天气学是一门关于天气预报的科学，其英文名Synoptic Meteorology的意思是“综观的气象学”。所谓综观，就是要综合各种气象观测资料才能做出天气预报。所以，天气学具有地球科学的特点，其发展与对自然界的观察或测量紧密相连。从古代分散和独立的个人观测，到近代系统的观测网，直到现代以各种雷达、卫星为标志的高科技遥感观测，天气学的发展都与观测手段的发展密切相随。

天气学本质上又属于流体力学，是流体力学推广到大气这一特定的流体，即低速运动的、既有粘性又有相变的、又可压缩的流体，因此具有高度的复杂性。中国科学院力学研究所李家春(2011)将流体力学的发展历史划分为4个阶段：(1)基于实践经验的古代流体力学；(2)基于牛顿力学体系的经典流体力学(指推广到连续介质)；(3)基于物理洞察力的近代流体力学；(4)基于现代高新技术的现代流体力学。参照流体力学的分类，天气学的发展过程也可类似地概括为“古代”天气学、经典天气学、近代天气学和现代天气学4个阶段。

作为综观气象学，天气学既包括中高纬度天气，又包括低纬度天气；既包括大尺度斜压系统，又包括中尺度对流系统；既包括雷达气象，又包括卫星气象；既包括诊断分析方法，又包括数值模拟方法等，内容浩瀚，非宏篇巨著难以概括，也非一个人的能力所能完成。但是，纵观天气学的发展历史，不难发现其有一个贯穿始终的问题——中高纬度的锋面气旋问题。本文将以锋面气旋概念模型为代表，以气象观测手段的变化为线索，参照流体力学发展历程4阶段的划分方法，对天气学发展的历程作一个简要地概括。 2 “古代”天气学——Fitz-Roy的风暴概念模型

1863年Fitz-Roy绘制的第一个风暴概念模型(图 1)是天气学萌芽的标志，故可作为第一阶段“古代”天气学的代表。此图的作者是带着达尔文环球航行的英国船长，他根据多年航海日记记载的风和温度归纳出风暴是反时针旋转的涡旋，它由冷、暖两种气团组成，反映了气旋的存在和冷、暖气团的差异密切相连。图中有些地方强调两股强大的冷、暖气流的“对峙”，有些地方则存在小股冷、暖气流的“穿插”，有些地方冷、暖气流之间存在相当广阔的静风区。有意思的是，在现代气象卫星水汽通道图像中可以看到图 1所描述的这些复杂现象。在无线电通讯发明以前，没有实时天气图的情况下画出这样的风暴概念模型，反映了作者对风和温度变化细致入微的观察与深刻的思考。

图 1 1863年英国船长Fitz-Roy绘制的风暴 概念模型：反时针旋转的涡旋，有冷(实线)、 暖(划线)两种气团(佩特森，1958) Fig. 1 Conceptual model of extratropical cyclones developed by Admiral Fitz-Roy in 1863. The figure shows an anti-clockwise vortex with both cold (solid lines) and warm(dashed lines)air masses (Pettersson，1958(Chinese Version))

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更值得指出的是，作者画的气旋有的中心部分由冷、暖两股气流组成，但也有中心部分(图中右下方和左上方)全都是暖空气的气旋。这似乎看起来与后来经典天气学气旋模型中锢囚阶段气旋内全部为冷气团正好相反。但是令人惊讶的是，后面我们将会看到，这一结构与现代爆发性气旋的暖性结构是一致的。如此看来，Fitz-Roy在1863年绘制的气旋模型中暖性结构的风暴不是无意的巧合，而是他在观察经验(或亲身体验)基础上的有心所为。因此，将其作为基于实践经验的“古代”天气学的杰出代表是合理的。 3 经典天气学——挪威学派锋面气旋模型

约100年前挪威气象学派概括出的气旋模型(图 2)是经典天气学的集中体现(Bjerknes，et al，1922)。与古代气旋模型的区别在于它是一个以锋面为核心的三度空间模型，指出了气旋和锋面密不可分的联系，即锋面决定了气旋的三维结构和云雨的分布，同时也决定了气旋发生和发展的整个生命史。所以，经典气旋模型也被称为锋面气旋模型，它确立了斜压性是中高纬度天气变化的机理这一核心思想。

图 2(a)挪威学派锋面气旋结构模型及(b)生命史 (Bjerknes，et al，1922) Fig. 2(a)Frontal structure and (b)life cycle of the Norwegian cyclone model (Bjerknes，et al，1922)

