AMS百年评述论文译介
首页 > 《科技信息快递》 >2019年>第三期>AMS百年评述论文译介
温带气旋：气象学100年来的研究核心
发布日期 ：2023-05-11
█作者：David M.Schultz1（英国曼彻斯特大学）,Lance F.Bosart,Brian A.Colle,Huw C.Davies,Christopher Dearden,Daniel Keyser,Olivia Martius,Paul J.Roebber,W.James Steenburgh,Hans Volkert,Andrew C.Winters
█编译：张萌 贾朋群
摘要：1919年在气象学上是重要的一年，不仅因为美国气象学会成立于这一年，同时还有其他两个原因。其中之一是J.皮叶克尼斯关于温带气旋结构的论文于1919年发表，建立了著名的挪威气旋模型。也是在那一年，一系列会议的举办促进了温带气旋研究所需的国际合作和科学交流组织的形成，这必然包括跨越国界的空间尺度。本文主要描述针对温带气旋的形成、演变和动力过程，它们构成的锋，以及伴随而来的急流和风暴路径进行科学探究的历史。我们将这些现象统称为气象学的核心，因为在此期间，其在促进气象学研究方面发挥着核心作用。这个成果丰硕的世纪使得温带气旋研究成为可能，是因为1）解决不良预报的实际挑战具有巨大的社会经济影响，2）理论、观测和诊断（包括动力模式）的结合以提供改进的物理解释和概念模型，以及3）强有力的国际合作。气旋的概念框架产生于对气旋分类和理解的渴望；它们包括挪威气旋模型和Shapiro-Keyser气旋模型。理解气旋动力学的挑战引申出诸如准地转、斜压不稳定、半地转和锋生等理论框架。预测爆发性温带气旋的挑战尤其导致新的理论发展，如位势涡度（PV）理论和上游效应。对可预报性的局限性的更深层次的认识源于混沌决定论的演变。最后，观测的洞察力成就了细致的气旋和锋面结构、风暴路径及雨带分类。
1作者通信方式： david.schultz@manchester.ac.uk
1.大气和历史的连续
我们可以从同样的视角来审视大气和历史。两者都是在同时起作用的多个过程以及在不同时间和空间尺度上是连续的。为了理解大气或历史，我们人类有分类给出重点的习惯——无论是大气尺度、物理过程、理论和观测，还是历史上定义的各个时期（例如，美洲的发现、第一次世界大战、凡尔赛条约、第二次世界大战结束、原子时代）。
在大气的连续性方面，本文关注温带气旋，它是频繁在急流中孕育发展的、制造了中纬度一些地区大约85%~90%年降水(Hawcroft et al.2012)以及80%极端降水事件(Pfahl and Wernli 2012)的低压系统。尽管温带反气旋与温带气旋对应，因本章所涉范围，我们仅集中于气旋家族。
在这一历史传承中，本章覆盖的时段是1919–2018年，除了美国气象学会成立，1919年还有两个原因对本章内容有重要影响。首先是挪威卑尔根气象学校发表了温带气旋结构被广泛接受的概念模型(Bjerknes 1919)。认识温带气旋——其动力、结构和演化——是来自卑尔根学校气象学者的重大进步，这使得本章内容尤其与AMS百年相契合。来自卑尔根学校的能量和热情，源自第一次世界大战后Vilhelm Bjerknes和他的挪威同事，他们在气象界构造了一个戏剧性的学科改变并奠定了现代天气学诞生的基础(例如，Friedman 1989,1999;Jewell 1981,2017)。对天气学来说，我们现在称作挪威气旋模型及其相关的极锋理论的发展是由Bjerknes (1919)提出的，Bjerknes and Solberg(1921, 1922)以及Bjerknes (1930)的进一步发展，给出了一个共同框架和表达方式，研究者和预报员可以开展交流。虽然这个模型植根于更早的由Vilhelm Bjerknes和德国学者的研究(例如，Volkert 1999)，然而它将理论和实践研究结合在一起，从而提升了影响力。很多术语引入气旋模型并一直沿用至今(例如，冷锋、暖区、锢囚和极锋)，以及我们下面将见到，一些那时引入的思想丢失和被重新发现(例如，闭塞、后曲锋)。之后，物理定律应用于极锋理论使得定量分析和检验锋生机制成为可能，并且在发现斜压不稳定(Charney 1947; Eady 1949)时达到顶点。这些原因让我们将温带气旋视为气象学的中心。
尽管在常规天气分析中得到广泛的应用，极锋理论在美国很长时间才被接受。挪威气旋模型的很多早期发展在《每月天气评论》中发表，那时该刊的出版机构是美国天气局。尤其是，《每月天气评论》是刊发Bjerknes (1919)2的两本期刊之一，并且报道了美国人Anne Louise Beck撰写的卑尔根学校留学一年的文章(Beck 1922)。尽管这些早期学者向美国预报员宣传挪威气旋模型(例如，Meisinger 1920;Beck 1922)，却遭到美国天气局管理层的拒绝(例如，Bornstein 1981;Namias 1981,1983;Newton and Rodebush Newton 1999;Fleming 2016)。例如，《每月天气评论》编辑Alfred Henry (Henry 1922b,c)评价Bjerknes and Solberg (1921,1922)的文章时争辩到，挪威气旋模型不一定适用于美国天气系统，因为两边的地形差异，而且美国需要更多的地面观测站才能是数据密度与挪威相近(Henry 1922a,b)。随着1926年罗斯贝来到美国，1938年曾经在卑尔根培训的Francis Reichelderfer出任天气局局长，以及随后美国大学气象项目在第二次世界大战期间由曾卑尔根培训的学者实施，极锋理论在美国气象界建立了更深的根基(Bornstein 1981;Namias 1981,1983;Newton and Rodebush Newton 1999)。
2为什么1919年的论文同时在两个不同期刊上发表的原因还有些蹊跷。因为Jakob还年轻，Vilhelm可能选定了期刊。Vilhelm更在意将初步发现快速发表。Geofysiske Publikationer是瞄准战后科学的两个世界的全新平台。而且，新期刊尚没有验证其服务于开创性研究结果的能力。Vilhelm可能认为《每月天气评论》是最可信赖的，因为其初步没有受到战争的影响，而且可能给德国人和奥地利人带来的刺激最小。Vilhelm 最开始倾向于《每月天气评论》，这与他过去与Cleveland Abbe交流相一致，也与他与位于华盛顿的Carnegie研究所的交流相一致(R.M.Friedman 2018,私人通信)。
同样，阻力也在欧洲存在。英国认可卑尔根学校方法也面临同样的挑战(例如，Douglas 1952;Sutcliffe 1982;Ashford 1992)。Meteorologische Zeitschrift杂志，这份欧洲最重要的德语气象研究期刊，Ficker (1923)撰写了一篇深刻的批评卑尔根学校1922年出版物的评述。他赞扬了引入具有清晰和令人印象深刻图表的流程分析流程框以及对不同现象给出简洁和有特色的名称，但也对出现的激进的新理论表示强烈的不认可。
