氣象學派:Part 1 - 簡介

學派 (school),意指「學術上因詮釋主張不同而形成的門派」(教育部辭典)。更具體來說,學派有以下特徵:


  1. 獨特的理論或觀點:學派最重要的特徵在於其對研究主題的獨特理論或觀點,從而開創一條全新的研究流派。

  2. 共享的研究信念和方法:學派通常遵循共同的基本原則、信念、和研究方法,這影響他們對研究主題的切入點和詮釋方式。

  3. 對領域的長遠影響:學派另一個重要特徵是對該學科的長遠影響,例如改變學科的研究、教學和實踐方式,以及對未來研究者的啟發程度。


在氣象學上,比較著名的有三大學派:維也納氣象學派、卑爾根氣象學派、和芝加哥氣象學派。

▋1. 維也納氣象學派 (Vienna School of Meteorology),或稱奧地利氣象學派 (Austrian School of Meteorology)


Image source: Hammerl (2018)



維也納氣象學派大約在1900年成形 (當時維也納在奧匈帝國的統治下),主要成員是奧地利氣象與地球動力學中心 (Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, ZAMG) 的科學家,例如Julius Hann、Josef Maria Pernter、Max Margules、Wilhelm Trabert、Victor Conrad、Felix Maria Exner、Heinrich Ficker等。在Julius Hann擔任ZAMG的主任期間 (1877-1897),人們開始使用維也納氣象學派來稱呼這群科學家 (Hammerl 2018)。


維也納氣象學派在許多氣象學領域有重要的突破和貢獻 (Hammerl 2018),這也是維也納氣象學派的特點。維也納氣象學派沒有堅持研究某一個主題,而是鼓勵研究不同的主題,而且在研究關鍵的轉折點上,總是能看見維也納氣象學派的科學家 (“the characteristic of the Austrian meteorological school is not the adherence to one direction, but the promotion of each direction, each peculiar talent. There has been always a meteorologist of the necessary character at striking turning points in meteorological research.”; Ficker, 1931, taken from Hammerl 2018)。


舉例來說,Julius Hann擴張和改進奧匈帝國的氣象觀測網,詳細整理和描述各個氣象站觀測到的長期資料,並發表在他的經典著作:Handbook of Climatology (第一版於1883年完成,1897年發行第二版,第三版完成於1911年)。這本著作是早期氣候研究的重大里程碑,對氣候研究有重要的影響,美國氣象學家Cleveland Abbe將Hann視為現代氣候學之父(“the founder of modern climatology”)。


此外,Max Margules和Felix Maria Exner對動力氣象學有深入的研究,Exner在1917年出版的教科書 Dynamical Meteorology 更是經典之作。可惜的是,他們的研究思想太過領先,以至於當時只有少數人能理解,動力氣象學要等到之後才被卑爾根氣象學派發揚光大

▋2. 卑爾根氣象學派 (Bergen School of Meteorology),或稱挪威氣象學派 ( Norwegian School of Meteorology)


Image source: Ćurić and Spiridonov (2023)


卑爾根氣象學派大約在1920年成形,主要代表人物是挪威氣象學家Vilhelm Bjerknes、Jacob Bjerknes、Halvor Solberg、Tor Bergeron、Sverre Petterssen、Erik Palmén等。卑爾根氣象學派強調從基本的數學物理原理來研究大氣和做天氣預報,把氣象學從偏主觀的、依靠經驗的學門,轉變成偏客觀的、根據數學物理的學門,將氣象學變成一門真正的科學。


卑爾根是挪威一個靠海的小鎮,1917年,挪威氣象學家Vilhelm Bjerknes、Jacob Bjerknes、Halvor Solberg、和Tor Bergeron在此地研究中緯度氣旋,發展出氣團分析 (air mass analysis)和極鋒理論 (polar front theory) 來解釋中緯度氣旋的生成、發展、和消散。這些重大的研究成果改變了傳統的天氣預報方法,卑爾根氣象學派也被認為是現代數值天氣預報的始祖。


總括來說,卑爾根氣象學派的思想有以下幾個特點 (Ćurić and Spiridonov 2023, p269-270):