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虽然当时还没有高空观测，但经典气旋模型是一个三维的立体模型，给出了高空的气流方向和垂直运动及云雨分布。图 2a₃给出了穿过地面冷锋和暖锋的垂直剖面，图 2a₁给出的是气旋北部不穿过地面锋的剖面，但在高空也同样存在锋面，暖气团在上，冷气团在下，只是锋面没有触及地面。这个模型将锋看作是一个物质面，它决定了垂直运动的方向和云雨的分布。冷锋锋面的阻挡作用使后方的冷空气下沉，冷锋的冲击作用使前方的暖空气上升；暖锋则作为一个下垫面使暖空气在上面爬升。这种根据地面观察推测出气旋的高空结构，曾经被称为间接高空气象学。

图 2b为锋面气旋的生命史。气旋产生于东西向倒槽中的静止锋上。在静止锋波动的拐点上形成气旋中心，气旋的加深过程中冷锋东移和南下，气旋的扇形暖区则逐渐缩小直至消失，被抬升到高空，最后形成锢囚气旋。

在天气学教科书中，几乎无一例外地介绍这个概念模型。但是经典气旋模型存在的一个严重问题是，从流体力学的观点看，连续性是流体的基本特征，锋是物质面的假设在流体中是不成立的。因为物质面是把锋看成是温度的0阶不连续，它违背了流体连续性原则。实际上，锋是冷暖气团的过渡区，即强温度梯度区，锋面是温度梯度的不连续，即温度的一阶不连续。正如Schultz和Vaughan在2011年美国气象学会会刊上对锢囚过程是否存在提出质疑(Schultz，et al，2011)，其理论依据就是流体连续性原则。虽然存在物质面假定这一缺点，但经典气旋模型由于基本符合云雨分布的观测事实，所以至今仍在天气工作者中影响深刻。 4 近代天气学——芝加哥学派斜压波动三维模型

和近代流体力学一样，近代气旋模型也同样基于深刻的物理洞察力，其代表就是Palmen和Newton的斜压波动三维模型。由于高空观测网的建立，人们发现在地面气旋的上方，高空是一个西风带的波动(图 3)(Palmen，et al，1969)。近代气旋模型是一个真正的三维模型。模型中不仅包含地面气旋，还包含气旋后部的反气旋，故将其称为斜压波动更为确切。高空槽位于地面冷锋的后方，垂直方向上呈现向西(向后)倾斜的特征。这种垂直结构既符合静力平衡关系，也符合热成风关系。按照准地转动力学理论，这种热力结构不对称的后倾斜压波动也是一种发展的波动，与冷锋和暖锋相对应的冷、暖平流将引起高空波动的振幅加大(Holton，1972; 陶祖钰等，2012)。

图 3 Palmen和Newton的锋面气旋 三维结构模型(Palmen，et al，1969) (ａ．立体透视图，ｂ．二维俯视图；实线为300 hPa等高线， 虚线为地面等压线，双矢线为冷锋前后冷暖空气的 轨迹及其在地面的投影，双虚矢线为从槽后到槽前 的高空气块的轨迹及其在300 hPa等压面上的投影) Fig. 3(a)Three-dimensional stereograph and (b)two-dimensional vertical cross-section for the frontal cyclone model proposed by Palm and Newton(1969) (Solid lines show height contours at 300 hPa，while dashed lines show isobars at the surface. Double-shafted arrows show trajectories of cold and warm air near the cold front and their projections at surface. Double-dashed arrows show air parcel trajectories at upper levels from the rear of the trough to the front and their projections at 300 hPa)

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更为重要的是，模型中还给出了气旋中3条具有代表性的空气块的轨迹，它们是冷锋前暖空气的轨迹、锋后冷空气的轨迹、以及从槽后到脊前的高空气块的轨迹。在大尺度环流系统中，空气的垂直运动速度非常小，只有水平风速的1/1000，是一个无法直接观测的量。经典气旋模式中垂直运动的推测基于物质面的假定，经不起流体力学理论上的推敲。事实上，天气分析中发现的“上滑锋”和“下滑锋”也无法用物质面作出合理的解释。以Palmen为首的美国麻省理工学院的学者所倡导的等熵面分析，根据位温在短时间内具有一定的保守性出发，通过分析等熵面的坡度和等熵面上的风向推断垂直运动的方向，从而获得了锋面气旋中的垂直运动证据。

