Characterizing Pineapple Express storms in the Lower Mainland of British Columbia, Canada

Abstract

Pineapple Express (PE) storms are subtropical winter storm systems that are known to trigger precipitation-induced natural hazards. However, they have not previously been well characterized in the Lower Mainland of British Columbia. This study uses an established chronology of PE storms to identify and compare PE and non-PE storms, using (1) meteorological variables recorded at meteorological stations from the Vancouver International Airport and Capilano watershed, (2) streamflow variables from a hydrometric station in Capilano watershed and (3) precipitation samples collected for oxygen isotope analysis from 27 recent storms identified as PE or non-PE storms using satellite imagery. Historical trends in PE storms were then estimated using records of PE storm magnitude (as recorded at Vancouver International Airport) and frequency (as determined from the subset of PE storms that made landfall between 47.5 and 52.5°N) for the period of 1948 to 2011. Results from a Mann-Whitney U-test suggest that median precipitation values of PE storms are significantly higher than those of non-PE storms at the Capilano watershed. Comparisons of the 75^th, 80^th, 85^th, 90^th and 95^th quantiles suggest that both precipitation and streamflow rates at stations in the Capilano watershed were significantly higher for PE storms than for non-PE storms. Precipitation samples from three PE storms identified with satellite imagery exhibited substantially less-depleted oxygen isotope ratios compared with non-PE storms, consistent with a subtropical water vapour source inferred from satellite images. In effect, from 1948–2007, Vancouver experienced 0–7 days/year that are classified as PE storm days, and these storm days contributed an average of 11 and 17% to annual precipitation and stream discharge totals, respectively. Annual PE storm maxima (i.e. total precipitation for the largest PE storm day in a given year) show significant correlations with both storm frequency and annual average temperature, suggesting that the largest PE storms tend to occur in warmer years with increased storm activity. The study also suggests an inverse relationship between the percent contribution of PE storms to annual precipitation and the Madden-Julian Oscillation (MJO) index. These results suggest that water years (1 October–30 September) with substantial PE precipitation are correlated with the negative phase of the MJO when convection is enhanced in the western Pacific Ocean.

Les dépressions en provenance d’Hawaï sont des systèmes de tempêtes d’hiver subtropicales qui sont connus pour leur capacité à déclencher des dangers naturels provoqués par les précipitations. Cependant, par le passé elles n’ont pas été bien caractérisées dans la vallée du bas Fraser de la Colombie-Britannique. La présente étude a fait appel à une chronologie établie de dépressions en provenance d’Hawaï afin d’identifier et de comparer les dépressions en provenance d’Hawaï et celles qui n’en sont pas, à l’aide (a) de variables météorologiques enregistrées à des stations météorologiques de l’Aéroport international de Vancouver et dans le bassin hydrographique de la rivière Capilano; (b) de variables d’écoulement fluvial d’une station hydrométrique dans le bassin de la rivière Capilano; (c) d’échantillons de précipitations recueillis à des fins d’analyse de l’isotope de l’oxygène provenant de 27 tempêtes récentes identifiées en tant que dépressions en provenance d’Hawaï ou non à l’aide de l’imagerie satellitaire. Les tendances historiques en matière de dépressions en provenance d’Hawaï ont ensuite été estimées à l’aide d’enregistrements de l’ampleur de la dépression en provenance d’Hawaï (faits à l’Aéroport international de Vancouver) et de la fréquence (telle qu’elle a été déterminée à partir du sous-ensemble de dépressions en provenance d’Hawaï, dont l’arrivée à terre se situait entre 47.5 et 52.5° N) pour la période allant de 1948 à 2011. Les résultats d’un test de Mann-Whitney permettent de penser que les valeurs de précipitations moyennes des dépressions en provenance d’Hawaï sont considérablement plus élevées que celles des tempêtes autres que les dépressions en provenance d’Hawaï dans le bassin de la rivière Capilano. Les comparaisons des 75e, 80e, 85e, 90e et 95e quantiles semblent indiquer qu’à la fois les taux de précipitations et d’écoulement fluvial aux stations situées dans le bassin de la rivière Capilano étaient considérablement plus élevés pour les dépressions en provenance d’Hawaï que pour les tempêtes autres que ces mêmes dépressions. Les échantillons de précipitations provenant de trois dépressions en provenance d’Hawaï identifiées à l’aide de l’imagerie par satellite ont affiché des ratios considérablement moindres d’appauvrissement en isotopes de l’oxygène comparativement à ceux des tempêtes autres que les dépressions en provenance d’Hawaï, en harmonie avec la source de vapeur d’eau subtropicale qui ressort des images prises par satellite. En effet, de 1948 à 2007, Vancouver a connu de 0 à 7 jours par année ayant été classés comme étant des jours de dépression en provenance d’Hawaï, et ces journées de dépression ont contribué en moyenne l’équivalent d’un taux de 11 % et de 17 % des précipitations annuelles et des totaux des débits des cours d’eau, respectivement. Les maximums annuels liés aux dépressions en provenance d’Hawaï (c’est-à-dire les précipitations totales pour le plus important jour de dépression en provenance d’Hawaï au cours d’une année donnée) révèlent d’importantes corrélations avec la fréquence de la tempête de même qu’avec la température moyenne annuelle, ce qui porte à croire que les plus grandes dépressions en provenance d’Hawaï ont tendance à se produire au cours des années plus chaudes où les tempêtes connaissent une plus grande activité. L’étude tend aussi à indiquer une relation inverse entre l’apport en pourcentage des dépressions en provenance d’Hawaï aux précipitations annuelles et l’indice d’oscillation de Madden Julian (MJO). Ces résultats donnent à penser que les années hydrologiques (du 1er octobre au 30 septembre) qui s’accompagnent d’importantes précipitations de dépressions en provenance d’Hawaï sont corrélées avec la phase négative du MJO lorsque la convection est accrue dans l’océan Pacifique occidental.

Acknowledgements

We thank M. Dettinger for useful insights and providing access to unpublished data, and A. Cooper, L. Sutton and members of the Climate, Oceans and Paleoclimate (COPE) Laboratory and the Climate Impact Research Consortium (CCIRC) for helpful discussions. This manuscript has been improved by the input of two anonymous reviewers and the Associate Editor of CWRJ. This work was supported by a Simon Fraser University Community Trust Endowment Fund grant to D.M. Allen, K. Lertzman and K.E. Kohfeld, as well as K. E. Kohfeld’s Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) Canada Research Chair program and Discovery Grant.