后一位辭世的挪威氣象學(xué)派的核心人物。

晚年致力于Pluvius降水研究計(jì)劃的伯杰龍（攝于1969年）

二、伯杰龍與高空氣象學(xué)

除了天氣學(xué)分析,伯杰龍?jiān)诟呖諝庀髮W(xué)方面的工作也極大地推動(dòng)了近代天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展。1923—1925年在萊比錫學(xué)習(xí)期間,伯杰龍首先針對(duì)1923年9—14日北歐地區(qū)氣旋進(jìn)行了詳細(xì)分析,用他所說(shuō)的“間接高空氣象學(xué)”方法(indirect aerology)揭示出氣旋發(fā)展過(guò)程中大氣的結(jié)構(gòu)變化和降水云系的形成,并指出氣流輻合不僅可以存在于風(fēng)場(chǎng),也能以風(fēng)速切變?yōu)樘卣?成為首篇應(yīng)用挪威學(xué)派理論和方法分析天氣過(guò)程個(gè)例的文章。由于全文以德語(yǔ)撰寫,這項(xiàng)工作未能引起關(guān)注。遵照作者要求,這篇文章沒(méi)有出版英文譯本,主要內(nèi)容以及文中經(jīng)典天氣圖被收錄在《動(dòng)力氣象學(xué)和天氣預(yù)報(bào)》(Dynamic Meteorology and Weather Forecasting)一書的第17卷。

1915年,飛機(jī)最先在荷蘭城市烏得勒支地區(qū)被應(yīng)用于氣象觀測(cè)。伯杰龍隨即利用這類高空觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了鋒面和相關(guān)云系,然而當(dāng)時(shí)他對(duì)高空氣象學(xué)的興趣并沒(méi)有得到挪威學(xué)派其他科學(xué)家的認(rèn)同。1935年,隨著一系列飛行計(jì)劃在瑞典菲利普斯塔德(Filipstad)和挪威內(nèi)斯比恩(Nesbyen)相繼實(shí)施,大量觀測(cè)分析使“間接高空氣象學(xué)”方法趨于成熟,該方法即通過(guò)分析地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、云的狀態(tài)和移動(dòng)判斷高空氣流情況,彌補(bǔ)高空觀測(cè)稀少問(wèn)題。在那時(shí)無(wú)線電探空技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào),“間接高空氣象學(xué)”恰恰指導(dǎo)人們將云觀測(cè)與地面天氣圖相結(jié)合,推斷出三維空間內(nèi)的物理過(guò)程。在挪威空軍的幫助下,高空直接氣象觀測(cè)設(shè)備逐漸增多,垂直大氣觀測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。

三、論文專著

伯杰龍?jiān)谔鞖鈱W(xué)分析方面的重要成果集中呈現(xiàn)在他的博士學(xué)位論文中,包括鋒生機(jī)制、氣團(tuán)分類等多個(gè)問(wèn)題,文中的許多概念都被后來(lái)的氣象學(xué)教科書采用,重要理念收錄在Ground Plan of a Dynamic Climatology一書中。伯杰龍?jiān)谖闹袕?qiáng)調(diào)了高空氣象分析的重要性,而高空觀測(cè)與地面系統(tǒng)的配置恰恰在這之后的十多年中成為氣象學(xué)研究和天氣預(yù)報(bào)的重點(diǎn)之一。他認(rèn)為,天氣變化是與不同性質(zhì)的氣團(tuán)活動(dòng),尤其是鋒面氣旋活動(dòng)相聯(lián)系的?？紤]到冷暖空氣變化的熱力學(xué)過(guò)程,他將氣團(tuán)系統(tǒng)地劃分了類別,按源地分為赤道、熱帶、近極地、極地氣團(tuán),按最終的熱力層結(jié)和濕度特點(diǎn)分為海洋性、大陸性氣團(tuán)。為確定氣團(tuán)類別,他給出一些觀測(cè)指標(biāo),包括大氣能見度、天空顏色等,希望通過(guò)分析中、小尺度的觀測(cè)數(shù)據(jù)反映大尺度的天氣變化。伯杰龍還分析了鋒生鋒消的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)機(jī)制,根據(jù)降水類型、云系分布和大氣能見度,利用“間接高空氣象學(xué)”分析方法確定出氣團(tuán)的熱力結(jié)構(gòu),并指出了變形場(chǎng)中的鋒生鋒消過(guò)程,認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)垂直尺度足夠大的氣團(tuán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、交界區(qū)域變窄時(shí)鋒生,當(dāng)輻散運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)時(shí)鋒消。該過(guò)程與湍流、輻射導(dǎo)致的能量交換也有關(guān)系,中性點(diǎn)是確定鋒生位置、時(shí)間的關(guān)鍵要素。他認(rèn)為這種流型多出現(xiàn)在半永久性高低壓系統(tǒng)之間,并解釋了鋒生區(qū)的平均季節(jié)變化。

伯杰龍對(duì)論文寫作要求苛刻,許多文章未曾發(fā)表。盡管如此,他的講稿仍被作為天氣學(xué)教科書的基礎(chǔ)資料,經(jīng)同事整理后以俄、英、德等語(yǔ)言出版。在數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的今天,人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)他的著述認(rèn)識(shí)天氣學(xué)分析和預(yù)報(bào)的基本方法。這些著作無(wú)疑在傳播挪威學(xué)派理念的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

（作者單位：葉鑫欣，北京大學(xué)；焦艷，國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心；傅剛，中國(guó)海洋大學(xué)）