《Atmospheric Research》：ENSO-like anomalies alter the diurnal pattern of seasonal rainfall in the Garúa-dominated highlands of the Galápagos archipelago
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本研究针对加拉帕戈斯群岛这一脆弱生态系统面临的气候变化威胁，特别是ENSO极端事件对降水模式的影响这一关键科学问题，通过布设包含垂直降雨雷达剖面仪的新型观测网络，分析了厄尔尼诺/拉尼娜样年份作为局地变暖/变冷情景替代，对圣克鲁斯岛高地季节性降水特征的影响。研究发现，在局地变暖情境下，热季和凉季降水均增加，且对流活动增强，凉季降水由毛毛雨转变为小雨；而在局地变冷情境下，热季典型午间降水峰值被短波振荡模式取代。该研究为评估该地区未来水资源安全及生态系统响应提供了重要的科学依据。
在浩瀚的太平洋东部，坐落着以独特生物多样性闻名于世的加拉帕戈斯群岛。然而，这座自然瑰宝正面临着气候变化的严峻挑战，其中淡水资源的可持续性尤为关键。该群岛的淡水供应高度依赖大气降水，但降水分布却深受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）这一准周期性气候现象的强烈影响。ENSO的暖相位（厄尔尼诺）和冷相位（拉尼娜）会引发该地区降水的剧烈振荡，从而影响植被、动物种群以及当地居民和游客的淡水供应。由于缺乏长期、连续的观测数据，以及对未来ENSO事件频率和强度变化的高度不确定性，准确评估气候变化对加拉帕戈斯群岛水资源安全及生态系统健康的影响面临巨大困难。传统的全球气候模式（GCM）在该区域表现不佳，主要源于其难以准确模拟东太平洋的ENSO动力学。因此，利用高分辨率观测数据深入理解不同ENSO相位下降水模式的细微变化，对于预测未来情景至关重要。
为了揭示ENSO极端事件如何改变加拉帕戈斯群岛高地的降水模式，由Nazli Turini、J?rg Bendix等来自德国菲利普斯-马堡大学地理系遥感与气候学实验室的研究团队，在《Atmospheric Research》上发表了一项深入研究。他们利用在圣克鲁斯岛最高峰克罗克山（Cerro Crocker, 849 m a.s.l.）建立的新观测网络，其中包括一台微雨雷达（MRR），分析了2022年至2024年期间代表拉尼娜样（局地较冷，2022年）、厄尔尼诺样（局地较暖，2023年）和接近中性（2024年）条件的年份数据，将其作为未来可能气候情景的替代。研究重点探讨了热季（3-5月）和凉季（6-12月）降水在日循环、垂直结构、雨滴谱以及驱动因子方面的差异。
本研究采用了多项关键技术方法。核心数据来自微雨雷达（MRR），它能提供高时空分辨率（1分钟，35米垂直分辨率）的降雨率、光谱滴谱和雨滴大小等垂直剖面信息。辅助数据包括由自动气象站（AWS）网络测量的三维风场、GOES-16静止气象卫星反演的对流云频率和逆温层高度、ERA5再分析数据以及高分辨率的加拉帕戈斯群岛再分析（GAR）数据集。研究方法包括对降水参数的日循环和季节性分析、频谱分析以识别显著周期、基于卫星图像的 convective cloud（对流云）检测算法，以及 trade wind inversion（信风逆温）层的识别与特征分析。
3.1. 长期发展
长期气象记录（GAR, 1980-2024）和ERA5再分析数据表明，强降水事件最可能发生在ENSO暖相位或冷相位期间。在克罗克山站点的长期序列中，非常强的厄尔尼诺事件（如1997-98, 2015-16）在两个季节均表现出显著的正降水异常。最近的2023年暖事件在热季和凉季均呈现正降水异常，且凉季伴有异常高温。相反，2021-2022年作为中度至弱的拉尼娜相位，在热季表现出负温度异常和正降水异常，而凉季降水接近正常年份。2022年和2023年的季节分别被视为局地较冷世界（拉尼娜事件增多）和局地较暖世界（厄尔尼诺事件增多）的替代情景。
3.2. 暖异常和冷异常期间降水模式的变化
