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夏威夷降水异常和厄尔尼诺

Pao-Shin Chu

夏威夷大学马诺阿分校气象学院，海洋地球科学系，

11月20日 1994年

摘要

通过分析夏威夷地区季节性降水异常和厄尔尼诺事件得出，不足的降雨量通常出现在厄尔尼诺年的冬季或者是第二年的春季。厄尔尼诺事件的可靠性已经通过蒙特卡诺模拟得到验证。本文列举并讨论了近期出现的三个厄尔尼诺事件中高层环流型与夏威夷冬季干旱的关系。厄尔尼诺冬季期间的北太平洋的副热带急流的向东扩张，热能量引发的中部太平洋的区域性哈德莱环流及天气系统特征都不抑制夏威夷的冬季降雨。

1. 介绍

许多太平洋热带岛屿都经历着人口快速增长的情况，同时人口的增加也加剧了对食物，水以及其他物品的需求。按照持续目前的趋势，许多岛屿在未来就要面临随着水资源短缺的危机了。在此区域，较大的年际间降雨变化也会进一步加剧这个问题。 年与年之间降水的不确定性以及对与日俱增的对水资源的需求也急迫的要求我们要对降水和短期气候变化之间的关系有一个更好的理解。

在夏威夷，干旱常发生在厄尔尼诺事件之后（Meisner,1976）。依据夏威夷的27个台站，Ropelewski和Halpert合成月降水指数并应用在厄尔尼诺期间。Ropelewski和Halpert（后文中用RH表示）发现从厄尔尼诺年的十月份到第二年的五月份降水趋于干燥。目前的文献利用更多的夏威夷站点资料进一步强调RH的研究。一个更宽泛的降雨收集器的覆盖可以更好地解释背风坡和顺风坡的降水的异常（Giambelluca,1986）。虽然厄尔尼诺事件的可靠性并没有被RH强调，但是被蒙特卡诺模拟技术验证独立性。为了得到夏威夷降雨异常的原因，近期出现的三个厄尔尼诺事件期间要高层环流型将在本文被讨论。

2.数据和数据处理

在本研究中使用的长期雨量站的位置在图1和表1中列出。出。Meisner（1976）和Chu（1989），选择了三个岛屿（考艾岛、瓦胡岛，夏威夷）的27个车站。这27个站点代表了盛行东北信风变化方向以及不同海拔层次的降雨空间分布异常。因为一些台站由于各种原因停止使用，因此依据气候原理，会使用更多的相邻台站的记录(表1)。例如，在考艾岛，从Iliilula中摄取降雨记录会被北瓦卢阿沟1987 年以来的记录取而代之。所以，大多数台站的记录只更新到1992年。每一个站点都已被标准化,然后计算得到的区域指数被用来代表的所有台站的据的算术平均。基准期是1905年-1992年。

高空风速和位势高度数据在欧洲中期天气预报中心获得，经纬分辨率为5°，位势高度场分别为850hpa和200hPa。在热带(22.5°N，22.5°S)，向外辐射的长波辐射(OLR)数据通过安装在极轨卫星的NOAA扫描仪或者更先进的高分辨率扫描辐射仪得到，经纬分辨度为2.5°度。

图1. 夏威夷的主要几个岛屿以及本文涉及站点的位置

（站点的序号与表1展示的一样，未涂实的圆圈代表一个新的站点）

3.降水变化

a. 降雨事件

图2显示了夏威夷在20个厄尔尼诺事件的里季节性降雨异常的时间序列,今年的厄尔尼诺现象发生被表示为（0）;后一年表示为（ 1）。20（0）和（1）对包括1905 - 1906、1911 - 1912,1914 - 1915,1918 - 1919,1923 - 1924,1925 - 1926,1930 - 1931,1932 - 1933,1939 - 1940,1941 - 1942,1951 - 1952,1953 - 1954,1957 - 1958,1965 - 1966,1969 - 1970,1972 - 1973,1976 - 1977,1982 - 1983,1986 - 1987和1991 - 1992。冬天定义的前一年从12月到次年的2月。例如,1987年冬季是从1986年12月到1987年2月。