1919年针对本章是一个重要年份的第二个原因，是通过1919年7月在比利时布鲁塞尔召开的一系列会议建立了新的国际合作体系，类似国际气象联合会这样的国际机构就此诞生(Ismail-Zadeh and Beer 2009;Ismail-Zadeh 2016)。国际合作是贯穿本章的关键主题。卑尔根学校的成员和其追随者来自不同国家，又分散到各地创立气象项目，开展国际化研究合作和收集国际外场项目期间的数据(例如，Bjerknes 1935;Bjerknes and Palmén 1937)。虽然卑尔根学校的气象学家有效地推进了国际合作(图1)，合作之路不乏颠簸。其中之一是结束了第一次世界大战的《凡尔赛和约》于1919年6月28日签署。合约立即带来了一些国际合作，其中一项是1919年7月28日布鲁塞尔会(Ismail-Zadeh 2016)，这次会上成立了国际研究委员会(IRC；后来更名为ICSU)，包含一些机构，如国际大地测量及地球物理委员会(IUGG)，该委员会包括6个分支(后来的协会)，其中有国际气象协会[the International Association of Meteorology，IAM；后来更名为IAMAP，目前为国际气象和大气物理/科学协会（the International Association of Meteorology and Atmospheric Physics/Sciences，IAMAS）]。但凡尔赛合约也意味着同盟国被明确排除在前面提及的机构之外——国际合作历程不总是全然正面的，这就是其中一个案例。不管怎么说，从某种程度上，这些非政府国际机构和学术团体(例如，AMS)在社会网络中重现了大气情形从全球到天气尺度的连续体(Volkert 2017)。此外，单个学者及其雇主(例如，大学、政府实验室、国际水文气象局) 经常从这种非盈利的不同尺度的网络中获得能量、启发和推动。这样的进步包含在本文集的各章中，应该在这种重要合作结构的条件下审视。
1919年以来的100年间，温带气旋是国际大气科学界的中心，不仅因为它将动力气象基础研究应用于预报活动，借助了天气尺度数据分析和后来的数值天气预报(NWP)技术。过去一个世纪期间取得的进步在贯穿本章的文字中可追踪，这些章节由一支作者队伍撰写并给出了作者们个人的视角。为了与之前的综述比较，我们参考了AMS出版的专著《气象纲要》（Compendium of Meteorology，Malone 1951）《温带气旋：Erik Palmén纪念文集》（Extratropical Cyclones: The Erik Palmén Memorial Volume，Newton and Holopainen 1990）和《温带气旋的生命循环》（The Life Cycles of Extratropical Cyclones，Shapiro and Grønås 1999）。
《气象纲要》写于20世纪中叶，目的是“估计气象当前的位置……当我们开启气象历史中令人激动的时代时” (Malone 1951,p.v)。5 个章节总结了那时温带气旋科学的状态。Bjerknes(1951)评估了那时极锋理论的状态，通过列举1948年11月7—10日风暴的生命循环，证明了其中的关联。Palmén(1951)给出了三维观测数据包括锋的人工分析，成为“温度扰动作为一般大气环流中气团经向交换环流的联系的作用”的证据(p.599)。数值预报早期气旋发展问题也被Eady (1951)和Charney(1951)提及。最后，Fultz (1951)评述了自己的研究及其他研究的结果，评述中包括了圆盘实验中的气旋涡流和分层环境中锋运动。在 Palmén(1951,pp.618,619)的这些章节中，强调了理论与观测需要更加吻合，得到“气象学者还没有就气旋问题很多基本方面达成一致”和“如果考虑气旋的复杂性，近期很难获得任何满意的理论解”的结论。
1970年代和1980年代初期，业务NWP面临严峻的挑战。业务预报系统在预报快速发展的气旋时大都无功而返(Sanders and Gyakum 1980;Bosart 1981;Gyakum 1983a,b;Anthes et al.1983)。Reed和Albright(1986)给出了一个特别的利用有限区域细网格模式（the Limited-Area Fine Mesh Model，LFM）预报东太平洋爆发气旋生成的臭名昭著的预报，该预报完全没有风暴的发展，结果中心气压误差达55hPa。这些失败带来了1970年代、1980年代和1990年代气旋研究的多产期，期间还开展了大型外场试验，例如气旋性温带风暴（Cyclonic Extratropical Storms，CYCLES；Hobbs et al.1980)、大西洋低压生成试验（Genesis of Atlantic Lows Experiment，GALE；Dirks et al.1988）、大西洋快速增强气旋试验（Experiment on Rapidly Intensifying Cyclones over the Atlantic，ERICA；Hadlock and Kreitzberg 1988)、 阿拉斯加风暴项目（Alaskan Storm Program） (Douglas et al.1991)以及锋和大西洋风暴路径试验（Fronts and Atlantic Storm-Track Experiment，FASTEX；Joly et al.1997,1999）等。这些外场项目展示了气象的结构和演化，以及伴随的锋和降水。与此同时，在计算设施、模式分辨率和模式物理过程的改进带来了解析这些结构的理想的和实时数据模拟能力。模式和计算机硬件的改进还使得爆发性气旋加强率的业务预报在这一时间得到显著改进。这些为新的锋-气旋演化视角打下了基础。这方面的研究在隆重庆祝Erik Palmén与温带气旋研究时终于发芽：《Erik Palmén纪念文集》(Newton and Holopainen 1990)和纪念Bjerknes(1919)发表75周年出版了《温带气旋的生命循环（The Life Cycles of Extratropical Cyclones）》(Shapiro and Grønås 1999)。
本章延续自Shapiro and Grønås(1999)以来20年的进展，同时给出该主题的100年视角。我们受到Shapiro et al.(1999)(图2)提出的用于科学探索的概念模型的影响，该模型展示了极地锋理论提出后的100年里气旋研究的演化。Shapiro et al.(1999)的模型包含了理论、诊断（含动力模拟）和观测方法，类似气旋一样旋转并不断上升给出改进的物理认知和概念模型。本章余下的小节的组织都以这样的混合过程为纲进行撰写。
第2节(Roebber和Bosart撰写)描述了大气过程中随处可见的温带气旋，给出温带气旋在一个世纪里定义的变化，并以东海岸气旋为例。第3节(Davies撰写) 给出气旋理论的概述，包括Dines和Sutcliffe的辐散猜想、锋-波不稳定性、斜压不稳定性、准地转和半地转理论、位涡视角和确定性湍流。这些理论都服务于气旋生成。第4节(Martius和Bosart撰写) 描述了地球气旋的发现(例如，在中纬度极地急流中)和过程，这些过程当气旋反复从中汲取能量时维持急流的强度。第5节(Winters，Dearden和Keyser撰写) 考察了与气旋和锋有关的领域。该节给出锋和锋生的观测、理论和诊断。第6节 (Steenburgh和Dearden撰写) 将锋和气旋的观测和理论综合为一个锋与气旋演化的概念模型。该模型始于卑尔根学校提出的模型，多年来的修改，新概念模型的引进和气旋内锋雨带的结构等。第7节(Colle和 Bosart撰写)讨论了气旋预报在NWP时代的演变，说明了模式改进、更高分辨率和数据同化对气旋预报以及未来进步机遇的重要性。第8节(Volkert和Schultz撰写)强调了100年来的教训，说明了是什么让这个世纪成果如此丰硕，同时展望了下一个世纪的进展。
