Progresso durante o início do século XX
Um aspecto importante da previsão do tempo é calcular o padrão de pressão atmosférica - as posições dos altos e baixos e suas mudanças. Pesquisas modernas mostraram que os padrões de pressão no nível do mar respondem aos movimentos dos ventos atmosféricos superiores, com seus estreitos e rápidos fluxos de jatos e ondas que se propagam pelo ar e passam o ar por si mesmos.
Surpresas e erros frequentes na estimativa dos padrões de pressão atmosférica da superfície sem dúvida levaram os meteorologistas do século XIX a buscar informações sobre a alta atmosfera para possíveis explicações. O meteorologista britânico Glaisher fez uma série de subidas de balão durante a década de 1860, atingindo uma altura sem precedentes de nove quilômetros. Nessa época, os pesquisadores do continente começaram a usar balões não tripulados para transportar barógrafos, termógrafos e higrógrafos para grandes altitudes. Durante o final da década de 1890, meteorologistas nos Estados Unidos e na Europa usaram pipas equipadas com instrumentos para sondar a atmosfera em altitudes de cerca de três quilômetros. Não obstante esses esforços, o conhecimento sobre a atmosfera superior permaneceu muito limitado na virada do século. A situação foi agravada pela confusão criada pelas observações de estações meteorológicas localizadas nas montanhas ou no topo de colinas. Tais observações geralmente não mostram o que era esperado, em parte porque pouco se sabia sobre a atmosfera superior e em parte porque as próprias montanhas afetam as medições, produzindo resultados que não são representativos do que seria encontrado na atmosfera livre na mesma altitude.
Felizmente, um número suficientemente grande de cientistas já havia apresentado idéias que tornariam possível aos meteorologistas pensar tridimensionalmente, mesmo que faltassem medidas meteorológicas suficientes. Henrik Mohn, o primeiro de uma longa linhagem de meteorologistas noruegueses altamente criativos, Wladimir Köppen, o notável climatologista alemão, e Max Margules, um influente meteorologista nascido na Rússia, todos contribuíram para a visão de que os mecanismos do ar superior geram a energia de tempestades.
Em 1911, William H. Dines, meteorologista britânico, publicou dados que mostravam como a atmosfera superior compensa o fato de que os ventos de baixo nível transportam ar em direção a centros de baixa pressão. Dines reconheceu que o fluxo próximo ao solo é mais ou menos equilibrado por uma circulação para cima e para fora no alto. De fato, para um ciclone se intensificar, o que exigiria uma redução da pressão central, a vazão deve exceder a entrada; os ventos da superfície podem convergir fortemente para o ciclone, mas uma vazão suficiente no ar pode produzir uma queda de pressão no centro.
Os meteorologistas da época agora estavam cientes de que circulações verticais e fenômenos no ar eram importantes, mas ainda não haviam determinado como esse conhecimento poderia melhorar a previsão do tempo. Então, em 1919, o meteorologista norueguês Jacob Bjerknes introduziu o que foi chamado de modelo de ciclone norueguês. Essa teoria reuniu muitas idéias anteriores e relacionou os padrões de vento e clima a um sistema de baixa pressão que exibia frentes - que são limites acentuados e inclinados entre massas de ar frio e quente. Bjerknes apontou os padrões de chuva / queda de neve que são caracteristicamente associados às frentes dos ciclones: a chuva ou a neve ocorre em grandes áreas no lado frio de uma direção dianteira quente e quente de um centro de baixa pressão. Aqui, os ventos são das latitudes mais baixas, e o ar quente, sendo leve, desliza sobre uma grande região de ar frio. Nuvens generalizadas e inclinadas se espalham à frente do ciclone; os barômetros caem à medida que a tempestade se aproxima e a precipitação do ar quente ascendente cai através do ar frio abaixo. Onde o ar frio avança para a retaguarda da tempestade, tempestades e chuveiros marcam a elevação abrupta do ar quente sendo deslocado. Assim, o conceito de frentes focou a atenção na ação nos limites da massa de ar. O modelo de ciclone norueguês poderia ser chamado de modelo frontal, pois a idéia de massas de ar quente serem levantadas sobre o ar frio ao longo de suas bordas (frentes) tornou-se uma importante ferramenta de previsão. O modelo não apenas enfatizou a idéia, mas também mostrou como e onde aplicá-la.
Em trabalhos posteriores, Bjerknes e vários outros membros da chamada escola de meteorologia de Bergen expandiram o modelo para mostrar que os ciclones crescem devido a fracos distúrbios nas frentes, passam por um ciclo de vida regular e acabam morrendo pelo fluxo que os enche. Tanto o modelo de ciclone norueguês quanto o conceito de ciclo de vida associado ainda são usados hoje pelos meteorologistas.
Enquanto Bjerknes e seus colegas de Bergen refinaram o modelo do ciclone, outros meteorologistas escandinavos forneceram grande parte da base teórica para a previsão do tempo moderna. O principal deles era Vilhelm Bjerknes, pai de Jacob, e Carl-Gustaf Rossby. Suas idéias ajudaram a tornar possível entender e calcular cuidadosamente as mudanças na circulação atmosférica e o movimento das ondas aéreas que controlam o comportamento dos ciclones.