图2中，降水倾向于小的正异常，从春天到秋天（0）。匮乏的降雨从冬天（0）持续的到次年的秋天（ 1），大的负异常发生在冬季和春季（1）。这一结果表明，与厄尔尼诺现象相关的旱灾在夏威夷是持续期约为六个月。特别值得一提的是高频率的低降雨量发生在冬季（ 1）。在这有限的样本中，发生在冬季的（ 1）低于平均降雨量的概率是90%。因为在厄尔尼诺年这两个季节——冬季和春季，夏威夷降水量出现赤字的概率很高，所以这是一个很确定的指标去暗示紧随厄尔尼诺后的一年将会出现水资源短缺。春天后（ 1），正或负的降雨异常有同等的机会出现。

b.模拟蒙特卡洛

正如前面提到的，在厄尔尼诺时期的某些季节期间低降雨发生的频率是非常高的。因此一个自然的问题被提出，其他随机选择的事件是否与有可能产生与厄尔尼诺现象的一样的统计结论。零假设因此成立为,随机选择下的降水数据也能产生与在厄尔尼诺现象期间(20)发生负降雨异常的相同概率。

88年(1905-1992)的记录被随机数发生器打乱成一组20年的几率，然后，重复这个过程进行大量的试验。根据Noreen（1989年），测试的显著性水平公式（n 1）/（N 1），其中n是模拟样本的数量，用来检验统计量的值（降水异常出现频率）相当于厄尔尼诺现象的检验统计量复合，N是模拟随机样本的数量。在这项研究中N=999。

表2列出了一个厄尔尼诺现象模拟的显著性水平。最突出的例子是冬天( 1);也就是说，通过随机生成的降雨记录，获得负降水异常的概率与在厄尔尼诺情况下的概率比起来很小，999个随机生成的降雨只有0.1%的概率为降水负异常。这表明缺乏降雨量的不在冬季( 1)偶然发生的可能性很小。春天( 1)，从随机样本里得到一个可以和厄尔尼诺比拟的值得概率很低，大约1%。这些结果支持了先前的图2的结论。

表1. 列举了本篇文章中所涉及的站点。在每个岛屿的站点都被精细的安排了，前三个站点是迎风的，接下来的三个站点是中立的，最后的三个站点是背风的。对于每一个岛屿，站点的排列从高的海拔到低海拔。竖线表示随后有替代的站点，星号表示新的站点。

图2. 厄尔尼诺期间的季节性降雨量标准化指标的时间序列

（对于一个特别的季度，20个厄尔尼诺事件中，负降雨量指数的个数已经被展示在图表中）

4.高空环流模式

在本节中，近三年厄尔尼诺冬季的高空环流模式被介绍。1983年冬季在北太平洋中部的位势高度850百帕的分布如图3a所示。显然，夏威夷位于细长且广阔的副热带高压脊的附近，且此区域下沉运动盛行。1987年冬季（图3b），副热带高压的脊被分成两个部分并且夏威夷是在西边部分的东侧，伴随辐散和赤道方向的运动以及反气旋的气流。1992年冬季和1983年的冬季的位势高度模式让人想起了（图3a，c），夏威夷处在一个广阔的副热带高压的脊的系统内。

1983年冬季期间，200hPa的位势高度异常展示在图3d。大的位势高度负异常被发现在中纬度的海洋上，阿拉斯加湾附近为最大的负异常区域。正位势高度异常通常坐落于准低纬度并且夏威夷靠近一个比较大的正位势高度异常区域附近。根据更新到1980年的相关资料，Taylor（1984年）认为在夏威夷冬季的200hpa的正异常的 西太平洋副热带高压脊的加强和向东移的表现。结合1983年冬季（图3a，d）的上下对流层的特点，可以发现副热带高压脊的加强已经延伸到了整个对流层。图3d的经向上的位势高度异常对比有利于在东北太平洋建立异常的热成风，也会加强西风急流。在1987年（图3e）的冬天，中纬度北太平洋的中部表现为负位势高度异常的特征，低纬度地区有小正异常，类似于图3d，除了比较弱的异常值。1992年（图3f冬季），负异常和正异常仍分别占据着中纬度和副热带太平洋中部的大部分地区。

