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1995 - 2010年期间美国大陆云闪的空间和时间变异性
Gabriele Villarini a,, James A. Smith
IIHR-Hydroscience＆Engineering系，爱荷华大学，爱荷华市，爱荷华州，美国.
普林斯顿大学土木与环境工程系，普林斯顿，新泽西州，美国.
摘要：
我们使用国家闪电检测网络（NLDN）16年（1995-2010年）的数据来测试美国大陆主要的云地（CG）闪的空间和时间的变异性。（最大的闪电活动定为80天）。极端的雷电活动集中在美国中部和阿巴拉契亚西部的山脉。最大频率的主要雷暴日集中在夏季，并且近年来雷暴日的出现具有明显的偏向。我们同时也测试出随着时间的推移，在美国大陆上的云地闪呈现单一的模式状态。按月分析计算从4月到9月的所有正负地闪。采用非参数Mann-Kendall测试来检测这种单调模式的存在。在研究期间，NLDN通过改进升级来将云际闪电（CC）和目标的云地闪电分隔开来。趋势分析的结果显示：云际闪和云地闪两者中，趋近于阈值的更加敏感，特别是正极性闪光。在美国中部这种现象在统计上呈现出显着的增长趋势，而在洛基山脉，这种趋势总体趋于下降。这些结果提出了一个问题：近年来观察到的闪电活动变化究竟气候系统的自然变化还是与人为因素有关，亦或者和观测网络的不均匀性有关。
引言：
由于恶劣天气和对流性降水有关，对于闪电的研究一直是科学界感兴趣的主题。特别是，大型雷电活动经常与单体和多体雷暴或者超级雷暴，中尺度对流系统，热带和热带旋风（例如，Goodman和MacGorman，1986; Branick和Doswell，1992; Rutledge：1993; MacGorman和Burgess，1994; Black and Hallett，1999; Zipser等，2006;凯莉和布法罗，2007;Dotzek和Price，2009：作为临时讨论）。闪电，冰雹，龙卷风，和风力破坏（例如，MacGorman和Burgess，1994;
Carey和Rutledge，2003; Lang et al。，2004），对流降水（例如，Tapia等人，1998; Petersen和Rutledge，1998; Zipser等人2006;价格，2009b），暴雨和暴雨（例如，Petersen等人，1999; Ntelekos等人，2007）之间的关系。由于这些自然灾害造成的的社会影响，因而我们对其进行了调查。根据国家气象局的调查，1982年至2011年期间，闪电平均每年造成54人死亡（参见Holle等，2005; Ashley和Gilson，2009）。雷电闪电也需要为引起森林火灾（例如，Rorig和Ferguson，1999）和电力的损坏或中断公用事业（例如，Loacute;pez等，1997）造成的巨大经济损失负责。另外，因为闪电造成的相关伤害对保险业也有重大影（例如，Holle等人，1996; Stallins，2002）。
国家雷电探测网络（NLDN）是美国大陆对云地闪活动观测研究的重要支柱。NLDN在1989年开始运作，并且在1995年对系统进行了重大升级（奥维尔，2008;康明斯和墨菲，2009年）。由于1995年的系统升级， 我们拥有了16年的连续数据（从1995年到2010年）可以参考使用来进行大陆雷电活动的研究（例如，奥维尔和霍芬斯，2001; Zajac和Rutledge，2001; Orville等，2011）和区域例如，Bentley和Stallins，2005; Rudlosky和Fuelberg，2011）。气候学研究提供了一种关于闪电的一般的意义，对极端闪电活动的研究一般专注于具体的研究事件，但很少为一个大的数据集和总结在全美国。由于上面所述的闪电，雷暴和对流之间的联系，所以与之相关的极端雷电活动可以为那些关于恶劣天气系统的气候学的研究提供有价值的信息。
Goodman和MacGorman（1986）发现，每年大约25％的闪电在一个地方可以由单一的对流系统。 Zajac和Rutledge（2001研究表明，约有10％的雷暴日占据了大约50％的闪电活动。美国本特利和Stallins大学（2005年）分别在寒冷和温暖的季节调查了十个最活跃的雷暴日，明显的表明了正面边界的对流作用和闪电活动的增加（参见Stallins和宾利，2006）。