2.温带气旋——大气层的阿甘
在广受欢迎的影片《阿甘正传》中，主人公说：“生活就像一盒巧克力。你永远不知道你会得到什么。”电影横跨了20世纪40年代中期到80年代初，阿甘遇到了各种各样的美国流行文化的代表性人物——从猫王到两位美国总统（肯尼迪和尼克松），以及经历了（有时还会影响）越南战争、与中国建交、水门事件，以及苹果电脑公司成立等重大事件。类似地，人们可以随机选择一个或另一个气旋事件，并发现每一个都是不同的，因为在它们的发展过程中斜压和非绝热过程存在复杂的相互作用。同样，像Lorenz（1967;在第4节讨论）详细阐述的那样，大气环流到斜压扰动的不稳定性迫使气旋无处不在、不可避免，就像阿甘到处出现一样，影响了半个世纪美国人的生活。
温带气旋的一个简洁和直接的定义3，由Fred Sanders教授提出，定义中他按照Jule Charney的思想，认为气象是一个过程而非其他 。基于这一观点，Sanders和Charney通过动力和热力过程，引用了瞬变斜压旋涡的生成和发展，该过程在地表的明显特征是有一个气压最小值，也即我们认定的气旋。气旋可能最初被认定为气压极小，在初期粗略的天气分析中能够成型，在电报和相应天气观测系统引入(Kutzbach 1979)后，这一过程实时在发生。这些地面观测的收集导致天气图的诞生(例如，Reed 1977)。Petterssen(1969)给出早期地面天气图分析得到的气旋模型的一些例子：1861年Jimman船长相反气流模型、1863年Fitzroy的气旋旋转模型、1883年气旋天气扰动的Abercromby 模型以及Shaw(1911)的气旋模型(图3)。然而，是卑尔根学校通过用四维图像方式梳理这些观测推进了对这些系统的认识，形成到目前都闻名的锋面气旋模型(Bjerknes 1919;Bjerknes and Solberg 1922;图4)。Eliassen (1999)和Volkert(1999)给出了欧洲进展的详细情况。
3技术术语“气旋”由英国商人Henry Piddington（于1848年）生造出来，指一地出现的围绕相对平静中心的螺旋风，这个术语参考了影响从欧洲到印度和中国航线的热带风暴。1887年，Ralph Abercromby在调查了更多叫法的基础上，对温带气旋与热带类似系统之间进行了区分，结果在皇家学会发表，从而为在大英帝国不同地区和其他地方的观测给出详细的例证。
3.气旋和气旋生成理论
气旋和反气旋主要存在于大气混沌的副热带环流中，引发了与它们存在的理由、普遍性、多样性和时空尺度特征相关的基本理论问题。因此，了解天气尺度环流的逐日发展，并建立感知温带气旋形成的理论一直是气象学的长期目标之一，也就不足为奇了。事实上，在Margules对气象学的临别贡献中，他将温带气旋的生成认定为气象学的重大挑战之一，并宣称，“我认为仅凭观测不太可能提供一个有用的气旋生成模型。一个具备足够的观测知识、天生具有想象力和足够耐心的人也许可以达到这一目标”（Margules 1906）。
a.两个新生的假设
第一个新生假设的中心主题是水平辐散。这一假设包含在下面的陈述中：“气旋是由8~10km高度处的空气横向抽出所形成的”（Dines 1912，第46页）。Dines发现的这些特征是一项伟大壮举，他利用匮乏的数据进行了鼓舞人心的分析（图7）。它揭示了成熟气旋的独特结构：在对流层顶附近，一个冷核位于降低的对流层顶之下，覆盖在它之上的是位于平流层下部的暖核。
另一个新生的假设与V. Bjerknes领导下的卑尔根学派有关。卑尔根学派的贡献可以被视为包括两个方面，分别与地面天气环流形势和气旋生成有关。首先，卑尔根学派设想天气尺度大气环流受到一个狭长、倾斜的锋边界控制，锋边界将不同温度的气团分开，而交界面本身被描绘成变形成为冷暖锋交替的部分(第5和第6节)。这种对地面天气形势的描述是对早期研究的重新组合和现有地面观测数据的出色概念化的综合。它对冷锋和暖锋的清晰描绘(经过一些改进)至今仍是天气分析图的主要组成部分。
第二部分来自卑尔根学派的观测，即锋的交界面是波波动的位置，波的波动随后演变成一串气旋族(Bjerknes and Solberg 1922；图8)。他们假设这些波动是由于倾斜的锋的交界面的不稳定性，并尝试确定由均匀倾斜界面组成的基本状态的稳定性，该界面将两种密度和速度不同的均质不可压缩流体分离开来。这一设定重复了Margules(1906)已经提出的假设，如果界面最不稳定的扰动与观测到的锋面波气旋的特征时空尺度相一致，那么该假设将产生惊人的解释力。然而，始于卑尔根学派(Bjerknes and Godske,1936)及随后的大量基于Margulesian锋变体的研究，并没有对这个假说产生充分的有说服力的支持。因此，与上层驱动气旋假说一样，卑尔根学派的锋面不稳定假说缺乏坚实的理论基础。
b.两种实质性理论
到了20世纪中期，出现了两种实质性的理论，对气旋生成的研究产生了持久的影响。这两种理论的一个特点是它们处理散度的独特方法。一种理论明确地聚焦于估算流体的散度分量，而另一种理论则避免了对其的直接考虑。这两种方法的关键是(a)对散度的精确解释，这体现在Durst和Sutcliffe(1938)提出的“准地转”一词中，“……风速偏离地转值……通常较小……(这样整个运动可以被描述为准地转)但是它们具有基本的动力学意义”，以及(b) 认识到涡度垂直分量方程的简化适合于天气尺度环流(Rossby 1940)。
第一个理论(Sutcliffe 1938,1947)从地转分量本身的知识出发，诊断较弱的非地转(或散度)环流分量。它证明了定性地(使用传统的位势图和热力图)推断高层和低层水平散度之间差异的标志是可能的，从而确定了气旋生成(和反气旋生成)的首选区域以及气压系统的平移方向（图9）。Suttcliffe(1947)似乎缺乏自信地总结道，“由于论证和推论都容易受到物理解释和实践检验的影响，它们可能有一些可以接受的优点。”
第二种理论，斜压不稳定理论(Charney 1947；Eady 1949)，来自于对一个温带稳定均匀正压切变流体的稳定性研究。Eady（1949）的结论是“稳定的大尺度斜压大气运动的简单状态的小扰动……几乎总是不稳定的。”并且在 f 平面极限下，最不稳定扰动具有与大尺度气旋相似的空间尺度和增长速率。实际上，尽管纬向温度梯度可以通过对应的纬向气流来平衡，但这种平衡状态的波扰动可以从与之关联的有效位能中得到。随后用一个简单的数值模式进行了模拟，结果表明，有限振幅扰动的增长导致了气旋生成和锋生(Phillips 1956)：“波动以温暖的低气压开始，然后……最后阶段看起来非常像一个锢囚的气旋……在1000hPa等高线上可以看到类似冷锋和暖锋的明确迹象。”这一理论认为锋是在气旋生成过程中出现的，因此与卑尔根学派认为锋是气旋生成的根源的观点有着根本的不同。
这两种理论共同帮助气象学在更广泛的科学界确立了其学术科学学科的地位4。它们也描述了所谓的准地转方程组中的诊断和预测分量的雏形，这些方程很快就得到了正式的推导。第一种理论被概括为产生准地转方程组的诊断分量，即所谓的ω方程(Fjortft，1955)。除了用于预测之外(例如，Suttcliffe and Forsdke，1950；Pettersen，1955)，这个方程被用来检测与向地面斜压带移动的高空槽有关的气旋生成事件(Pettersen，1956)，对不同气旋成因的分类(Pettersen and Smebye，1971)，以及进行个例研究分析，例如海洋爆发性气旋事件。在这些早期研究的同时，在一系列感性的诊断研究中，已经发现了运动学上估算高低层散度对气旋生成和锋生的三维发展的贡献，以及气旋生成和锋生之间的联系(例如Newton 1954,1956；Newton and Palmén 1963)。
