预测微爆发在美国东北部使用闪电利率和简单的雷达参数

文摘

对流风暴产生微爆发强大的表面风风很难预测,因为在很短时间内出现。先前的研究表明,时间和模式在云的高度,呼应顶层高度,垂直整合液体(维尔),云间的(IC)闪电,和云地闪电(CG)可能识别和预测微爆发。十一quasi-cellular微爆发病例和八风non-microburst严重病例来自纽约,宾夕法尼亚州和新泽西州之间的2012年和2016年。总闪电数据(集成电路+ CG)取自Vaisala的全国闪电探测网络(NLDN)和雷达参数从雷暴获得识别跟踪分析和重点学科(泰坦)软件。值维尔,回声顶层高度和云高度跟踪通过时间以及总15公里半径内的闪电风暴中心。这些参数绘制对他们的平均值和标准偏差事件发生前的45分钟。总共六11例出现峰值和IC闪电在25分钟前微爆发。这些是唯一的变量在这些检查峰值超过一半的时间微爆发病例或零病例。结果表明微爆发比风严重事件表现有点不同,特别是在闪电和维尔时机。结果争议先前的研究表明,微爆发是高度可预测的闪电和雷达参数的行为。

1。介绍

微爆发强风展示不同破坏模式在4公里宽的地区或更少(1]。虽然干燥微爆发(反射率< 35 dBZ)是可能的在其他气候,所有观察到的微爆发在美国东北部湿微爆发,在雷暴环境中由快速变化。他们提出一个严重危害生命和财产。预测微爆发风是困难的,由于与许多相关的生命周期快速对流风暴。这种风暴可以产生强烈的下击暴流,通常在持续时间> 5分钟,有限的警告。先前的研究[2- - - - - -4)表明,微爆发可能是预测的雷达参数的变化和/或闪电的频率。然而,这些研究都集中在少数情况下,主要在美国南部美国东北部的微爆发并没有被广泛地研究过了这些早期的发现,这样的有效性仍然东北的问题。此外,其他研究相比没有microburst-producing non-microburst风暴产生的风暴损害确定微爆发假警报的可能性。

雷暴下降气流发生反应的浓度和/或水的相变。这产生负浮力对流环境中。在陡峭的环境气温递减率的存在或持续传热冷却,空气保持负浮力而下降。与大量的负浮力,微爆发蔓延在地上可以生产5]。

微爆发形成通常归因于冰雹核心崩溃,和中层的冷却空气引起的冰雹和随后的快速融化蒸发冷却与许多微爆发,因为它可以快速生成大负浮力(5- - - - - -7]。雷暴崩溃发生在风暴气流赶上上升气流,导致混合相位降水粒子脱落的云。快速下行气流能够创建一个微爆发,或强烈的发散风在表面8]。并不是所有的下降气流与崩溃雷暴产生微爆发,也并不是所有的雷暴产生微爆发微爆发后迅速衰减。高反射率(> 50 dBZ)必须高于融化水平(−10°C)的气流强大到足以创建一个微爆发。微爆发不太可能与风暴,表现出高反射率低于融化水平[3]。闪电生产往往随上升气流加强,特别是在0°C,−20°C之间,表明闪电山峰微爆发事件(可能是重要的预测因素9]。

古德曼et al。2)发现闪电指标在阿拉巴马州的一个微爆发导致> 15 m·s⁻¹大风。最高,其次是急剧减少,在云间的(IC)闪电速度发生雷雨前六分钟崩溃以及随后微爆发事件。突然地增加(CG)闪电活动发生微爆发前五分钟,直接在IC峰值后闪电。威廉姆斯et al。3),检查一些微爆发也在阿拉巴马州,同样发现,峰值在IC在CG闪电闪电前峰,这两种微爆发之前发生。凯恩(4)研究一个下击暴流在马萨诸塞州,发现五分钟CG闪电下击暴流前几分钟达到顶峰。Metzger和主犯10)检查闪电活动与风、冰雹和混合严重的报告。他们发现wind-type闪电跳跃以增加CG罢工率和增加18例(12)或稳定或减少18例(6)IC闪光率。