图4a展示了200hPa冬季平均风在200hPa，副热带急流中心被定义为从西太平洋延伸到约155°w的区域内，风速超过40米/秒的地区。在1983年(图4b)的冬季，急流的中心向东延伸到大约130°w的位置，与图 3d中的强位势高度场异常的特征表现符合。夏威夷位于急流出口区的右边，在此区域的上层中的辐合有利于对流层中层下沉和低对流层辐散。1987(图4c)过冬，依据气候学原理急流中心显示更多的向东移动(图4a)。因此，夏威夷位于急流出口区的右边。在1992年冬天(图4d)，副热带急流再向东拉长。Arkin(1982)混合了三个厄尔尼诺的寒冬（1969年-1970 年、1972年-1973 年和1976年-1977 年）期间的风在200hpa，本文并没有给出相应的分析。他的研究结果还表明在厄尔尼诺现象开始发生阶段，北太平洋急流向东扩展的更远。

关于研究夏威夷冬季降水和大尺度的环流的关系可以通过检验OLR在厄尔尼诺期间的变化来获得。在热带地区，OLR和对流之间的对流通常是反比关系。因此，异常低（高）OLR值对应强（弱）对流。因此，OLR也已被直接用于估计热带降水（Motell和Weare，1987年）。

图5展示了在1983年、1987年和1992 年的冬天的OLR异常空间分布。在赤道太平洋中部的冬天,三个厄尔尼诺事件期间，大面积的强负异常表明增强对流和上升

表2. 在蒙特卡诺的试验次数为N=999时，通过厄尔尼诺事件，错误地拒绝零假设的可能性。0代表厄尔尼诺年，1表示随后的一年。黑色粗体的数字表示超过了传统的5%的显著性水平。

图3. 850 hpa的位势高度（a）1983年冬天，（b）1987年冬天, （c）1992年冬天，200 hpa的位势高度（d）1983年冬天，（e）1987年冬天, （f）1992年冬天。850 hpa和200 hpa的等值线间隔分别为20 gpm和30 gpm。负异常区域用虚线表示出来了。异常是基于1980-1992年平均值而得到的。

运动。巨大的对流降水潜热释放不仅驱动在太平洋上空的热带大气环流，也对全球遥相关型模式有着深远的影响(Rasmusson，1991)。副热带北太平洋地区的OLR正异常值比较小，暗示对流运动减弱和下沉运动增强。

图4. 200hpa的风场（a）1980-1992的平均（b）1983年冬天，（c）1987年冬天, （d）1992年冬天。等风速线的间隔为10 m/s。风速大于40 m/s的区域被画了阴影。

5.总结和讨论

这里展示的结果表明，在厄尔尼诺年的冬天和随后的春天，降水量降低的情况出现的概率很高。物理原因随后解释这些关系。在厄尔尼诺事件的鼎盛时期，暖水区的海水向东流向太平洋赤道的中部。增强的热带对流会导致强烈的上升运动,也增强了在北太平洋中部的Hadley环流。因为夏威夷位于哈得来环流圈下沉的部分（Chu等人，1993 年；Lyons，1982年），因此会出现干旱。

另外，与厄尔尼诺现象相联系的赤道强加热现象会引起副热带太平洋中心区域对流层的正位势高度异常和中纬度的对流层的(图3)负位势高度异常。因此，在北太平洋副热带的西风急流更强且向东或者赤道方向的扩展也大于平均值(图4)。夏威夷是位于在急流的出口区的右边，这将有利于在对流层低层的辐散。在北太平洋中部，副热带急流位移的异常和当地哈德莱的环流的发展是两个重要的环流因素。且其都对夏威夷冬季降水的有抑制的作用。

其他热带太平洋岛屿(如夏威夷、关岛、斐济)也有类似的问题,也就是说，都对淡水资源需求日益增高，同时又经历着巨大的年降水变化。希望这里的方法能为其它存在厄尔尼诺现象降雨异常的热带太平洋岛屿提供一些帮助。如果这种关系是严谨的，如夏威夷，这些资料将对各级政府在做远程水资源规划和管理是非常重要的。

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