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闪电活动与雷达雷暴结构特征的关系
ERIC METZGER AND WENDELL A.NUSS
气象部门，海军研究生学校，加州蒙特利，
（手稿收到于2011/12/15，最终出版与2012/07/27）
摘要：
自从二十世纪八十年代中期，全球闪电定位系统开始发展并在全球很多地区开始部署。以前的闪电研究发现，在雷暴生命周期中云内闪和云间闪活动的会有很大的波动，而且闪电跳和闪电速度的快速变化和通过国家天气服务中心的WSR-88D系统所读取的垂直积分液态水的变化非常接近。这个研究证明了总闪以及其与WSR-88D所测数据之间的关系可以操作性的用来决定雷暴强度从而突出了组合预测方式的潜在优势。达拉斯沃思堡，得克萨斯州和图森，亚利桑那州等地区2006年到2009年的闪电和雷暴数据用来分析闪电活动和雷达参数的关系。结果表明，通过各种雷达参数闪电跳可以分为强风，冰雹和混合型式。在25/34的冰雹式跳跃中和18/20的强风型跳跃中出现在灾害天气预报之前的云地闪相对于云间闪有更强的特征变化。对于冰雹式跳跃。云间闪速率增加，云地闪速率保持稳定或下降。对于强风型跳跃，云地闪速率增加，而12/18的云间闪保持稳定，6/18的云间闪下降。尽管不是所有的闪电跳都会导致灾害天气的预报，但闪电速率的特征行为增加了用雷达对灾害天气做临近预报的信息。
- 背景
总闪是指在雷暴中的所有闪电，包括云间闪和云地闪活动。国家闪电定位网使用天电探测通过低频和甚低频雷达回波来探测地闪回击。（Pierce 1997;Williams et al.1989a,1999）。云间闪能够通过高频和甚高频雷达回波用TOA技术分析进行探测和定位。第一个这样的系统建立在位于佛罗里达州的肯尼迪空间航空中心的美国国家航天局，这一系统被佛罗里达州墨尔本的美国空军第四十五天气中队和国家气象局投入使用（Williams et al. 1999）。另一个新的系统于2001年在阿拉巴马州的国家空间科学和技术中心的新墨西哥采矿和技术研究所得到发展，从2003起在亨茨维尔的国家气象局预报中心投入使用，这里的预报员指出在灾害天气开始之前总闪活动有一个激增。这些闪电跳大约发生于灾害天气出现之前30分钟（Darden et al. 2010），证明了Goodman et al.在2005年和Willams et al.在1999年的研究。这些来自于前人研究的观察结果以及亨茨维尔的设点让维萨拉公司把闪电定位系统发展到更多世界的地区，佛罗里达州的肯尼迪空间中心，华盛顿特区，德克萨斯休斯顿，法国巴黎，德克萨斯达拉斯沃斯堡，亚利桑那州图森。
自从全球闪电定位系统的建立，很多研究已经发现闪电的特征与发展与恶劣的天气有很大的联系。Goodman et al.在2005年发现强雷暴伴随冰雹，龙卷风活动往往伴随着大量的云间闪和正地闪。全球定位系统也已经证明了伴随着电离层反射的云间闪（又称为双极性窄事件）通常是正极性的，并且很有可能是强雷暴的指示器。Montanya et al.在2009年研究了由于强雷暴结构改变导致的恶劣天气开始之前的云间闪的快速变化。以上列举的这些研究包括其他的一些研究给雷暴中的云间闪与云地闪的进化过程提供了一些非常有意义的视角，再加上我们运用地闪定位与当下正在运行的雷达系统相结合，这可能会对我们确认恶劣天气或龙卷风暴活动更有效。
Willams et al. (1989b,1999)，Goodman et al. (2005),Wiens et al. (2005)以及Steiger et al. (2007a,b)做过的很多研究已经聚焦于雷暴结构和与闪电变化有关的雷暴结构的改变。Willams et al.在1999年在佛罗里达中心使用闪电成像传感器演示与显示研究发现相比于最大云顶高度，云间闪与混合相层的最大反射率更吻合。当云间闪突然发生变化时，雷达回波并没有突然的变化，此现象表明在云间闪活动变化时间与地面可感知天气之间存在一个时间差。Willams在1999年还发现一个趋势，在下击暴流发生前1-15分钟云间闪活动频繁。因为下击暴流的形成之前需要有很强烈的上升气流，所以云间闪活动频繁就预示着当雷暴穿过混合相层时，相应的上升气流强度的增大。混合相层是重大电荷分离的已知区域，而有带电标志的上升气流将可能是云间闪跳跃的主要区域。这些研究表明云间闪活动的频繁增加主要发生在雷暴的混合相层。其他研究还表明云间闪一般不发生于冰雹中心，而云间闪的的频繁活动集中于主上升气流和冰雹的边缘（MacGorman et al.2002; Steiger et al. 2007a;Boussaton et al. 2007a）。