Yang, Y., and Y.-L. Chen, 2008: Mon Wea. Rev., 136, 120 146. Effects of Terrain Heights and Sizes on Island-Scale Circulations and Rainfall for the Island of Hawaii HaRP Yang, Y., and Y.-L. Chen, 2008: Mon Wea. Rev., 136, 120 146. Report: Chen XinYing

Introduction 夏威夷群島，各島嶼伴隨不同的島大小與地形高度有著不同氣候及天氣. 群島的最東南邊，便是最大的夏威夷島，其直徑有140公里。它主要的地理環境是由兩座火山所支配，Mauna Loa和Mauma Kea (山高度>4000公尺)。Hilo位於島東邊的信風迎風面，而信風的上游特徵主要是有濕不穩定層(2km)伴隨著低CAPE(>100J/kg) 夏威夷的島尺度流與天氣觀測研究(Leopold 1949; Eber 1957; Lavoie 1967 grade)顯示地表熱強迫是島尺度天氣與氣候最顯著的效應。 39 27 81

Introduction 島的大小可能也是另一個影響島尺度環流、天氣及氣候的因素。島大小是決定地表摩擦力 (Grubišić et al. 1995)和決定地熱強迫的因素(Reisner and Smolarkiewicz 1994)，進而影響島尺度環流。 夏威夷的降雨分析，顯示降雨最大值在山的高處。(Giambelluca et al 1986) 山頂高度高於信風逆溫(~2km)降雨最大值會在山坡上；若信風逆溫高於山頂，則降雨最大極值於山頂處。(Ramage and Schroeder 1999) 此篇研究主要是在完全考慮地表強迫(地表熱強迫及摩擦力)下島尺度環流及降雨產生受地形/山高度與島大小的影響。 S_TER

Model description and initialization 使用MM5 36層sigma levels(地表到100hPa) 4層網域(網格大小分別是81,27,9,3km) Grell積雲參數法 Warm rain雲微物理法 LSM (地表四層厚度分別為10,40,100和200cm) 3 9 27 81 為了研究地形舉昇及island blocking對於降雨的效應，使用MM5 LSM。 此外在CTRL實驗是使用真實地形高度，TER70使用70%的真實地表高度，TER35使用35%的真實地表高度及TER00使用平坦0.1公尺高度地形進行模擬。 要確定是否島的大小是影響大信風降雨因素。(如Kauai島的觀測山頂強降雨)所以也設定了一個實驗，以TER35縮小為1/7面積的S_TER實驗 (水平網格為1.5km)。

Island-scale circulation and weather without mountains

a. Diurnal surface winds and temperature 2100 0500 1300 TER00 surface wind and pressure

b. Vertical extents of local circulations Vertical velocity 1700 Mean zonal wind and potential temp. 海岸線位置 Mean wind speed and equivalent potential temp.

b. Vertical extents of local circulations Vertical velocity 2100 Mean zonal wind and potential temp. Land-breeze front Mean wind speed and equivalent potential temp.

b. Vertical extents of local circulations Vertical velocity 0500 Mean zonal wind and potential temp. Land-breeze front Mean wind speed and equivalent potential temp.

c. Simulated rainfall 1500-1900 1900-2300 2300-0300 0300-0700 1500-1900 1900-2300 2300-0300 0300-0700 0700-1100 1100-1500

2100 0500 1700 Mean vertical velocity

Island forcing with different terrain heights

a. Mean surface winds CTRL TER70 Kohala Hilo Kona blocking TER35 TER00

b. Surface air temp. 雲量相關 雲量→ downward LW radiation↑ 雲量相關 雲量→ downward LW radiation↑ Surface air temp. deviations from the mean upstream aircraft sounding T↑ T↓

1400 沒有地形抬升 多日曬 T↑雲水↓ Mean cloud water content

0200 Surface sensible heating flux Downward LW radiation -10 +30 -10 +70

c. Surface winds during the diurnal cycle CTRL TER70 TER35 尾流弱，但海、陸風強 1400 0200

d. Vertical extents of local circulations on the windward side CTRL TER70 TER35 Mean zonal wind and Wind speed deviations from the daily mean 1400 0200

d. Vertical extents of local circulations on the windward side CTRL TER70 TER35 1400 Rainfall (1100-1900) 0200 Rainfall (1900-0300) 1400 0200 Mean vertical velocity

e. Vertical extents of local circulations on the leeward side CTRL TER70 TER35 2 3.2 2.5 3.8 Mean zonal wind and Wind speed deviations from the daily mean 2.8 4.2 1400 0200

e. Vertical extents of local circulations on the leeward side CTRL TER70 TER35 35 18 15 1400 Rainfall (1100-1900) 0200 Rainfall (1900-0300) Mean vertical velocity 1400 0200

f. Effect of terrain heights on rainfall (1) Total rainfall CRTL

f. Effect of terrain heights on rainfall (2)Diurnal variations of rainfall CRTL

f. Effect of terrain heights on rainfall (2)Diurnal variations of rainfall TER70

f. Effect of terrain heights on rainfall (2)Diurnal variations of rainfall TER35

Circulations and rainfall with a reduced terrain area

a. Surface wind S_TER 迎風面：風速>TER35 ~1-2m/s 背風面：風速<TER35 ~1m/s 下午地表溫度<TER35 ~1-3K 夜晚地表溫度>TER35 ~1-2K (加熱率及降溫率都<TER35) 1400 0200 TER35

b. Vertical extent of local circulations 2100 0500 1300 Land-breeze 0.5m/s 厚度20m Mean zonal wind

b. Vertical extent of local circulations 2100 0500 1300 >TER35 ~20-30 cm/s

c. Rainfall >50-100mm >10-50mm 較弱的上升運動 與TER35 Fr相同，降雨最大值多300mm 且較接近山頂，也比CRTL多100mm Minimum 因為LFC最高

Summary 當模式地形高度降低時，島西北方的背風面沒有尾流，Kona海岸西方是很大尾流區，尾流水平延伸隨尾流變弱而縮小範圍。當地形高度低於信風逆溫層又背風面溫度高會使氣流過山。 Island blocking，地形高度也會影響地表熱力強迫的日變化。 1.白天，在地形較低的實驗由於地形抬升較弱所以雲量少，地表加熱很顯著。 夜晚，在地形較低的實驗濕信風層較厚減少長波輻射的損失，地表冷卻較不顯著。 2.白天，在地形較低的實驗，因為強地表加熱使背風面的海風較強。迎風面，因為有顯著地表加熱和較弱的Island blocking使結合上升氣流與貿易風更為強勁。 夜晚，在地形較低的實驗中，因為有較強的貿易風入流，較弱的地表冷卻及坡度較緩，使得迎風面陸風較淺也較弱，向海延伸的距離也較短。

除了山的高度外，島的大小也是另一個影響降水產生及分布的因素。 島較小時，若山高低於信風逆溫，因為坡陡、強貿易風入流，且氣塊到達山頂的時間較短，則降雨最大值較大且較接近山頂。 研究結果顯示Fr是控制氣流經過獨立山的參數，但不是控制夏威夷島迎風面及背風面貿易風降水的參數。 迎風面與背風面產生降水的計算不是單獨適用於動力強迫或地表熱力強迫。 在陸地及海岸的降雨量與上升運動相關，而上升運動來自Island blocking、地形抬升及地表熱力強迫之間非線性相互影響。 此研究的啟發，降雨量在地形較低的實驗，迎風面及背風面因山坡度較緩，所以地形抬升較弱。地形抬升在迎風面，主要是貿易風與上升氣流結合。在背風面，主要是受上升氣流的發展的影響。