近代气旋模型中的轨迹充分反映了对以准地转为特征的大尺度环流动力学的深刻理解。图中下沉的冷空气轨迹和上升的暖空气轨迹反映了准地转ω诊断方程中下沉和上升运动分别和与冷锋和暖锋相关联的冷、暖温度平流的关系。两条轨迹都明显地呈现顺时针弯曲的特征，显示了下沉运动与低空辐散相联系、上升运动与高空辐散相联系，而辐散则导致了气块负涡度的增加使轨迹呈现反气旋式的弯曲。它既体现了垂直环流受达因质量补偿原理的控制，又体现了涡度方程中辐散与相对涡度个别变化的联系(辐散使负涡度增大)。

在斜压大气中，地面锋区的上方存在高空西风急流，急流中的风速远大于波的移动速度。根据300 hPa高空槽脊的移速远小于风速，可以推断高空的气块必然经历从槽后转移到槽前的过程。在从脊到槽的过程中，气块的涡度从负涡度转变为正涡度，个别涡度的增大必然和辐合相联系，因此图 3中槽后的轨迹是下沉的。相反，气块在从槽到脊的运动过程中，涡度从正涡度转变为负，而个别涡度的减小必然和辐散相联系，因此槽前的轨迹是上升的。它也符合准地转ω诊断方程中垂直运动和涡度平流垂直微商的关系。Palmen和Newton在《大尺度环流系统》(Palmen，et al，1969)中给出的基于观测事实分析获得的斜压扰动三维模型和Holton(1972)给出的后倾斜压扰动中次级环流示意图(图 4)的一致性显示出近代气旋模型是基于对动力学理论的深刻的洞察力。

图 4 与发展的气旋波相联系的二级环流 (ａ．500 hPa等高线(实线)、1000 hPa等高线(虚线) 以及地面锋示意图，ｂ．经过基线II'的垂直剖面、气旋波中 的垂直运动场(箭头)以及高空正负涡度平流分布和 低空冷暖平流分布；Holton, 1972) Fig. 4 Schematic diagram of the secondary circulation associated with a developing baroclinic disturbance (a. 500 hPa geopotential height contour (solid line), 1000 hPa geopotential height contours (dashed lines), and surface fronts; b. vertical profile through line II′ indicating the direction of vertical motion; Holton, 1972)

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20世纪80年代随着卫星云图的普遍应用，发现在北大西洋强烈发展的气旋中存在螺旋状的锢囚锋云带。通过数值模拟(图 5)和包括飞机下投探空仪及浮标站等实例科学考察(图 6)发现，锢囚锋两侧的温度梯度非常大，与经典气旋模型中锢囚锋的热力结构完全不同。在经典的锋面气旋模型中，把锋面看作是物质面，在气旋发展的后期，冷锋赶上暖锋形成所谓锢囚锋，锢囚锋两侧都是冷气团，所以温度对比应该非常小。结合理想化的斜压扰动发展过程的原始方程数值模拟试验结果，提出了一个以“T”型锋面结构和暖锋后弯包卷为主要特征的新的气旋概念模型(Snyder，et al，1991; Newton，et al，1990)。实际上暖锋后弯的现象是气旋发展后期普遍存在的现象，并不仅仅在海洋爆发性气旋中才有，在大陆上也常常见到。例如熊秋芬等(2013)给出了一个蒙古气旋中暖锋后弯的个例。

图 5(a)北大西洋增强气旋的螺旋状锢囚锋云带与(b、c)热带外海洋锋面气旋生命史 (b．海面气压场，(Ⅰ)初始锋面气旋，(Ⅱ)锋面断裂，(Ⅲ)后弯暖锋，(Ⅳ)暖核隔离；ｃ．温度场； 阴影为云区，实矢线为冷气流，虚矢线为暖气流；Newton，et al，1990) Fig. 5(a)Spiral occluded frontal cloud belts in an intensifying cyclone over the North Atlantic Ocean.(b，c)Conceptual models of the life cycle of a marine extratropical cyclone (b. sea-level pressure(solid lines)，fronts(bold lines)， and the cloud distribution(shaded)，step(Ⅰ)shows the initial development，step(Ⅱ)the frontal fracture，step(Ⅲ)the back-bent warm front and frontal T-shape， and step(Ⅳ)the warm-core frontal occlusion; c. temperature(solid lines) and cold and warm air currents (solid and dashed arrows，respectively); Newton，et al，1990)