Goodman et al. (2005)和Wiens et al.(2005)发现了在龙卷风暴中云间闪与暴风雨的另一个重大的特征是闪电缺口一般处于龙卷风暴中闪电较少或没有闪电的地方，通常与雷达回波的有界弱回波区相关。云间闪活动趋势的突变和一些雷暴区域没有闪电是总闪特征中的一部分，国家气象局在亨茨维尔（Darden et al.2010），达拉斯（Demetriades and Patric 2006）,以及图森的业务预报和亚利桑那州的戴维斯-蒙山空军基地的空军天气预报在使用总闪数据时都有提及。
闪电跳跃以及他们先于恶劣天气出现的趋势是和上升气流的强度有关的，这在前人的很多研究中都有提到。例如：Macgorman et al.(2002),Wiens et al. (2005),Steiger et al. (2007a),以及Montanya et al.(2009)都明确的表达了闪电跳跃是与WSR-88D多普勒雷达回波所测量的雷暴中主上升气流的强度有关，这是一个恶劣天气的潜在关键指标，闪电跳跃与恶劣天气发生之间的领先时间。Steiger et al. (2007a)指出闪电跳跃先于伴随有超级雷暴的恶劣天气的地面报道5-30分钟。Goodman et al.(2005)提出一个相似结果，闪电风暴中的闪电跳跃一般先于地面恶劣天气12分钟。Willams et al.在1999年的研究也得出这样的关系。闪电跳发生于地面灾害天气的1-15分钟之前，其平均超前冰雹天气7分钟。尽管不是所有的研究都一直表明闪电跳发生于灾害天气之前，但是闪电跳发生于单体，多单体，超级单体之前的整体趋势显示出闪电跳是一个预报运作的有用的问询工具。Gatlin 和Goodman(2010)以及Schultz et al.(2009,2011)的最近的研究以经验证闪电可以应用于灾害天气的临近预报，并且使用全闪数据时，明显提高了灾害天气预报的预计时间，减小了虚惊率。当前研究要验证闪电数据和标准雷达数据的搭配使用改善了这些数据的操作性运用。
尽管过去的研究表明总闪变化与雷暴特征有一定的联系，但是国家气象局和空军天气预报使用灾害风暴雷达询问技术的清晰的关系还没有建立。Perez et al.(1997)在1990年3月13日堪萨斯州的赫斯顿的龙卷中发现云地闪，云间闪和龙卷活动之间直接的联系，这个龙卷被定为5级风暴，但是没能找到云地闪的增加与风暴雷达数据的直接关系。其他的研究也验证了云地闪速率可以作为龙卷活动的一个预兆，但是有很多种结果，云地闪速率在很有可能是区域性独立的（Perez et al.1997；Carey and Rutledge 2003）。Goodman et al. (2005)的研究表明闪电洞可能经常和穹窿一起出现，Steiger et al. 2007a的工作发现闪电起始点的高度与垂直液态水之间有强烈的关联，并且在操作设置中开始把闪电探测与普遍雷达风暴询问技术联系起来。Steiger et al. 2007a也证明了几个来自WSR-88D的冰雹数据，最大反射率、直液态水含量和闪电源高度的统计上显著相关。需要注意的是虽然这个方法能被用到单体或者孤立的超级单体或者是其他灾害风暴中，但是不能运用到中尺度对流系统和中尺度最流复合风暴中。在中尺度对流系统和中尺度最流复合风暴中，云间闪和云地闪的闪电峰值在灾害性天气中有很大的易变性，表明了总闪与强直线风之间没有明显的关系。
最后，操作性的运用闪电探测技术来确定恶劣天气的关键一步是我们能够方便的辨别出云闪和地闪的跳跃。闪电跳跃已经被Schultz et al.(2009,2011),Gatlin和Goodman(2010)以及其他人定义为闪光频率随着时间的增加。尽管用阈值来定义闪电跳跃变化，Schultz et al.(2009)的研究表明8次/是一个有效简单的方法。Schultz et al.(2009,2011),Gatlin和Goodman(2010)已经测试了一系列不同的闪电跳算法，确实在帮助预报员在实时数据中自动的确定闪电跳超前灾害天气有很大的保证。既然这个研究最关键的是要证明闪电跳和雷达信号之间的关系在灾害天气临近预报的组合预报中是最有效的，我们就只需要通过总闪跳跃确认过程和普遍使用的雷达询问技术参数。这个研究使用的是10次/的阈值，Schultz et al.(2009)发现这个阈值和8次/的阈值想接近，都有较低的虚惊率。在这个研究中使用的雷达参数包括弱回波区域，穹窿，中气旋检测，55dBZ高度的快速变化，最大反射率，垂直液态水含量，垂直液态水密度和阵风位势——一个以垂直液态水含量与回波顶高为基础的算法。这些参数将和实际灾害天气，灾害天气之前的闪电跳活动趋势相比较从而得出一个更好的天气预报的组合方法。第二部分呈现的是数据分析以及所使用的方法论，为第三部分的闪电跳的活动趋势做定量的分析，第四部分讲的是它们与雷达数据之间的关系，第五部分是总结和结论。