之后被正式推导的准地转方程组的预测分量是斜压不稳定理论(Charney 1948；Eliassen，1949)。这个单个、独立的方程表明，在流动过程中存在一个守恒的、准地转形式的位势涡度。这是对原始方程的彻底简化，仅涉及地转环流(从而避免了直接考虑辐散分量)。由于其对数值解和数学分析都适用，为开展斜压不稳定和气旋生成的研究提供了一个富有成效的实验平台。
利用该方程(例如Mudrick 1974)、其半地转形式(例如Hoskins 1975;Hoskins and West 1979;Heckley and Hoskins571 1982;Davies et al.1991;Snyder et al.1991;Wernli et al.1998)，以及原始方程(例如，Mudrick 1974;Simmons and Hoskins 1978,1979;Snyder et al.1991;Thorncroft et al.1993;Rotunno et al.1994;Wernli et al.1998;Schultz and Zhang 2007)进行了三维数值模拟，(1)证实了斜压不稳定的非线性相位重复试验了伴随冷暖锋配置的气旋生成，(2)表明具有急流特征或横向切变的环境流场可以产生广泛的气旋种类和锋面，(3)校准了云非绝热加热的修正作用，以及(4)证明了局部上层对流层异常可以有效地触发地面气旋生成。方程的数学分析( Charney and Stern 1962；Pedrosky 1964)为二维基本态建立了一般的不稳定性判据，从而帮助指导和解释探索性研究的结果。同样，斜压不稳定的概念也是大气环流理论的核心(Held 2019)。
以上讨论的两种实质性理论的兼容性如图10所示。它用多种途径展示了气旋生成特征：基于ω方程考虑的高空强涡度平流伴随的三个阶段的气旋生成(第一行)，三个阶段的对流层下部气流的天气学合成 (第二行)和三维示意图(第三行左图)，以及由伊迪模式下急流的斜压不稳定的半地转非线性模拟生成的地面和对流层顶环流形势(第三行中图和右图)。
c.两个改变范式的框架
20世纪下半叶，两大理论的发展为研究天气尺度的气流发展和气旋生成提供了新的范式。这些范式是位势涡度视角和确定性混沌。前者认为内部位势涡度(PV)和表面位温的时空发展是理解平衡流和这些变量瞬时分布的关键“……诊断上足以推断出所有其他的动力场，比如风、温度、位势高度、静态稳定性和垂直速度” (Hoskins等 1985)。
第二个改变范式的概念是确定性混沌。这个概念的主要缔造者洛伦茨指出，具有非周期性的确定性环流系统是不稳定的，并且在他的突破性研究中指出，“当我们的结果……被应用于表面上是非周期性的大气，它们表明任何方法都不可能预测足够遥远的未来，除非目前的条件是被确切知道的” (Lorenz 1963)。
洛伦茨对气象生成研究结果的意义是多方面的。例如，在天的时间尺度上，NWP初始状态的不确定性原则可能大体上导致气旋生成时间的欠发展或过度发展，甚至是模拟的未发展或未被察觉的发展。例如，图11展示了利用 1999年12月发生在欧洲的主要气旋Lothar进行的42小时ECMWF集合业务预报对初始条件的敏感性(Wernli et al.2002)。在50个集合成员中，只有13个(26%)预报出了强度等于或大于实况的气旋。这样的描述提供了对此类风暴的可预测性的一种实际测量，而接下来的挑战是，如果大气初始气流状态有任何微小变化，那么它能显著地促进或抑制事件的后续发生。同样，在次季节的时间尺度上，一个扇区的气流可以由特定的天气状况支配(例如，以生成一系列瞬变气旋或一系列排列整齐的阻塞高压为特征)，这就引发了与天气状况的可预测性有关的问题。挑战在于确定和理解个别天气事件与持续强迫因素(如海面温度异常、平流层流态)之间联系的性质，以及这种联系是否与对流层混沌流中的可预报性(或不可预报性)有关。
41940 年代以前，预测的不可靠性以及关于气旋生成的普遍观点缺乏坚实的理论基础，对人们充分接受气象学作为一门成熟学科形成了阻碍。事实上，这种观点在此后几十年里仍在某些地区盛行。为了支持这一论点，下面引用Taylor的话（2005）：“1956年9月19日和20日，国家科学院气象学咨询委员会举行了第二次会议，Bronk宣布Edward Teller加入了该委员会。Lloyd Berkner和Carl Rossby被提名为联合主席，由于Berkner是一名物理学家，会议纪要指出，这表明了‘对气象学作为一门科学的承认’”（NAS，1956)。
4.温带气旋发生在哪里？急流和风暴路径
气候学显示，气旋往往发生在特定的地理位置（图12）。具体来说，在北半球冬季，最多数量的气旋生成在北大西洋和北太平洋(图12a)；在南半球冬季，最多数量的气旋生成在南大洋和澳大利亚、新西兰以东(图12b)。这一节的主题是为什么气旋的生成最易发生在海洋上。
首先，气旋和风暴路径是大气环流的重要组成部分(例如，Held，2019)。中纬度大气中，很大一部分经向能量和动量的输送发生在风暴路径内(图13b)，风暴路径因此维持了涡旋驱动(或极地)急流。Starr(1948)在他著名的关于大气环流的文章中考虑了反气旋和气旋在绝对角动量向极输送中的作用。他指出，个别时间平均副热带反气旋在海洋上的分布和形状，促进了偏东信风中绝对角动量向极地输送。他还指出，Bjerknes et al(1933)研究的经典中纬度气旋有助于上层绝对角动量的向下传送，因为气旋前上升的空气比气旋后下降的空气更接近地球的旋转轴。Lorenz (1967)在世界气象组织的专著中对地球的大气环流进行了著名的第一次定量分析。他强调，由于大气环流对小尺度斜压扰动是不稳定的，观测到的环流必须包含成熟气旋和反气旋，这与Bjerknes(1937)的结论一致。Newton(1970)进一步量化了温带气旋在地球大气环流中的作用。他计算出1954年飓风 Hazel(Palmen 1958)在温带变性期间产生的动能是19×1013W，或者说约是整个温带地区动能的25%。这个结果使Newton (1970，第148页)得出结论，“只需4或5个活跃的扰动就足以解释总动能的产生，这与少数扰动就可以实现经向和垂直向必备的热交换的结论是一致的。”
其次，风暴路径的位置和时间变异性决定了中纬度平均气候(Namias 1950)，以及极端天气和气候的频率和强度。在年际尺度上，风暴路径的纬向移动或纬向扩展和收缩会导致风暴路径及其下游地区的区域性降水和温度异常。例如，大西洋风暴路径变化对地中海降水的影响(例如，Zappa et al.2015)，或者在强厄尔尼诺事件期间太平洋风暴路径的变化与北美(例如，Andrade and Sellers 1988;Chang et al.2002)和南美洲(例如，Grimm et al.1998)降水异常的关联。
第三，风暴路径是遥相关媒介。他们在远离原始强迫的地区将罗斯贝波强迫(例如，从热带对流、平流层温度异常、海冰异常)转化为区域影响。然而，风暴路径的作用不仅仅是传递一种扰动。风暴轨迹可以通过背景流场的涡动反馈放大急流中的低频罗斯贝波(例如，Held et al.1989;Hartmann 2007)。
