利用TRMM和MERRA资料评价加州降水异常外文翻译资料

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利用TRMM和MERRA资料评价加州降水异常

安德烈·K·萨夫琴科，乔治·赫夫曼和布鲁斯·沃尔默

利用现代卫星（热带降雨测量任务，TRMM，1998-2014年）和再分析（现代回顾性研究与应用分析，MERRA，1979-2015年），我们从某些方面重新评估了过去几十年加州的降水气候。加州有一个非常明显的雨季，在十二月到二月达到顶峰。然而，这几个月气候降水的95%置信区间意味着，在雨季最重要的时期很可能偏离预期量的60%左右。虽然这些正、负异常几乎每年交替，且倾向于相互抵消，但加利福尼亚的多年降水严重下降出现在年代际尺度上。1986-1994年降水量的下降与2011年开始的降水下降相似，在再分析数据中也很明显。就降水量累积赤字而言，这一事件的严重性不亚于当前的一次。虽然厄尔尼诺现象（厄尔尼诺-南方涛动的暖期，ENSO）经常被认为是一种自然的强迫，预计能减轻干旱，我们的评估是：在过去30年来，ENSO对加州降水的影响最多只有6%。通过对典型降水和干燥期降水的部分风险分析，我们发现在多年干燥事件中，损失最强烈降水事件的可能性在急剧增加。在加州，高达50%的降水是由大气中的河流造成的，这些河流正在登陆。然而，这些现象可以被东北太平洋持续存在的气压脊所抑制甚至阻断。再分析和卫星数据被证明是可靠的，因为它们提供了关于发展条件和观测到的降水异常的信息。

1.介绍

要了解加州的经济状况，有一个现象是非常值得我们注意的，加州的农业产出仅占该州国内生产总值的1.5%左右[美国经济分析局，2014年]，但按农业州的现金收入计算，加州排在第一位[加州食品和农业部，2015]。这一排名来自农民使用加州40%的可用水资源生产的464亿美元的农业产出（Hanak等人，2015年）。

在经历了十多年的温和季节性偏离平均气候之后，人们很容易忘记，加州实际上很容易在各种尺度上发生降水模式的波动。这里正、负降水异常每年交替，在连续几年中往往相互抵消，可能导致一种感觉上的和谐。然而，已有大量的研究使用雨量计的历史记录和重建的树木年轮记录[Dettinger等人，1998年；Haston和Michaelsen，1997年]证明过去几十年和几个世纪加州降水和持续干旱有很强的内在可变性。

这些研究在性质上是开创性的，也为今天了解加利福尼亚的降水气候奠定了基础。大气中的河流向加利福尼亚输送了大量降水[Dettinger等人，2011年]。相对较少的风暴贡献了加州每年的大部分降水，而通常造成这些风暴中最大的大部分是陆地上坠落的球状河流。从长期平均来看，大气中的河流风暴占该州降水总量的20-50%。然而，它们可能会被东北太平洋形成的巨大气压脊所削弱，甚至被其阻挡。

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）对降水的影响，特别是对极端降水的影响， 在许多研究中也得到了讨论，其中很好的例子就是1998年Dettinger等人和2009年Becker等人的研究。例如，后者提供的证据表明，与南加州的拉尼娜相比，厄尔尼诺期间的平均降水量更大。这些发现很容易在随机上下文之外被误解。ENSO被认为具有三大特征：准周期性行为、不规则性和年代际成分（Gehne等人，2014年）。尽管确定论或随机性的物理起源尚未得到解决，但有可靠的观测证据表明，ENSO有一个广泛的主振荡模式，在4-6年重复周期时达到峰值[Gehne等人，2014年]。这里需要注意的一点是，厄尔尼诺现象很少发生。此外，也可以从1998年Dettinger等人的研究推断，由ENSO驱动的降水总变异性的部分实际上是一个相对较小的数字。虽然厄尔尼诺现象更有可能增加加利福尼亚的降水，但不利影响也很可能发生，特别是在较弱的事件中。我们应该铭记我们的期望；厄尔尼诺现象不仅不常见，而且还需要成为一个强有力的事件，以增加产生积极影响的可能性。

最后，我们注意到干旱的特征不仅仅局限于降水异常。那里还存在多种多变量干旱指数，2002年Keyantash和Dracup只是可用指数详尽的COM分析总结的一个例子。这些都是复杂的实体，不仅包括降水：它们还包括土壤湿度、蒸发、河流径流和湖泊水位等变量。干旱指数虽然计算技术复杂，但资源分析人员和一般公众很容易理解和使用。它们是一个很好的工具，可以用来评估干旱的严重程度，并将过去发生的事件和不同的地点与最适合农业应用的共同分母联系起来。