剧烈的上升气流的其他签名,如山峰在垂直一体化的液体(维尔),云高,和回波高度,可能预示着微爆发发展。强烈的上升气流分配底层水分进入风暴,然后水分凝结冻结和融化以上取消时,创建霰和冰雹。冰雹是与高值的维尔(11]。维尔反射率敏感,这样高反射率值(> 40 dBZ,尤其是> 50 dBZ)与高维尔(12]。反射率值高于55 dBZ往往受到冰雹,维尔附近通常是限制这个值,假设冰雹出现高于这个值,并不是所有的反射率都是由液态水。

回波顶高的高度被定义为一定的反射率的雷达波束超过阈值(13]。反射率阈值> 18 dBZ回声顶层高度通常被认为是最低阈值给定风暴的细胞(14]。回波顶高高度表明冰雹在风暴可能存在,特别是在0°C之间的“收费区”和−20°C (9]。对流风暴强上升气流造成更大的冰雹生产和更高的回波顶高度。剧烈的上升气流签名前体雷暴崩溃,可能微爆发发展,损害流出的风。

高云山庄也暗示了一个剧烈的上升气流。为了对流云发展,上升气流必须摄取和水分。较强的上升气流,湿度越高,可以解除,导致更高的云山庄。0 dBZ反射率回波可以用作代表云高(2]。

高峰值的IC闪电,维尔,回波顶高,和云山庄前大约六分钟流出意味着强烈的上升气流的对流风暴(2]。强烈的上升气流的长达六分钟的预测区间是反映了对流风暴的生命周期。在对流风暴,山峰在上升气流的力量正在迅速倒风成为占统治地位的(3]。CG闪电形式如粒子迅速下降,碰撞,建立费用由于暴风雨的气流15]。大幅降低IC云地闪电活动和增加(CG)雷击表示气流是克服上升气流。

在这项研究中,我们检查quasi-cellular微爆发和一组non-microburst quasi-cellular风严重事件从2012年到2016年在美国东北了解山峰在各种雷达和雷电参数执行预测微爆发事件。

2。数据和方法

Quasi-cellular微爆发病例在2012年- 2016年被确定通过国家环境信息中心(NCEI)风暴事件数据库(16]。雷雨大风的报告> 36 m·s⁻¹(70 kt),总结表明国家气象局(NWS),证实微爆发,都被记录下来。II级新一代天气雷达(NEXRAD)数据是确定quasi-cellular微爆发。Quasi-cellular风暴包括孤立的细胞,一小群细胞,细胞后并入较大的对流特性。此外,风暴中心quasi-cellular必须容易跟踪被纳入本研究。

第二个数据集组成的non-microburst-producing风害NCEI SED的报告包括了与微爆发事件。高风事件的选择而不是普通的雷暴,因为大多数时候quasi-cellular微爆发发生功能广泛的风害。因此,一个主要预测挑战这些天是判断给定的雷暴单体会产生“普通”风损伤或微爆发风的伤害。Quasi-cellular事件报道产生风速≥26 m / s (50 kt)是从微爆发的日子里选出来的。这些事件受到相同的闪电风暴跟踪和分析微爆发事件。

雷达数据处理的雷暴识别跟踪分析和重点学科(泰坦)系统(17),追踪风暴重心。泰坦也产生了估计的垂直集成液体(维尔),云顶高度(0 dBZ),和回波高度(18 dBZ)。泰坦是竞选反射率阈值每5 dBZ从30 dBZ 50 dBZ 53 dBZ 56 dBZ冰雹帽。结果本文提出了45 dBZ / 56 dBZ运行时,产生最可靠的跟踪在某些情况下,细胞聚集或与线性合并功能。其他人则喜欢用稍低的阈值40 dBZ [14,18,19),但这些研究主要是感兴趣的暴雨和洪水,而本研究更感兴趣的是跟踪高反射率芯产生恶劣天气。

反射率重心从泰坦的输出被吸收到GR2Analyst软件(吉布森脊)并与II级NEXRAD数据来识别复杂和简单的曲目数量与每个microburst-producing关联风暴。维尔,回声顶层高度,每个验证风暴云高值细胞中心沿着microburst-producing风暴轨迹绘制是随着时间的推移,和趋势被策划杰出的每个参数的时间序列图。