- 数据分析和方法论
这个研究所选择的雷暴是产生于德克萨斯达拉斯沃斯堡和亚利桑那州图森因为他们最接近于国家气象局的WSR-88D雷达系统以及可使用的总闪系统。所选择的德克萨斯达拉斯沃斯堡是一个人多的地方，这里有WSR-88D雷达系统，坐落于沃斯堡的南面，雷达系统在LDAR II总闪定位系统的西南方大约44KM。亚利桑那州图森相对人较少一点，是维萨拉公司的LS8000总闪系统的家乡，在他的西南方向将近30KM处有一个WSR-88D雷达系统。这个图森旁边较少人口的地区有一个缺点，这里几乎没有易变的灾害天气事件。
德克萨斯达拉斯沃斯堡的LDAR II系统部署于2001年，并且使用了九个云地闪和云间闪的闪电探测传感器检测。Carey et al.(2005)提供了这个系统的详细介绍，这个系统能够闪电浪涌产生的辐射脉冲。辐射脉冲到达多个传感器的的时间可以用来探测闪电定位，一般取四个，理想的是五个或者更多，甚至九个中的最小值去探测，能把闪电定位精确到100-200M。LDAR II主要是为了搜寻的目的而不是每天操作使用，在强降水中增加传感器的噪音会损坏单个传感器，导致断电情况。如果一个以上的传感器被损坏或者无法使用，LDAR II 可能很难探测云间闪。这个研究中我们把几个可能的雷暴案例删除了，因为传感器噪音导致我们无法探测到询问技术探测到的风暴中的云间闪模式。
LS8000总闪系统是维萨拉公司2007年在亚利桑那州图森发展一个商业闪电定位系统。它和德克萨斯达拉斯沃斯堡的LDAR II最主要的不同是LS8000是一个二维系统，它使用了干涉仪测量方法去探测和定位云间闪，使用时差法去定位云地闪。这个系统需要四个传感器进行操作，两个用来探测闪电，三个传感器中最小的一个用来定位，这样就可以在强降水中减少传感器噪音的危害。像LDAR II，LS8000都能探测云间闪和云地闪，尽管LS8000对云间闪的探测精度只有1-2KM。
两个系统的有效探测范围都是100KM，在几个案例中当所有的传感器都工作时，LDAR II系统的探测范围有时候能达到150KM（Carey et al.2005）。WSR-88D雷达系统与闪电网接近一点可以减少雷达系统先天的扫描仰角的盲区。这就减小了第三水平数据的人工误差，尤其是垂直液态水含量，当风暴远离雷达的时候它很容易受这些错误的影响。靠近雷达站的位置有一个缺点，当距离非常近时，风暴顶部会进入雷达静默区。这种情况限制了一些雷达参数的测量，尤其是55dBZ高度。幸运的是，只有四个案例的研究是这种情况，大量的案例的研究都是在一个最佳的距离雷达站的位置，25-120KM，确保了一个稳定的体扫在每一步中。
雷暴的选择是在2006-2009年之间，基于灾害天气的发生，并且在站点的闪电探测范围之内。灾害天气的发生取决于国家气象局当地的风暴预报（LSRs），是从国家气候数据中心获得的。Schultz et al.(2009)已经提出LSRs中的时间和空间误差，这个也出现在了这次的研究中，并且导致了两个案例被移出研究，因为没有办法确定是哪一个风暴单体产生了灾害天气。为了达到这个研究的目的，灾害天气被定义为19mm（）或者更大的冰雹，25或者更大的风，或者龙卷降落的发生。尽管国家气象局对于灾害冰雹的已经改到了25mm（），但是19mm（）这个标准已经被用来验证这个研究多年了，而且美国空军仍然在使用这个标准。
三级数据是探测每个风暴的垂直液态水含量，回波顶高，中气旋检测和旋风中心特征的改变的主要来源。这些特征被定为使用规则，是在国家气象局的联邦气候手册更新于2006年2月份第11部的D版（FMH-11）。这个标准也是被用来定义二级数据的改变。这些弱回波区，有界弱回波区，弓形回波和风暴顶散度特征，以及最大反射率的变化量，55dBZ反射率的最大高度都是由FMH-11所规范，还有衍生参数，垂直液态水密度和阵风位势。
以前雷暴数据被选出来是以灾害天气的出现以及雷达数据的可获得性，闪电数据是请求维萨拉提供，维萨拉证实了数据的真实性。维萨拉也提供了它们的专有LTS2005软件用来分析闪电数据。图一展示了LTS2005软件分析的2007年3月3
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