我们绝不试图用降水赤字来进行干旱评估，这超出了我们的范围。在这项研究中， 我们简化了数据来源和术语， 我们在其中量化了加州降水的变异性，特别是赤字，以便更广泛的读者能够理解和使用它们。我们探索最新卫星的可用性和一致性， 重新分析数据作为对加州降水气候的可靠估计，以及最可能的偏差范围。我们发布的数字可以很容易地转换为预期淡水投入的绝对数量，在此基础上，可以为加利福尼亚州建立实际的预期和意外情况。我们显示了最近两个加州雨季（2012-2013年和2013-2014年）的累积降水赤字，这些可以作为参考，得出在危机持续时需要弥补的平均赤字。数据表明降水异常很可能是在2011年开始的，虽然这份报告正在最后编写，但在2014-2015年的季节，加州没有收到预期的数量。我们用最新的数据来评估ENSO的影响，并表明它只驱动了加州降水变化的一小部分。最后，我们证明了在多年干旱事件中丢失最强烈的先兆事件的可能性很高，反映了东北太平洋大气阻塞脊的持久性和主导性作用。

2.使用的数据和方法

我们使用的卫星观测来自美国航天局和日本航天探索机构联合任务-热带降雨测量任务(TRMM)。我们使用3B43的第7版，名为“TRMM和其他数据沉淀产品”。它的数据降水积按月间隔汇总“[Huffman等人，2007年]。后一个产品是TRMM多卫星降水分析（TMPA）的输出，它结合了TRMM和其他几颗卫星产生的估计。此外，该产品的第7版转向使用全球降水气候学中心的雨量计分析，而不是采用气候分析和监测系统的分析。3B43雨量观测值为每月0.25times;0.25度格网盒，可在1998年1月至2014年10月分析时使用。

再分析数据来自现代回顾性研究与应用分析(MERRA)。MERRA数据来自戈达德地球观测系统第5版(GEOS-5)数据同化系统，它结合了NASA的大气环流模型（Rieneker等人，2011）和与国家环境中心合作开发的网格点统计插值分析。我们使用月平均地表通量（简称MATMNXFLX）对地面总降水量进行诊断，对风采用月同化状态（简称MAIMCPASM），地面诊断是在2/3times;1/2（经度times;纬度）度网格上进行的，同化状态为1.25°times;1.25°。有许多参考文献详细描述了MERRA的数据和潜在的激励分析更新同化系统[Bloom等人，1996年；Bosilovich等人，2011年]。MERRA数据已于1979年1月至2015年2月提供。

图1.来自TRMM观测和MERRA再分析的加利福尼亚降水气候。条形图反映了TRMM气候学95%的置信区间。

对于确定性，我们使用标准的环境系统研究所的形状文件来提取数据仅在加利福尼亚。在适当情况下，采用95%置信水平的学生t测验，因此只有在95%置信度下具有统计学意义的结果才被提出。例如，对于异常，假设局地月降水不偏离该月份的数十年气候学，只有当这一假设在95%的置信度被否定时，偏差才被用作自信异常，换句话说，我们只显示出那些与过去几十年自然发生的多变性有很高可信度的异常（MERRA为36年，TRMM为17年）。因此应该理解每次我们使用“自信的”和“确信的”这两个词时都会使用意义检验。

作为ENSO指标，我们使用了Wolter和Timlin提供的多元ENSO指数（MEI）[1998、2011、2015 a]。

我们对损失高强度降水事件的风险分析是一种非常类似于所谓的可归因风险的分数的方法，它已被证明适用于降水Anoma的属性分析-取决于人为强迫的存在[Knuson等人，2014年]该方法需要两个示例：一个是暴露于某个因素的，另一个是不公开的。在我们的例子中， 暴露样本群是覆盖加利福尼亚的所有网格细胞在降水长期下降因素下的降水异常时间序列的样本，但在剩下的时间里未暴露的典型样本种群是相同的。通过计算在两个人群中发生某些事件的频率，如密集的预解放，可以估计如果暴露在事实上的事件中，该事件的损失或收益的风险。当Rlt;0时，暴露和未暴露（典型）种群中最密集降水的发生频率与未暴露群体R=(Fe-FN)/FN发生频率的差异将是损失最密集降水的危险因素。最密集降水的阈值设置为未暴露（典型）人口月降水异常（偏离平均气候）的第95百分位数。同样，风险分析也适用于降水中最弱的第五个百分位数。出现频率被标准化，使得直方图中的所有频率之和等于1。

TRMM和MERRA数据由戈达德地球科学数据和信息服务中心（GES光盘）通过一个具有相关服务的在线档案系统（搜索引擎、web界面、可视化和子集）存档和分发，以更好地理解NASA数据的可用性，GES光盘执行探索活动，从而向更广泛的用户群体提供关于数据内容的更多信息。这里介绍了就是一项这样的活动。