由于这三个原因，对风暴轨迹动力学的详细了解和在数值模式中的适当表示对于捕捉中纬度对外部强迫的动力响应、理解内部变化或对季节及更长时间的预测是至关重要的。
a.全球性事件
早在20世纪以前，气象学家就已经认识到风暴路径的存在（例如Kropotkin 1893;Van Bebber 1891;Van Bebber and Köppen 1895;Chang et al.2002给出了一个概述）。20世纪中期，Klein(1951,1957,1958)和Petterssen(1956)根据地面天气图编制了北半球风暴路径。随着20世纪末网格分析数据集的出现，对风暴轨迹的新的、更全面的观测成为可能。
b.风暴轨迹的动力学
暖空气由于斜压不稳定造成的向上和向极输送所产生的势能释放是瞬变斜压涡旋形成和发展的基本机制，这些涡旋组成风暴轨迹，其表征包括气旋（第3节）。斜压性是衡量斜压涡旋增长潜力的一项指标，考虑到潜热释放的影响，其与经向温度梯度成正比，与有效静力稳定度成反比，(例如,Charney 1947;Lindzen and Farrell 1980;O'Gorman 2011)。潜热加热与垂直风不对称地联系在一起，加热仅在上升过程中发生。由于潜热加热作用，有效稳定度与干静态稳定度相比是降低的。例如，在两个半球的纬度50°，有效稳定度约是干静态稳定度的60%（O'Gorman 2011），表明潜热加热影响个体涡旋的动力。
5.锋和锋生
温带气旋的特征是与它们的发展有关的斜压带或锋面。锋面以温度场和风场的垂直倾斜的过渡区为特征(Keyser 1986)。第一次世界大战之后，卑尔根学派为锋面的研究以及锋面形成过程（气旋生成成因）的研究注入了活力。之后，图2所示的观察、理论和诊断研究的相互吻合，使得对锋生理论动力学的理解以及在锋的概念模型的系统改进方面取得了长足的进展。本节记录和讨论了过去100年来在理解锋面和锋生方面的主要进展，重点讨论了观测、理论和诊断研究之间的协同作用。
a.锋面观测
在极锋理论的发展中，卑尔根学派巧妙地整合了稀疏的定量观测和可视化观测来构建中纬度气旋三维温度结构的概念模型(Bjerks 1919；Bjerks and Solberg，1921，1922)。极锋是卑尔根气旋模型的重要组成部分，它被假设为环绕地球，并将北半球高纬度的极地气团与低纬度热带气团分开。随后，与极锋有关的温度对比代表了气旋生成的能量来源以及锋面波的伴随发展(第3b节)。
20世纪30年代常规高空观测的引入，开启了对极锋理论修正的时代。特别是，对锋面垂直结构的详细分析始终表明，锋面的特征是温度场和风场的倾斜过渡区，而不是卑尔根学派提出的零阶不连续(例如，Bjerknes and Palmén，1937；Palmén and Newton，1948)。观测浪潮对极锋理论的挑战引发了Fred Sanders和Richard Reed的不满，他们哀叹：20世纪中期许多气象学家几乎盲目接受了极锋理论(Reed 2003)。Sanders和Reed特别感兴趣的是一个概念，即锋面不是对流层深层的实体，正如极锋理论暗示的那样。为此，Sanders(1955)分析了美国中南部强地面锋区形成过程中的地面和高空观测结果（图14）。与之前的分析一致，Sanders识别了一个锋区，该锋区在地表附近具有强烈的温度对比、强的气旋性相对涡度，以及增强的静力稳定度。然而，Sanders(1955)分析中的一个异常的方面是，锋区被完全限制在对流层下部。与之相反，Reed and Sanders(1953)、Newton(1954)和Reed(1955)确定了仅在对流层中上层的强热力差异区和气旋性风切变区（图15）。对流层中上层锋结构的观测为高空锋生的概念奠定了基础， 其是指将一楔形平流层空气挤压到对流层中产生对流层顶折叠的过程(如，Keyser andShapiro 1986)。
20世纪下半叶观测能力的进步促使了对极峰理论的进一步修正。例如，卫星技术的出现更详细地说明了中纬度气旋内云和降水的分布情况。Carlson(1980)是第一批通过建立概念模型来综合卫星观测的科学家之一，该模型扩展了卑尔根气旋模型，包括成熟的稳定气旋内气流的三维运动。Carlson(1980)是第一批通过建立概念模型来综合卫星观测的科学家之一，该模型扩展了卑尔根气旋模型，以及成熟、稳定的气旋内气流的三维运动（图16）。虽然 Carlson(1980)模型为描述中纬度气旋的气流提供了一种通用语言，但随着气团轨迹计算的出现，Carlson(1980)模型在未来几年内得到进一步改进(例如, Whitaker et al.1988;Kuo et al.1992;Mass和Schultz 1993;Schultz和Mass 1993;Reed et al.1994;Wernli and Davies 1997;Wernli 1997;Schultz 2001)。
个例研究和密集的外场活动的观测也表明，中纬度气旋内锋的演变和分布并不总是符合卑尔根学派所设想的模式。这些观测阐明了一些天气尺度和中尺度锋面结构不同于原始的极面理论中所包含的锋面结构(表1)。对锢囚气旋的观测也表明，相比于暖锋前的气团温度和冷锋后的气团温度，静力稳定度更能准确地控制暖型和冷型锢囚(Stoelinga et al.2002)。关于锢囚锋的另一种观点的结果是，很少观测到冷型锢囚(例如，Schultz and Mass 1993;Schultz and Vaughan 2011;Schultz et al.2014) 。
b.锋的理论
随着观测对锋区特征进一步的揭示，理论研究试图在理想化的框架内再现和解释锋区的发展。锋作为过渡带的概念与斜压不稳定理论（例如,Charney 1947;Eady 1949)和准地转理论(第3b节)同时出现。这些理论所代表的一个重要转变是，强锋不是气旋发生的必要前提，相反的，强锋是气旋生成的结果。这一转变强调了在随后的锋生理论研究中水平变形的作用。
通过认识到锋的长度是天气尺度而宽度是中尺度，可以理解准地转解的不足。因此，对于直线锋（straight fronts）来说，沿向锋（along-front）的风近似地转，而横向锋的风基本上是非地转的。Sawyer(1956)对横向锋的非地转环流的准地转解进行了修正，将温度和沿向锋风的横向锋非地转平流，以及扰动温度和沿向锋风的垂直平流包括在内，这是对半地转理论的开创性贡献(Hoskins 1975)。然而，Sawyer的解决方案是有限的，因为它只考虑了地转汇流的锋生效应。Eliassen(1962)扩展了Sawyer的工作，将地转水平切变和微分非绝热加热的锋生效应纳入到他的横向锋的非地转环流解中，用于诊断的方程后来被称为Sawyer-Eliassen方程。在地转交汇和水平切变区域，由Sawyer-Eliassen方程诊断出的横向锋非地转环流（图17）代表了一个重大的理论进展，它试图更好地理解锋生动力学，并再现锋的观测特征。
包含了温度和沿向锋风的横向锋非地转及垂直平流的二维半地转预报模式，在绝热和无摩擦条件下，比准地转预报模式表现出更强的再现观测到的地面和高空锋的能力(如Hoskins 1971,1972;Hoskins and Bretherton 1972)。特别是，半地转模式认为锋生是一个两步过程，地转形变加强了水平温度梯度，并诱导了一个横向锋非地转环流。这种环流进一步加强了水平温度梯度，导致地面锋区宽度的收缩，并解释了锋面垂直倾斜的原因（图18）。由地转汇流和水平切变作用形成的二维半地转和原始方程模式（图19），以及它们的原始方程形式，也证实了高空锋生沉降和随之产生的对流层顶折叠的作用(例如，Hoskins 1972;Keyser and Pecnick 1985;Reeder and Keyser 1988)。