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图 6 对大西洋气旋中心锢囚锋的科学观测 (a．1988年12月14日18：01 UTC GOES-7可见光 云图叠加锋面位置； b．1988年12月14日18：00 UTC地面 图(等压线：实线，间隔4 hPa；等温线：虚线，间隔4℃， 空心圆：观测船；实心圆：浮标站；方框为放大区)； c．下投探 空仪300 m高度温度(等温线间隔2℃)和风(小旗代表 25 m/s， 长横代表 5 m/s，半横代表 2.5 m/s;Schultz，et al，2011) Fig. 6(a)Geostationary Operational Environmental Satellite 7 (GOES-7)visible satellite image at 18:01 UTC 14 December 1988 with frontal positions superimposed.(b)Surface isobars (solid black lines; interval 4 hPa)，isotherms(dashed grey lines; interval 4℃)， and horizontal winds(pennant，full barb， and half-barb denote 25，5， and 2.5 m/s，respectively)at 18:00 UTC 14 December 1988. The positions of ships (open circles) and buoys(dots)are also shown.(c)Flight section at 300 m above sea level with ship，buoy， and dropsonde data included. Temperature(solid lines; interval 2℃) and horizontal winds are also shown. The area of this flight section is shown as a solid rectangle in(b)(Schultz，et al，2011)

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现代模型和经典模型在表面上似乎很相似，气旋内都有冷锋和暖锋，气旋发展过程都经历4个阶段。但现代模型中气旋中心的冷锋和暖锋并不相连接，而是独立的，二者形成一种“T”形的冷暖锋配置。在气旋发展过程中，暖锋向西、向南伸展，最后螺旋状地环绕在气旋中心四周。这一过程被称为暖锋后弯卷入过程(或称为包卷过程)，虽然其弯曲的形状与经典模型中锢囚锋很相似，但它仍保持暖锋原来的(甚至更强的)温度梯度，所以其性质与锢囚锋完全不同。

现代气旋模型中还有一点必须强调的是，暖锋后弯卷入气旋中心四周，同时也造成了气旋中心的温度高于四周，形成类似于“暖心”的结构。如前所述，这一现象在早期的“古典”模型中已有描述(图 1)，它说明100多年前Fitz-Roy的观察非常细致，已经记录下暖空气被卷入气旋中心这一客观事实，但在经典模型中，这一现象却被扭曲了。究其原因，还是与经典模型中将锋面当成物质面的过度简单化有关，根据客观上并不存在的锢囚过程推断气旋内部完全被冷空气占据这一结论(Schultz，et al，2011)。

将现代高分辨率数值模式的模拟结果和现代计算机可视化技术结合起来，就可以将暖锋后弯过程及暖心的形成过程生动地展示出来(图 7)(王洪庆等，2000; 张伟等，2006)。不仅如此，根据逐时模式输出的(u，v，w)三维空间分布，还可以将近代气旋模型中根据深刻的物理洞察力猜测的气块三维运动轨迹具体计算出来。图 8给出了与图 3类似的两组轨迹，一组是从近地面冷锋前的暖湿空气上升到对流层上部的轨迹，一组是从高空槽后到槽前的先下沉后上升的空气轨迹。显然，图 8中的轨迹和图 3是非常相似的，例如前者在对流层上部呈反气旋式的弯曲，后者先下沉，到达槽前后转为上升，从多条轨迹的汇合与分散还可以看出水平辐合、辐散和垂直运动方向之间的配合。

图 7 数值模拟出的1993年6月2日01: 00 UTC 气旋云系冷云顶的立体图像(王洪庆等，2000) (彩色面为冰水含量为0.1 g/kg的三维等值面， 水平剖面为1.5和12 km高度上的流场) Fig. 7 Cloud top stereograph of a simulated cyclone system at 01:00 UTC 2 June 1993(The 0.1 g/kg ice water content iso-surface is shown in color， and the wind fields at 1.5 and 12 km altitude are shown as green arrows and red streamlines，respectively; Wang，et al，2000)

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图 8(a)与图 7同，但增加两组用飘带表示的轨迹， 飘带的色彩按气块温度从高到低用从红到蓝表示， 反映气块垂直高度的变化；(b)为(a)的轨迹 (王洪庆等，2000; 张伟等，2006) Fig. 8(a)As in Fig. 7，but including air parcel trajectories(shown as shaded strips). The shading indicates temperatures at different levels，with red colors(at low levels)indicating higher temperatures than blue colors(at upper levels).(b)Air parcel trajectories(Wang，et al，2000; Zhang，et al，2006)