3.结果

MERRA是经过多年改良的同化技术的结果，它特别以增量分析更新为基础，其中大气环流模式预报与最佳融合地面和卫星观测之间的差异迫使环流模型第二次得到纠正运行[Bosilovich等人，2011年；Rienecker等人，2011年]。联合卫星检索，TMPA[Huffman等人，2010]同样处于质量和成熟状态，使许多国家的用户能够在雷达或雨量计无法测量时将其作为一种真正的观测手段加以应用。

图2.MERRA和TRMM降水异常面积平均仅在加利福尼亚，使用95%的可信异常

因此，最近几十年加州的预期降水气候一直是从再分析和卫星数据（图1）中估计出来的，并且与过去报道的加利福尼亚气候一致[Calwell等人，2009年]。如果加州在三月和四月之前没有收到固定的数量，它很可能会在下一个雨季之前没有达到目标。尽管季节降水模式在图1中得到了很好的预测，但强烈的变异性表现在图中条形图的长度上，从TRMM数据来看，条形图代表了这个月气候的95%置信区间，这是加州所有网格细胞的平均值。类似的是来自MERRA的置信区间，为了清晰起见没有显示出来。在12月至2月的雨季高峰期间，干湿异常约为1mm/d，约为预期量的30%，极有可能在任何一年内发生。

关于月降水量异常的时间序列，图2帮助理解图1中的大置信区间。自信地说，大的湿和干异常是最常见的雨季在冬季。MERRA和TRMM的异常估计是如此一致，它们在TRMM任务的时间内以重叠线的形式出现。我们还注意到在图2中，加利福尼亚的MERRA降水异常没有任何人为的趋势。这表明，MERRA降水气候和异常（加利福尼亚）都没有受到NOAA 15（1998年11月）和NOAA 16（2001年1月）卫星的先进微波探测仪（AMSU）数据的影响。Robertson等人在2011年讨论了AMSU对MERRA同化系统的影响。

虽然图2显示了加州降水变化的幅度，但它不能揭示赤字和过度的长期积累。连续降水异常的强度和持续时间的组合会在几个月和几年内累积，从而导致长期赤字和盈余。

我们通过计算图2中异常的时间序列的累积和来演示累积异常，并在图3中给出结果。现在很明显的是，作为一个全州的平均水平，加州在过去三十年的大部分时间里都获得了累积盈余。从1982年开始，降水量急剧增加，恢复到以前的干旱时期，并持续了大约5年，直到1986年。

图3.图2中降水异常的累积和

图4.加州降水的积累。与2004年厄尔尼诺现象以及2012-2013年和2013-2014年近期旱季相比，MERRA和TRMM的预期平均积累量（气候学）

从1986年开始，加州的气候开始向持续赤字的模式转变，赤字逐渐加深，达到35年来从没见过的水平（图3）。在1994-1995年冬季，降水开始反弹，1997-1998年厄尔尼诺现象的冬季恢复尤为强劲，目前预言片的下降（图3所指的一段从2011年开始）与1986-1994年的事件非常相似。

在1998-2011年的重叠期间，TRMM和MERRA进行了密切的比较（图3）。两者均表明，这13年的降水亏缺季节具有较轻的交替性和舒适性，与相对较强、较长的降水盈余季节相平衡。MERRA和TRMM在反映最近一次干旱期降水下降方面实际上是重叠的，我们将利用MERRA和TRMM评估这一时期的降水赤字累积率。

图4显示了仅在加利福尼亚平均的TRMM和MERRA的气候预期降水量积累情况。尽管预计平均降水量是在35年的MERRA和17年的TRMM数据中计算出来的，但这两个数据集都对一年内的预计降水积累作出了非常接近的估计，表1。TRMM和MERRA在估算约-330 mm降水累积2年亏缺时都是一致的。

作为比较，在图4中，我们还绘制了2004-2005年雨季降水的累积盈余，这与中等强度但持续时间较长的厄尔尼诺现象是一致的。TRMM显示了比MERRA更乐观的盈余估计，表2。但即使这个更有利的估计也表明，“高于平均年龄”的厄尔尼诺现象可能无助于像最近一段时期那样完全抵消减少的降水，并在一年内解决赤字。从技术上讲，为了在2014-2015年雨季（即2015年8月）结束前消除前两年（2012-2014年）的赤字，TRMM估计，加州将收到该季节的预期赤字，累计赤字将达到847毫米。然而，2014-2015年雨季的市面汇率评估数据显示，这一季节的开始与2012-2013年相似，图4。11月份的降水最初回升良好，仅在随后的几个月达到了水平。我们的最新估计（未显示），使用了不太准确的实时TRMM和GEOS-5预测，显示从2014年8月到2015年6月底，加州只收到了330毫米的数据，使赤字增加了150-180毫米，这意味着该州目前至少缺少了一年的降水量。