c.锋的诊断
锋的诊断研究通过利用一套量化工具来研究锋的结构和动力学，在观测和理论之间架起了一座桥梁。二维Petterssen锋生方程(Petterssen 1936;1956)为锋生的诊断提供了定量基础，是一项开创性的突破。在这个方程中，锋生被定义为水平温度梯度大小的拉格朗日变化率，在没有垂直运动和非绝热作用的情况下，锋生受到水平辐合和形变的强迫。Reed和Sanders(1953),Newton(1954)以及Sanders(1955)是第一批利用Petterssen锋生方程的相关形式，在其各自的高空锋和地面锋诊断中计算出横向锋温度梯度的拉格朗日变化率的人(Miller 1948,在Schultz 2015中进一步讨论)。
Sawyer-Eliassen方程在理想化和分析个例中的应用进一步阐明了锋生动力学和横向锋非地转环流。Todsen(1964)首次将Sawyer-Eliassen方程应用于观测的锋，量化了潜热释放对横向锋非地转环流加强的影响。Shapiro (1981)对Sawyer-Eliassen方程的应用，使人们对高空锋生有了进一步的概念性的理解。Shapiro特别指出，在地转水平切变存在的情况下，沿向锋冷空气平流使横向锋非地转环流相对于高空急流轴发生位移，从而迫使发展中的高空锋的暖侧下沉。这种变化被Rotunno et al(1994)称为夏皮罗效应(Shapiro effect)，这种位移强调了在高空锋形成过程中差异性下沉的作用，Reed and Sanders(1953)最初讨论了这一问题，并在随后的高空锋诊断实验中成为一个重要的研究课题(Newton Trevisan 1984;Keyser and Pecnick 1985;Rotunno et al.1994;Schultz and Doswell 1999;Schultz and Sanders 2002;Lang and Martin 2010,2013a;Schultz 2013)。Sawyer-Eliassen方程的应用也强调了非耦合的（图20）和耦合的（图21）对流层高层和低层横向锋非地转环流对对流初始的影响，以及对气旋生成和向极水汽输送的影响(如Shapiro 1982;Uccellini et al.1985;Hakim and Keyser 2001;2014)。
6.气旋和锋面演变的概念模型
气象学家弄清楚观测到的各种天气系统的方法之一是通过构建概念模型，即表示天气系统共同特征的理想化的示意图。通过对气旋和锋面动力学的了解，本节将探索这些示意图的综合是如何使我们更深入地了解气旋及伴随它的锋的结构和动力学的。
a.挪威气旋模型
正如Bjerknes和Solberg(1922)所总结的，锋面气旋的发源地几乎是一条直的边界，或称作极锋，将冷的东风气流与暖的西风气流分开（图22a）。这一边界在初始低中心位置向冷空气一侧凸起，形成锋波(图22b)，锋波扩大为开放波气旋(图22c)。当冷空气围绕低中心做圆周运动时，暖区变窄(图22d)，最终冷锋赶上低中心以南的暖锋，截断了一团暖区空气，称为暖心隔离(图22e)。最终，暖区完全消失，气旋开始锢囚(图22f)。逐渐的，锢囚的边界消散，气旋成为一个对称的冷空气涡旋(图22g)，然后消亡(图22h)。
b.卑尔根学派在20世纪中期的贡献
卑尔根学派的气象学家在发表了最初的挪威气旋模型(Bergeron 1959)之后，继续完善锋面气旋的知识。到20世纪中期，这些改进包括: (1)认识到锋面更适合被视为温度梯度上的不连续，而不是温度的不连续;(2)确定锋生是在开放波阶段沿着低中心附近的冷锋发生的，即今天所说的锋面断裂的前身;(3)认识气旋的三维结构，包括高空波的作用;以及(4)了解在极端的气旋生成情况下，低压后的极地气流中可能发展出一个二次地面槽（secondary surface trough），其后曲锢囚与近低中心的槽是一致的(Bergeron 1937;Godske et al.1957）。
Godske等(1957)基于卑尔根学派气象学家Tor Bergeron、Jacob Bjerknes和Erik Palmén的大量工作(Bjerknes 1930; Bergeron 1937,1959)，提出了一个最大强度的强锢囚气旋的修正概念模型（图23）。他们将这种锢囚描述为暖型，包括一高空冷锋，其与高空的暖舌，有时被称为高空暖槽 (trowal)相吻合（Crocker et al.1947;Godson 1951;Penner 1955;Galloway 1958,1960;Martin 1999)。高空冷锋可能比地面锢囚锋具有更强的温度对比，为云和降水划分了一重要过渡。二次槽和后曲锢囚延伸至低中心后方的极地气流，后者以冷锋符号识别。在20世纪60年代的挪威，气象学家被训练去观察与这种后曲锢囚[back-bent occlusion，也被称为bent-back occlusion, retrograde occlusion,back-bent(or bent-back)front，(Bjerknes 1930;Bergeron 1937)“有毒的尾巴”有关的强风(Browning 2004命名其为sting jet) (Grønås 1995)。Shapiro-Keyser气旋后弯锋强风的成因及机制研究是近15年来争论的热点(例如Browning 2004;Clark et al 2005;Gray et al.2011;Schultz和Sienkiewicz 2013;Smart and Browning 2014;Slater et al.2015,2017;Coronel et al.2016;Schultz and Browning 2017;Volonté et al.2018)。
c.卑尔根学派之后
自20世纪中期以来，地面和高空观测、卫星遥感、地基遥感、数值模拟和密集的外场项目改变了我们对温带气旋生命周期的认识。
d.当代观点
由于需要更好地预测预报欠佳的爆发性气旋，1980年代和1990年代是温带气旋研究成果丰硕的时期。Shapiro and Keyser(1990)是这一时期的研究成果之一，他们将外场项目观测和数值模拟的知识综合成一个新的四个阶段的海洋温带锋面气旋概念模型（图24）。他们的模型开始于伴随着连续且宽的锋区的气旋生成的早期阶段(第一阶段)。在气旋生成的早期阶段，先前连续的锋面区域发生了破裂，随着冷暖锋温度梯度的不连续收缩(第二阶段)。随后暖锋向西发展至低压后的北风气流，Shapiro and Keyser(1990)称之为后曲暖锋，暖区缩小导致明显的T字型锋面(第三阶段)。最后，冷空气与后曲暖锋包围低中心形成暖心隔离(第四阶段)，“后曲暖锋”（bent-back warm front）这一名称常引起混淆。为简单起见，并避免与其他锋面原型混淆，我们建议将这一特征称为“后曲锋”（bent-back front）。
e.降水结构和雨带