另一个很少注意的重要方向是对闪电活动增加或减少的趋势的研究。气溶胶（例如，Steiger和Orville，2003; Bell等人，2009）温度和相关热力学变化变量（例如，Reeve和Toumi，1999; Del Genio等，2007;布鲁克斯和Dotzek，2008;价格，2009a）应该会影响闪电发生的频率。宾利和Stallins（2005）在格鲁吉亚的云地闪闪电活动发现增长趋势，但不能作为正式测试来评估观察到的增长趋势是否有统计学意义。Fieux等（2006）发现佛罗里达州每年闪电具有增加的趋势（1989 - 2004年期间，）由于系统升级。即使NLDN没有升级，16年的数据仍旧可以用来评估闪电中的不稳定性。这些结果对气候变化研究有重大作用，特别是由于在雷电和对流系统之间（例如，Trapp等，2007;价格，2009a），对流层水汽（Price，2000; Price和Asfur，2006）和闪电生成的NOx和臭氧（例如，Sinha和Toumi，1997; Schumann and Huntrieser，2007）之间的关系。此外，确定具有重大闪电活动趋势的地区将会对保险行业产生重要影响（例如，米尔斯，2005）。在这项研究中，我们使用了16年（1995-2010年）美国大陆的闪电数据解决以下问题：1、云地闪的时间和空间分布是什么？哪一天为重大雷暴日？闪电在美国大陆的活动是否有明显的时间趋势？如果检测到趋势，空间上一致的地区闪电频率会有所增加或减少？
本文按以下方式组织。在第2节我们描述数据和方法，其次是第3节我们介绍这项研究的结果。第4节总结本研究的主要内容。
2、数据和方法
NLDN提供了位置，时间，极性，峰值电流和CG闪电的多样性。这个系统随着时间的推移而不断升级（Orville，2008;康明斯和墨菲，2009），提供改进的检测效率尤其适用于靠近网络边界的地点（Cummins等，2006）。 1994年升级后中部地区位置误差在500米左右，第一冲程峰值电流（Ip）的闪烁效率的检测变大超过5 kA，约为90％（Cummins et al。，1998; Idone et al。，1998a，b; Wacker and Orville，1999; Jerauld等，2005; Biagi et al。，2007; Fleenor等等等，2009）。 2002年又有一次重大升级，其中安装了不同的传感器并且传感器位置发生了变化（康明斯和墨菲，2009）。在解释这项研究的结果的同时，重要的是要记住NLDN不是一个“静态”网络，而是经历了变化这些年。如后所述，这些变化可以解释结果。
我们的研究时间是1995年1月到2010年12月之间的16年。我们根据第一次的峰值冲击强度来休整闪光强度，并使用15-kA阈值对于正极性的CG闪光来限制CG闪光的污染云（云）（CC）闪烁（Cummins et al。，2006; Biagiet al。，2007;康明斯和墨菲，2009; Fleenor等，2009;Rudlosky和Fuelberg，2010），尽管这是可能的一些整机型性CG具有小于15kA的峰值强度。在美国大陆进行的其他研究（例如，Huffines and Orville，1999; Orville andHuffines，2001; Zajac和Rutledge，2001），我们分开我们域中的规则网格为0.2位十进制的像素。结果以CG闪密度（闪烁km-2）呈现）通过将像素内的CG闪光的数量除以得到像素区域。我们提供总CG闪电密度的正闪和负闪。重大闪电天的结果通过计算每日时间序列（从12 UTC到12 UTC）的整个域的CG闪存密度。然后我们排序这个记录并确定了80天（每年五天平均）具有最大的CG闪光密度，具有相对的极大事件的大样本。
我们研究每个像素的闪电趋势月度（四月至九月），使用曼恩肯德尔理论（Mann，1945;肯德尔，1975;赫尔塞尔和Hirsch，1993）。这是一个非参数测试（我们不做分配假设），可以提供更强大的结果出现异常值和偏态分布。我们将可能在变化的方向上显示出结果，连同其统计意义，滤除结果在5％和10％的水平。
在“v3”版本的数据（ftp://ghrc.nsstc.nasa.gov/pub / doc / vaiconus / vaiconus_dataset.html），有一个新的字段，其中CG闪烁被区分为CC闪光。因为我们获得了“v3”格式的2010数据。使用CG / CC鉴别器字段来评估一个合适的阈值。在图1，我们显示CC的数量闪烁和CG闪烁作为Ip的功能。大多数负闪光被分类为CG闪光，即使直到给定峰值强度值的记录闪烁的40％，0和-5 kA之间是CC闪烁。通过设置阈值-10 kA，少于30％的闪光灯被分类为CC闪光灯（参见Biagi等人，2007; Fleenor等人，2009）。