  • 從動力學和熱力學的角度來研究天氣,換言之,可以從數學和物理定律來做天氣預報。Vilhelm Bjerknes進一步發表了大氣的原始方程組 (Primitive Equations),來描述任一瞬間的大氣狀態如溫度、風、氣壓等。

  • 建立密集的觀測網絡來收集大氣在時間和空間上的資料。這些資料不只可用來畫天氣圖,還可以來計算原始方程組中的差分項。

  • 強調個案分析,並且單獨的數據 (如風和氣壓) 不能互相抵觸,需要有整體的一致性。

  • 理論和實務的密切結合。理論的進展來改進天氣預報,天氣預報遇到的問題來推動理論。


1920-30年代,許多歐美國家派人來卑爾根來學習他們的氣團分析和極鋒理論方法,卑爾根氣象學派也非常主動推銷這些新方法。例如1926年Carl-Gustaf Rossby到美國氣象局,研究能否應用極鋒理論和氣團分析的知識來分析美國的天氣;1930年Tor Bergeron去俄國講學,讓蘇聯氣象學家和預報人員了解卑爾根氣象學派的方法。


▋3. 芝加哥氣象學派 (Chicago School of Meteorology)


Image source: Allen (2001)


芝加哥氣象學派約在1940年代後期成形,主要代表人物是芝加哥大學的Carl-Gustaf Rossby,以及他的同事和研究生如Horace Byers、Victor Starr、George Platzman、郭曉嵐 (Hsiao-Lan Kuo)、葉篤正 (Tu-Cheng Yeh)、Dave Fultz等。


芝加哥氣象學派的主要研究方向是大尺度的大氣環流特徵,如中緯度的西風噴流。芝加哥氣象學派主要從流體動力學 (hydrodynamics) 的角度來研究大氣環流,強調空氣運動和動能,將氣壓的改變視為調整過程。這與強調氣壓的重要性,將風的改變視為調整過程的卑爾根氣象學在本質上有很大的不同 (McIntyre 1951)。


芝加哥氣象學派開啟一條研究大氣的全新道路,並提出了群速 (group velocity)、水平混合 (horizontal mixing)、和間接環流 (indirect circulations) 等觀念 (McIntyre 1951)。

▋小結


這篇文章簡介了維也納氣象學派、卑爾根氣象學派、和芝加哥氣象學派,後續希望對這三大氣象學派有更詳細的介紹。


現代的大氣科學在教育、研究、和實務上,都可以看到這些學派的影響。例如,分析氣象站的長期觀測資料來了解當地的氣候特徵,是受到維也納氣象學派Julius Hann的影響;目前天氣圖上的冷鋒、暖鋒、氣壓系統等,是受到卑爾根氣象學派的影響;大氣動力學教的的Rossby Wave、渦度方程等,是受到芝加哥氣象學派的影響。


在芝加哥氣象學派以後,好像就沒有其他的氣象學派。我想原因可能有幾個:

  • 氣象學是新興科學,剛開始時各家爭鳴,比較容易形成學派。當氣象學漸趨成熟,各學派的思想也逐漸融合,開創出全新的學派比較困難。

  • 氣象學派主要以地緣為由,一群人進行類似主題的研究,很像是武俠小說中的門派。當氣象學分工變得更細、變得更加專精、跨單位的交流也越趨頻繁時,同一單位的研究方向可能天差地遠,就失去了學派的必要條件:一群人進行類似主題的研究。

▋參考資料

Allen, D. R. (2001). The genesis of meteorology at the University of Chicago. Bulletin of the American Meteorological Society, 82(9), 1905–1909. https://doi.org/10.1175/1520-0477(2001)082<1905:TGOMAT>2.3.CO;2


Ćurić, M., & Spiridonov, V. (2023). History of Meteorology. Springer, 383pp. (Amazon link)


Hammerl, C. (2018). Viennese School of Climatology. In Oxford Research Encyclopedia of Climate Science. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/acrefore/9780190228620.013.701


McIntyre, D. P. (1951). The philosophy of the Chicago School of meteorology. Archiv Für Meteorologie, Geophysik Und Bioklimatologie Serie A, 4(1), 24–32. https://doi.org/10.1007/BF02246790