Vooruitgang begin 20e eeuw
Een belangrijk aspect van weersvoorspelling is het berekenen van het atmosferische drukpatroon - de posities van de hoogte- en dieptepunten en hun veranderingen. Modern onderzoek heeft aangetoond dat drukpatronen op zeeniveau reageren op de bewegingen van de bovenste atmosferische winden, met hun smalle, snel bewegende straalstromen en golven die zich door de lucht voortplanten en de lucht door zichzelf heen passeren.
Frequente verrassingen en fouten bij het schatten van patronen van atmosferische druk aan de oppervlakte zorgden er ongetwijfeld voor dat 19e-eeuwse voorspellers informatie zochten over de bovenste atmosfeer voor mogelijke verklaringen. De Britse meteoroloog Glaisher maakte in de jaren 1860 een reeks beklimmingen per ballon en bereikte een ongekende hoogte van negen kilometer. Rond deze tijd begonnen onderzoekers op het continent onbemande ballonnen te gebruiken om opnamebarografen, thermografen en hygrografen naar grote hoogten te dragen. Tijdens de late jaren 1890 gebruikten meteorologen in zowel de Verenigde Staten als Europa vliegers die waren uitgerust met instrumenten om de atmosfeer te onderzoeken tot een hoogte van ongeveer drie kilometer. Ondanks deze inspanningen bleef de kennis over de hogere atmosfeer rond de eeuwwisseling zeer beperkt. De situatie werd verergerd door de verwarring die werd veroorzaakt door waarnemingen van weerstations op bergen of heuveltoppen. Dergelijke waarnemingen lieten vaak niet zien wat er werd verwacht, deels omdat er zo weinig bekend was over de bovenatmosfeer en deels omdat de bergen zelf van invloed zijn op metingen, wat resultaten oplevert die niet representatief zijn voor wat er op dezelfde hoogte in de vrije atmosfeer zou worden aangetroffen.
Gelukkig hadden voldoende wetenschappers al ideeën aangedragen waarmee weersvoorspellers driedimensionaal konden denken, ook als er onvoldoende meteorologische metingen ontbraken. Henrik Mohn, de eerste van een lange rij zeer creatieve Noorse meteorologen, Wladimir Köppen, de bekende Duitse klimatoloog, en Max Margules, een invloedrijke in Rusland geboren meteoroloog, droegen allemaal bij aan de opvatting dat mechanismen van de bovenlucht de energie van stormen genereren.
In 1911 publiceerde William H. Dines, een Britse meteoroloog, gegevens die aantoonden hoe de hogere atmosfeer het feit compenseert dat de lage winden lucht naar lage-drukcentra voeren. Dines erkende dat de instroom nabij de grond min of meer in evenwicht is door een circulatie naar boven en naar buiten. Inderdaad, om een cycloon te intensiveren, wat een verlaging van de centrale druk zou vereisen, moet de uitstroom de instroom overschrijden; de oppervlaktewinden kunnen vrij sterk convergeren naar de cycloon, maar voldoende uitstroom naar boven kan in het midden een dalende druk veroorzaken.
Meteorologen van die tijd wisten nu dat verticale circulaties en fenomenen in de bovenlucht belangrijk waren, maar ze hadden nog steeds niet bepaald hoe dergelijke kennis de weersvoorspelling kon verbeteren. Vervolgens, in 1919, introduceerde de Noorse meteoroloog Jacob Bjerknes het zogeheten Noorse cycloonmodel. Deze theorie bracht veel eerdere ideeën samen en bracht de patronen van wind en weer in verband met een lagedruksysteem dat fronten vertoonde - dat zijn nogal scherpe aflopende grenzen tussen koude en warme luchtmassa's. Bjerknes wees op de patronen van regen / sneeuw die kenmerkend zijn voor de fronten in cyclonen: de regen of sneeuw vindt plaats over grote gebieden aan de koude kant van een oprukkende, warme frontpoleward van een lagedrukcentrum. Hier komen de winden van de lagere breedtegraden en de warme lucht, die licht is, glijdt omhoog over een groot deel van de koude lucht. Wijdverspreide, hellende wolken verspreidden zich voor de cycloon; barometers vallen als de storm nadert en neerslag van de opstijgende warme lucht valt door de koude lucht beneden. Waar de koude lucht naar de achterkant van de storm stroomt, markeren buien en buien het abrupt opheffen van de warme lucht die wordt verplaatst. Zo vestigde het concept van fronten de aandacht op de actie bij luchtmassagrenzen. Het Noorse cycloonmodel zou het frontale model kunnen worden genoemd, omdat het idee dat warme luchtmassa's langs de randen (fronten) over koude lucht zouden worden getild, een belangrijk prognosetool werd. Het model benadrukte niet alleen het idee, maar liet ook zien hoe en waar het moet worden toegepast.
In later werk breidden Bjerknes en verschillende andere leden van de zogenaamde Bergense meteorologie het model uit om te laten zien dat cyclonen groeien door zwakke verstoringen aan de fronten, een normale levenscyclus doorlopen en uiteindelijk sterven door de instroom die ze vult. Zowel het Noorse cycloonmodel als het bijbehorende levenscyclusconcept worden nog steeds gebruikt door weersvoorspellers.
Terwijl Bjerknes en zijn collega's in Bergen het cycloonmodel verfijnden, vormden andere Scandinavische meteorologen een groot deel van de theoretische basis voor moderne weersvoorspelling. De belangrijkste onder hen waren Vilhelm Bjerknes, Jacob's vader en Carl-Gustaf Rossby. Hun ideeën hebben het mogelijk gemaakt om de veranderingen in de atmosferische circulatie en de beweging van de golven in de lucht die het gedrag van cyclonen beheersen, te begrijpen en zorgvuldig te berekenen.