气旋的降水结构是挪威气旋模型的重要组成部分, 包括暖空气上升到暖锋前的楔形冷空气时产生的降水，以及冷锋侵入暖区时产生的狭窄的降水带(图4)。直到天气雷达的发展及后续观测网络的建立，了解与温带气旋有关的降雨形势才取得进展。到20世纪70年代，这种降水特征的中尺度结构开始显现(Browning and Harrold 1970;Harrold and Austin 1974;Browning 1974;Houze et al.1976)。雨带这个术语最初是由Houze等人(1976)提出的，指的是在锋面特定的位置，较长的中尺度降水区域。Houze et al.(1976)根据CYCLES项目收集的观测范围，提出了一种通用的分类方案，确定了6种常见的雨带类型——暖锋、暖区、窄冷锋、宽冷锋、类波和后锋降水。后来Hobbs (1978),Matejka et al(1980), 以及Houze and Hobbs(1982)对这一分类进行了细化，根据相对于地面暖锋的位置对暖锋雨带进行了区分，并在高空冷锋附近增加了浪涌雨带（surge band）。Houze(2014)提出目前的分类，如图25 所示，介绍了在西北象限所发现的锢囚雨带的概念(Sanders and Bosart 1985a,b;Sanders 1986b;Martin 1998;Novak et al.2004,2006,2008,2009,2010;Rauber et al.2014)。
7.预报
对主要温带气旋的预测失败，一直以来都是推动研究计划和提高我们对其认识的催化剂，这再次突显了为什么温带气旋是气象学的核心。最早利用计算机进行数值天气预报后报的事件之一是1949年1月5日北美中部的气旋(Charney et al.1950)。后来，Leary(1971)系统地记录了NMC原始方程模式中对海洋气旋的不足预报和对落基山背风坡气旋的过度预报，但直到那个十年的后期，一种催化剂的出现才给研究领域带来了活力。1979年2月19日北美东海岸发生的声名狼藉的总统日风暴(Bosart 1981)被LFMⅡ(Limited-area Fine Mesh2)模型严重低估。对快速发展气旋定义和研究的动机在某种程度上是由于它们在当时的业务模式中表现不佳(Sanders and Gyakum 1980)。有了这个定义和认识，对快速发展气旋的研究发生了一次爆发(explosion，双关语)。美国国家科学基金会、美国海军研究办公室和其他资助机构在温带气旋研究方面进行了大量投资，包括外场项目、气候学、理论和数值模拟。我们已经在其他章节看到这个工作的大部分成果，本节我们将重点讨论数值天气预报，其具体目标是讨论NWP的一些进展和温带气旋的可预报性，强调一些预报方面的挑战，并对未来提高气旋可预测性的方向提出一些想法。
a.NWP的进展和系统误差
温带气旋的准确业务预报需要精确的数值指导。在Leary(1971)之后，Charles and Colle(2009a)收集了美国东部的一些验证统计数据，以显示在过去几十年中气旋位移误差是如何演变的（图26）。在1978—1979年的冷季，LFMⅡ模式在美国大陆和周围海洋的位移误差在24~48小时之间约为300～440km(Silberberg and Bosart,1982)。到20世纪80年代末，西大西洋气旋位置误差已经改进了约30%。到2002—2007年的冷季，NAM和GFS的位移误差又改进了30%～40%，这表明气旋位置预报自早期研究以来继续改善，尽管幅度不大。
b.集合的使用
由于计算机能力有限，早期的NWP主要致力于改进模式分辨率和物理模型。随着计算机能力的提高，运行若干预报来产生一个集合是可以实现的。集合包含了Lorenz发现的预报的不确定性(第3c节)，尽管其他人之前已经表达了这种担忧(例如Lewis 2005)。从那时起，许多研究已经确定在温带气旋的中短期预报中使用集合预报的好处(例如Froude et al.2007; Park et al.2008;Johnson和Swinbank 2009;Charles和Colle 2009b)。
例如，Froude等(2007)验证了2005年1—4月ECMWF和NCEP集合预报系统0～7天预报中的温带气旋路径。ECMWF集合预报包括50个扰动成员，光谱分辨率为T255L40,NCEP集合预报包括10个扰动成员，光谱分辨率为T126L28。ECMWF 对北半球气旋强度的集合预报略好于NCEP，而NCEP对南半球气旋的集合预报则要准确得多。在另一个例子中，Froude(2011)比较了2008年TIGGE的9个对南北半球的集合预报系统。在大约一半的模式中，南半球的气旋强度和位置误差比北半球大10%~20%，但在其他中心(如 ECMWF、Met Office)的其他模式中，这些误差与大多数模式中的一些相干偏差（coherent biases）更具可比性。一半以上的模式对于两个半球的气旋过于微弱（图27a,b），大多数模式有迟缓偏差(slow bias，图27c,d)。
最近，Korfe和Colle(2018)验证了ECMWF、加拿大(CMC)和NCEP在美国东部和大西洋西部2007—2015年冷季的集合预报。对于提前量小于72h的情况，NCEP和ECMWF集合预报在气旋强度和路径上具有相当的平均绝对误差，而CMC 误差较大(图28)。对于4~6天的预报，ECMWF在12~18h和24~30h的气旋强度预报准确率高于NCEP和CMC。ECMWF在强度和轨迹方面的概率技巧也强于CMC和NCEP。
c.物理过程
目前对于为什么模式预报在过去几十年里有所改进还没有进行详细的调查，模式预报的改进需要系统地改变模式分辨率、数据同化方法和观测值，以及物理模型。然而，更小的气旋误差可能与业务模式分辨率的提高有关，因为全球模式上的网格间距已从20世纪70年代初的约200km降至20世纪90年代初的约80km，再到21世纪初的20~30km。不断提高的分辨率使模式能够更好地解决重要的物理过程，如低层温度梯度(如沿海岸线、海表温度边界)、地形效应(如气流阻塞、背风坡气旋生成)和非绝热效应(如冷凝、表面通量、潜热加热)。
d.中尺度挑战
随着NWP的改善，大的预测失败个例将会减少，但仍然会出现大的可预报性挑战事件，因为气旋位置相对较小的变化可能会导致强降水轴的显著变化，强降水有巨大的社会影响。一个很好的例子是2015年1月26—27日的东海岸气旋，对于西侧边缘的强烈降水梯度即使是短期24小时预报的不确定性也给纽约地区带来了重大问题。例如，图31a为2015年1月27日0600UTC区域雷达图，图31b为NCEP集合预报中25.4mm风暴总阈值的位置(Greybush et al.2017)。这些预报气旋位置偏东(约比观测值偏东100km)的成员给出长岛的降雪量更大，而预报比观测值偏西的成员给出纽约西部的降水量最大。降水的这种不确定性和强烈的西部梯度在许多其他集合系统中都很明显(Greybush et al.2017)。让预报员感到复杂的是，每个集合成员对纽约市地区都得出不同的影响，这一点可以通过模糊聚类技术对不同的集合成员进行聚类来证明。
e.机遇
尽管NWP预报有所改进，但系统错误仍然会导致概率技巧的损失。从历史上看，许多模式性能已经使用基本状态变量(例如温度、风、降水量)进行了量化，用于标准度量(例如500 hPa距平相关、均方根误差)，并在相对较大的地理区域上求平均，或用于选择点。这种方法可以帮助量化模式的好坏，但是它不能帮助确定误差的来源，从而帮助改进模式。另一种验证方法是计算感兴趣的目标周围的误差，例如对流线、雪带、飓风和温带气旋。将来，需要更好地使用面向对象的验证。
8.过去、现在和将来
在过去的100年里，如本章所述，温带气旋研究取得了显著进展。我们能否确定过去有利于这一进展的关键因素?是否有迹象表明怎样才能使这一进程持续下去，类似于预报中的持久性?在未来取得进一步进展的先决条件是什么?