积极的闪烁Ipb15 kA都被定义为CC闪烁（另见Orville等人，2011），而CG的分数贡献较大值的闪烁增加（图1，底部面板）。根据结果分类，如果我们排除值小于15 kA，CC闪光贡献很大一部分（约70％）的正面闪光。这个贡献减少增加峰值强度，即使CC闪光的分数贡献仍然很大。通过设置一个40kA的门槛，大约40％的总闪光分类为CC闪烁。值得澄清的是，“v3”2010数据只有代表NLDN的行为回溯到2006年4月，当在NLDN中引入云雷时（康明斯）和墨菲，2009）。在那之前，大部分的云脉冲在传感器水平被阻塞，并且根本不包括在内在数据集中。因此，基于2010年的阈值分析数据（图1）不代表这个的第一个十年分析。由于这些原因，我们进行两次分析正值（ 15 kA和 40 kA）和负（0 kA和-10 kA）闪烁。即使CC / CG对2010年的数据有歧视，我们不用在分析中与其余记录的一致性，但是使用峰值强度阈值作为歧视标准。根据Bourscheidt等人最近的结果（2012），滤除由于低电流事件云脉冲污染有额外的好处--减少NLDN闪存检测中的变化，影响多年来的效率。
图1： CC和CG闪光（顶部）和CC分数贡献的数量（底部）作为2010年峰值电流Ip的函数。这些结果是基于可用于2010年数据。
3.结果
3.1。主要雷暴日的闪电
我们从重要的雷暴日开始，16年的研究期间我们突显其空间变异性以及季节周期和年度分布，专注于80天内闪电次数最多的雷暴日。这些80天里，在整个数据集内分开选择的正负极性闪光。通过映射这些80天的闪电的总数，我们开发了空间结构的气候学，意味着大部分时间的CG闪电（图2）。给定联系在雷电和雷暴系统之间，这些结果可以提供有关气候学的有价值的有组织的对流系统。
我们从与正极性相lsquo;闪rsquo;关的结果开始并排除Ipb15 kA（图2，左上角）面板）和Ipb40 kA（图2，右上图）。在这些80天，整个地区都有闪电在落基山脉以东，闪电密度增强在上密西西比河流域。通过设置一个阈值为40 kA，受影响地区的空间范围闪电在这几天减少，闪光密度也越来越小。而且，最大的CG闪光密度稍微偏移到东南部，具有增强的闪电活动属于德克萨斯州南达科他州和明尼苏达州。这种增强的活动正极性闪光（参见例如Boccippio等人，2001; Carey和Rutledge，2003; Orville等人，2011）连接到到超细胞结构，龙卷风和雹暴（例如，Branick和Doswell，1992; Rutledge等，1993; MacGorman和Burgess，1994; Carey等，2003;凯里和布法罗，2007）
主要闪击密度的空间分布当我们专注于消极的闪光时，闪电天会发生变化（图2，中间图）。增强活动转移的地区向东，占地面积更大，特别包括俄亥俄谷和美国中部以及沿海地区从路易斯安那州到卡罗莱纳州。当我们将负值设置为-10 kA的阈值时模式不变，闪击出现。因为负极性闪光的数量很多大于正极性，空间范围内所有闪光的密度值与负极性闪光的结果非常相似（图2，底部面板）。
我们还检查了主要雷暴日的时间和月度分布情况。在图1的左图中。 3，我们发现16年中每一天的极限天数。研究期间，对于正极性闪光，依赖于时间分布的巨大差异门槛。通过设置最小的阈值（15 kA），在过去三年中，天数集中在一起。随着40 kA阈值，时间分布发生变化，即使我们必须考虑到的价值活跃的闪光密度要小得多。通过聚焦在不活跃的闪电，主要闪电的数量几天变得集中或集中在最少。近年来在16年来更平均分配研究期如果我们没有设定任何阈值，我们观察一下从2002年开始就有更大的变化（可能与网络变化有关）。我们不通过设置-10-kA阈值观察此功能。所有闪光灯的结果与负极性闪光的结果紧密匹配。
鉴于每年的主要雷暴日天数，我们可以检查它们是否趋向于集群发生。单程评估数据中“聚类”的程度计算分散系数，其定义为方差和平均值之间的比值数据。对于泊松分布，色散系数为等于1（平均值和方差相同泊松分布），意味着发生事件独立于先前事件的发生。价值较小比1分低于分散（差异较小泊松），而大于1的值表示过度分散群集行为（年龄较大的群体主要的闪电天数与少数几年的交替减少活动）。测试是否计算分散系数从正，和所有闪击是统计学的与1不同，我们使用蒙特卡罗方法。我们发现分散系数一般大于1（在5％显着性水平），指向过度分散和聚类。唯一的两个例外是负值（带阈值）-10 kA）和全（设置阈值为-10 kA和40 kA）闪烁，没有足够的统计证据拒绝弥散系数的零假设
等于1.这些结果与视觉一致检查结果如图1所示。 3（左图）
主要雷电月度
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