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应当指出，通过大规模数值计算得到的现代气旋图像中的轨迹，是气旋和高空波槽在不断发展和加强过程中的轨迹，即高空槽发展为切断低压和低空暖锋后弯暖核被隔离。单凭物理洞察力是很难完成这种复杂的动态过程图像的。 6 讨论和结语

天气学的发展日益显示出大气运动的复杂性。任何一类天气系统都不是单一尺度的，都存在许多不同尺度运动的相互作用。中纬度气旋的基本属性虽然是大尺度斜压波，但中尺度降水引起的潜热反馈也会影响气旋的发展；热带洋面上数十千米尺度的对流，会发展成为上千千米尺度的热带气旋；中纬度大陆上数十千米尺度的强对流中，会产生只有百米量级的龙卷；如此等等无需一一列举。研究其中所包含的复杂的非线性过程，只有依靠现代大规模数值计算。图 9为用高分辨率的非静力原始方程数值模式揭示的台风内部空气三维运动(Wang，et al，1999)和龙卷在云底形成过程的模拟图像。

图 9(a)利用1999年5月1日南海北部一次台风 过程数值模拟结果计算出的空气轨迹 (短线段为3 h的轨迹，小球为72 h内被追踪气块的位置； 线段和小球的色彩表示垂直速度，红色为上升运动， 蓝色为下沉运动; Wand，et al，1999)；(b)数值模式计算出的 龙卷模拟电影截图(美国强风暴研究中心薛明教授提供) Fig. 9(a)Air parcel trajectories from a simulation of the typhoon system over the northern South China Sea on 1 May 1999. Dashed lines show 3 h trajectories，balls indicate the positions of air parcel trajectories within 72 h， and colors indicate upward(red) and downward(blue) vertical velocity(Wang，et al，1999). (b)Video screenshot of a simulated tornado system(Provided by Professor Ming Xue of University of Oklahoma)

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在台风环流中，海面上含有大量潜在不稳定能量的暖湿空气从四周向台风中心辐合上升(图中的短线段)，由于不稳定能量的释放不断加速形成非常强的上升运动(中心部分的红色线段和小球)，到达对流层顶附近后向东、西两个方向快速流出，分别汇入副热带高空西风急流和南亚高压南侧的热带东风急流。

龙卷则形成在一个数十千米大小并缓慢旋转的强对流云的底部。起伏不平的云底显示有许多只有数十米的小尺度涡旋存在，它们的气压相对较低，使云底出现许多下垂体。这些小尺度涡旋一般都较弱，生消迅速。但如果其中的一个小尺度涡旋强烈发展，中心气压急剧降低，梨形起伏的云底就会发展为下垂到地面的龙卷。

上述两例说明，在高科技时代的天气学领域中，数值模拟的能力几乎达到“无所不能”的程度(王洪庆等， 1998，2004; 陈敏等，2007)。现代天气学的核心任务是如何从数值模式产生巨大的数据中解读出具有物理内涵的科学认识(王洪庆等，1998)，因此非常需要学习和继承近代天气学最突出的优点:深刻的物理洞察力。概念模型是物理认知的一个高度概括。图 10为1988年美国气象学会为纪念艾黎科·帕尔曼(1985年去世)而举行的“温带气旋”专题研讨会上的一张说明物理认知来源于观察、理论研究和诊断这3个方面的示意图(Shapiro，et al，1999)。观测事实要通过理论来认识其本质，理论必须有观测事实作为依据，诊断是将观测事实和理论联系起来的桥梁。在当前计算机和数值化的高新技术时代，天气学的进步仍然是三者缺一不可。仅以此语作为本文的结束。

图 10 物理认知和概念模型来源于观测、 理论和诊断的结合(Shapiro，et al，1999) Fig. 10 Physical underst and ing and conceptual representation through the union of theory， diagnosis， and observation (Shapiro，et al，1999)

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致谢： 作者要特别感谢审稿人之一提供了2011年美国气象学会会刊上一篇非常重要的参考文献(Schultz，et al，2011)。此文认为现代研究表明90年前挪威气旋模型中的锢囚锋和锢囚过程是不存在的，因此天气学教科书中的锢囚过程需要重写。这也是撰写此文的动因之一。