回到第1节，我们认为，使这一时期如此成功是基于以下三点。1)应付对社会经济产生重大影响的糟糕预报的实际挑战；2)图2所示的理论、观测和诊断的结合；3)加强国际合作。
首先，糟糕的预报使得挪威渔船沉没，激励Vilhelm Bjerknes开发观测系统。台站网数据的天气分析带来了挪威气旋模型。气旋生成也是计算机预报的要素。而且，1980年代和1990年代对气旋生成的极大兴趣源自NWP对快速发展气旋的糟糕预报。
再有，这种社会需求带来图2所示富有成效的应用。一个世纪以来最开始细网格天气观测的收集带来了挪威气旋模型，该模型直到1950年代被持续改进，并延续至今。常规观测的进一步收集和分析，通过特殊外场项目获得目标数据，同时雷达和卫星等新观测被开发出来，揭示了气旋内部的结构和过程。1919年时气旋理论是不完整的并存在争议，但是辐散框架、斜压不稳定性、准地转和位涡等概念的建立很大程度上解决了“气旋问题” (例如，Palmén 1951) 。但是，这些理论的验证需要与观测对比。第一次尝试计算天气预报是在20世纪初(Richardson 1922)；但是，自世纪中叶第一次计算机预报(Charney et al.1950)以来，NWP取得了显著进步，驱动这一进步的包括了模拟和构造理论上的进步、观测改进、通过改进资料同化将观测用于改进初始条件以及考虑混沌。所有这些理论、观测和诊断通过数值模拟带来了对相关物理过程认识的改进。
在某种程度上，图2的有效应用的成功依靠研究者个人的特点和他们跨越死亡之谷的愿望，无论是观测和理论之间的死亡之谷，还是业务和研究之间的死亡之谷(例如，National Research Council 2000)，或者是观测和模拟之间的死亡之谷。Rossby (1934,p.32)的论述广为人知，“任何气象教育和研究机构的主要任务是必须缩小数学家和实干家之间的距离，就是让预报员认识到适合的理论教育的价值，并说服研究者经常关注于天气图。”本文合作作者中很多人在我们的气象机构中获得成功，我们将这章奉献给我们的导师和前辈，他们把我们引入事业，教导我们不要畏惧，让我们满怀信心跨越死亡之谷。
第三也是最后一点，过去100年间取得成功的决定性因素，一直是国际志愿合作(第1节；Volkert 2017)。第一次世界大战后出现的共享科学的国际协会以及AMS——最初是国家组织，但后来成为世界范围大气科学主要的专业学会——均在1919年成立。很多卑尔根学派的气象学者是挪威人，但是也有来自欧洲其他国家、英国和美国的人参加培训。这些科学的使者走向全球，很多人定居他处，帮助改进研究方法并推进NWP在美国、英国和欧洲的发展。国际领国际领域的研究项目（例如，全球大气研究计划、Alpine 试验、FASTEX 和THORPEX）的目标是改进对温带气旋及其锋的认识。1975年ECMWF成立以及40多年来的业务实践在支持NWP 国际合作方面至关重要[例如，Woods(2006)中的第20章]。各种国际会议一直是大量科学研讨的焦点，包括气旋研讨会(例如，Gyakum et al.1999)，不久该主题会议将迎来第十九届会议。
考虑到20世纪取得的令人瞩目的进展，目前的趋势是什么?
● 由使用一致的分析和模拟系统的格点气象数据组成的再分析数据集的发展使多年的气象分析成为可能。事实上，这一过程已经产生了许多进展。我们预计还会有更多。
● 通过再分析在一定程度上解决大量数据的可用性，在不久的将来自动化检测和分析这些数据集的方法将会更加先进。用机器学习和人工智能的方法进一步查询数据将变得更加普遍。
● 共享数据集和代码以访问和分析这些数据集的途径正在增加，并将继续增加，这在一定程度上是由国家法规和资助机构的期望推动的。
● 正如第6e和第7节所详述的，气旋的结构和在中尺度和微尺度的可预报性对云微物理过程非常敏感。云微物理的细节在多大程度上影响气旋的演化和可预测性？在当前的NWP模式中，是否遗漏或误传了任何系统性影响？需要收集更多的相关数据集及理论发展，以便更好地理解这些过程，为进一步的进展做好准备。
● 最后， 由于近200年的人为温室气体输入导致的全球变暖，气候变化将对区域气候产生深远的影响。大气和海洋对气候变暖的响应——包括北极海冰的潜在消失和永久冻土的融化——将改变温带天气系统。最近的研究表明，对于急流影响的大小结果是相互矛盾的，但进一步的研究应该会减少这种不确定性。
除了以上的趋势之外下一个世纪的前景如何?当然，100年远远超出了确定性可预测性的极限。因此，对下一个世纪做出预测是十分大胆的以至于不能给出细节。然而，结合最近资料同化中观测结果的变化(Davies 2005)，提出了一些趋势，未来的研究可能会沿着这些趋势发展：
● 传统的研究领域界限将不那么清晰，或将完全消失。温带气旋可能会继续成为气象学的阿甘，但不太可能继续成为气象学的核心。温带气旋研究很可能被同化为可预报性研究，并直接与资料同化和集合预报联系起来。
● 两个半球的中纬度地区仍将是科学研究的热点(除了热带和极地以外的地区)，但仅隐嵌气旋（embedded cyclones）本身就可能失去其作为核心研究对象的特殊地位。
● 专门的外场试验将继续成为进步的催化剂，特别是如果新技术得到应用，无论是在机载平台(载人和无人飞机)上，还是在带有主动传感器的卫星任务上(雷达和激光雷达)。2016年的NAWDEX（the North Atlantic Waveguide and Downstream Impact，北大西洋波导和下游影响）活动可能是最近的一个例子(Schafler et al.2018)。
● 视距（line-of-sight）运动矢量的准全球覆盖应该很快就会实现[ESA卫星大气动力项目(ADM)-风神卫星（Aeolus ）2018年8月发射；http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Aeolus/Overview2]。这项任务可能为资料同化技术和一系列系统的个例研究开辟新的领域。
● 温带气旋及其复合的风暴路径将继续成为区域再分析研究的重要内容（例如，Buizza et al，2018），以便实现对天气和气候的无缝预测(Palmer et al，2008;Hoskins，2013)。
总之，整个世纪里(也就是AMS和挪威气旋模型盛行阶段)温带气旋研究的演变，在一定程度上可类比在其生命循环中被不停歇的风驱动的气旋发展本身(Dutton 1976)。
● 气旋及其研究的主要特征缓慢演化并展示一些固有的可预报性。因此，温带气旋在整个世纪里成为研究的主题。
● 多种尺度小很多的扰动被嵌入，使得每个低压和其生命循环都与众不同。同样，发明和技术发展， 比如计算机和卫星传感器，改变了研究气旋和发布结果的工具。
所以，截至目前尚无法预见的技术手段可能在很多程度上改变温带气旋研究，但是地球温带实际天气系统的影响将继续提醒研究者和大众，这一特别天气现象与大气科学整体之间的联系。
50多年前，Bjerknes(1964,p.314)，作为挪威气旋模型的作者，在AMS的Harald Sverdrup金质奖授奖仪式开幕词中指出：
“但是，我还是最强烈地建议目光更多地指向气象学更窄和更基础的领域，这里是学科创造者所关注的，也依然是我们对学会负责的第一要务：天气预报。学生，也包括教师，太多地躲避天气预报主题这一不易取得进展的领域，而是选择了极少研究价值，却不太伤脑筋，不用被逼着经常向公众展示你犯下的错误的领域。但是从根本上讲，天气预报会很快富有成果。电子自动化已经减轻了大量数据处理负担，目前还出现了电子化计算的预报图。”
到今天，很多学者和学生积极致力于改进温带气旋预报，承担着出现错误的风险，但是也努力量化固有的不确定性5。未来，国家的国际融合——一个全球化相互联系的社会——还会为下一代研究者提供全球大气观测系统和教育。因此，我们必须保持学科的高标准，并希望有所超越，正如过去100年所发生的那样。
5一个例子是德国的“Waves to Weather”合作研究中心(http://www.w2w.meteo.physik.uni-muenchen.de)，该中心得到WMO的高影响天气计划的支持(Brunet et al.2015)。