垂直降水剖面清晰展示了不同热力强迫下的降水类型和总量差异。在局地较暖的2023年热季，观测到深厚的对流性降水，具有明显的午间最大值和日落后次最大值，垂直范围广，雨强大（可达10 mm/h），表明对流活动增强。而在局地较冷的2022年热季，降水呈现出准周期性的振荡模式，午间最大值较弱，伴有短时强降雨。中性年份（2024）则表现为适中的午间对流峰值。对于凉季，典型的特征是低降水量和低雨强（通常<0.5 mm/h），与毛毛雨（Garúa）相关。然而，在较暖的2023年凉季，降水垂直剖面发生变化，毛毛雨被具有一定垂直延伸的小雨所取代，午间甚至出现中等强度的降雨，表明从层云性降水向对流性降水的过渡。而在较冷的2022年凉季，毛毛雨略有增强，特别是在近地面层。
3.3. 降雨和雨滴模式的日循环振荡
频谱分析揭示了降水参数在不同季节和高度上的显著周期性。一个约1.1-1.3小时的周期在所有季节和参数中普遍存在。另一个常见的周期是10-12小时，归因于热力驱动的日循环（热力潮汐）。在局地较暖的世界（2023年），热季和凉季的降雨总量都显示出较强的10小时周期。而在局地较冷的世界（2022年热季），10小时周期消失，被更高频的波动（如~5小时）所取代，这反映了更稳定的大气条件。较冷的凉季（2022年）则在雨滴有效半径上表现出更强的短周期（~3小时和~10小时）波动，可能与稳定层结下云顶的辐射冷却和毛毛雨产生的循环过程（如SCRIM机制）有关。
3.4. 对流云的差异
基于GOES-16卫星的对流云频率分析证实了点观测的结果。在所有热季，对流云发生频率均高于凉季。在局地较暖的2023年，两个季节的对流活动均增强，热季下午尤为明显。而在局地较冷的2022年热季，对流活动频率较低。值得注意的是，在较暖的2023年凉季，出现了一定程度的对流活动，表明确实存在从层云向初始对流的转变。相反，较冷的凉季（2022年）对流活动低于中性年份（2024年），表明太平洋低层层云增强。
3.5. 强迫参数
对垂直风场、水平风场和信风逆温层的分析揭示了降水变化的驱动机制。在局地较暖的世界（2023年），无论是热季还是凉季，迎风面（Puerto Ayora）的上升气流均更强。水平风场在较暖的热季和凉季风速较低，尤其在午间，有利于海风环流和对流发展。信风逆温层在较暖的凉季（2023年）位置更高，且在午间降水发展时逆温层甚至消失，这解除了对云层发展的抑制，允许降水向更高层发展。而在局地较冷的世界（2022年热季），强劲的偏南风（信风）导致强烈的地形强迫抬升和背风坡下沉，但热力驱动的上升气流较弱，降水总量较低。较冷的凉季逆温层高度略低且强度更强，抑制了垂直发展，但较低的温度可能促进了更有效的凝结，导致毛毛雨略有增强。
研究结论与讨论部分强调，在局地较暖（厄尔尼诺样）的世界里，加拉帕戈斯群岛圣克鲁斯岛高地的总降水量在热季和凉季均会增加。热季的降水增强主要源于海风驱动的对流活动加剧；而凉季的降水则从典型的低层毛毛雨转变为具有更大垂直范围的小雨，这是由于信风逆温层减弱或消失所致。降水特征和卫星反演的对流云频率均表明对流活动更加活跃。在局地较冷（拉尼娜样）的世界里，热季典型的午间降水最大值被振荡的、短波长的模式所取代，总降水量较低。有趣的是，凉季在拉尼娜主导的世界里表现出比中性年份略高的降水量，这可能源于较低气温下平流来的潮湿空气具有更好的凝结条件。
这项研究的意义在于，它利用高分辨率的垂直观测数据，首次详细揭示了ENSO相位变化对加拉帕戈斯群岛高地降水日循环和垂直结构的精细影响。研究结果表明，未来若厄尔尼诺事件变得更加频繁和强烈，可能会为群岛带来更多的总降水量，但热季的 torrential rain（暴雨）可能引发洪水，对生态系统和基础设施构成威胁。同时，凉季降水从毛毛雨向小雨的转变，其总水量仍然有限，而这一季节群岛高地重要的水资源来源——云雾水截留（cloud water interception）——在变暖情景下可能因低层层云减少而面临风险，这为评估未来水资源安全带来了新的不确定性。因此，在评估气候变化对岛屿脆弱生态系统的影响时，不仅要关注降水总量的变化，还需考虑降水类型、强度、日循环以及云雾水贡献等多方面的综合效应。未来的研究需要结合更广泛区域的观测和模型数据，特别是对云雾水截留的量化，以更全面地评估加拉帕戈斯群岛未来的水平衡变化。