闪电数据(IC和CG)从Vaisala获得国家雷电探测网(20.,21]从2012年到2016年在宾夕法尼亚、新泽西和纽约(见图1对于一般的研究区域地图;但长岛的东半部都包括)。探测效率(DE) NLDN云地闪电(CG)被发现从2002年到2012年约90 - 95% (22),升级到网络后,自2013年以来它提高到95% (23]。2013年之前,NLDN有云间(CC)闪电,或云间的(IC)闪电,和德的15% - -25%。升级后的2013年,这个德增加约50% (23,24]。

闪电与反射率数据配对重心确定每个microburst-producing闪电利率风暴。总闪电15公里内每一个反射率重心从泰坦聚合和假定为风暴相关细胞产生微爆发。一分钟和5分钟的闪光率计算IC, CG,总(集成电路+ CG)闪电。

所有的闪电和雷达参数,包括零数据集,使用标准的检查Z分数。的Z分数可实现偏差在一个数据集的平均值与标准偏差表示数据。这操纵一个数据集对零均值和单位方差,允许平等数据与多尺度间的对比图,并显示每个点有多远。偏差的闪电数据大于2σ或两倍标准差,检测发现了恶劣天气的高概率检测(POD),和较低的误警率(远)25]。这些闪电活动大量增加,被称为“闪跳”(25,26]。一致性,分析局部极大值数据集的值相对于微爆发时,雷达参数偏差也标准化识别大偏离均值。

所有数据的平均值和标准偏差计算数据发生了微爆发前45分钟,然后在整个60分钟的时间。偏离的总、地和云间的数据被绘制在一起,以及情节的维尔,呼应,和云。此外,2σ,1σ−1σ,−2σ以及微爆发的时候,突出检查任何数据集的变化。“峰值”被认为是一个参数的最大数据值超过2σ在任何时间在60分钟时间检查每个事件。

一个单独的分析使用“2σ”算法从舒尔茨等人的研究。25]。检测到的闪电活动大量增加,被称为“闪跳”(25,26]。“2σ“算法引入了最低闪电阈值10每分钟闪烁,减少闪电跳假警报的数量。平均两分钟然后闪光率之间的计算时间步长(在我们的例子中两分钟)超过阈值的地方。对于每个平均闪电速度,前五的标准差计算平均闪电观测(或前10分钟),不包括被调查的时间。计算标准偏差是翻了一倍,成为的“跳阈值,平均flash利率超过跳阈值是一个“闪跳。“这个算法创建一个移动的闪电跳阈值,而不是一个静态阈值(总时间一段25]。我们遵循的原始论文比较总闪电使用这个算法,因为它表现最好的原来的纸。

3所示。结果

上面的程序产生了11 quasi-cellular微爆发情况下检查。11微爆发病例分布在宾夕法尼亚州和纽约,与当地maxima莫霍克河流域和哈德逊河流域的纽约和宾夕法尼亚的山谷和山脊地区(表1和圆点在图2)。看来山岳志可能在生产中发挥作用微爆发在美国东北部十二分之一的情况下(没有显示)是位于长岛中部的北岸,但其轨道跑东可用的闪电数据。这种情况下被排除在分析之外。没有发现微爆发情况下会议案例选择标准期间在新泽西的闪电数据可用为止。

八个零情况下不表现出强烈的偏爱复杂地形(表2和三角点在图2),它们分散在纽约和宾夕法尼亚。他们通常发生在当天早些时候比微爆发(表1和2)和产生较弱的风。

总闪电风暴细胞与微爆发相关数据表明,总闪电前20分钟内达到微爆发前五11例,在25分钟的微爆发六11例(数字3- - - - - -5和表3)。CG闪电在25分钟内达到微爆发前五11例,和IC闪电前25分钟内达到顶峰的微爆发六11例。大约三分之一的时间,闪电微爆发后达到顶峰。总平均交货时间和CG闪电峰值约为8到10分钟,IC闪电山峰,14分钟。

使用相反,舒尔茨2σ算法(数据6和711例),四(20140708纽约,20140708,20140708,20160616)会见了总闪电,闪电跳阈值,3人(20120724,20120724,20150612)等于或密切接近阈值。为零情况下(图8),只有20150612例在flash中看到时间变化率超过闪电跳阈值。

雷达参数被发现显著低于雷电参数,往往刚刚超过2σ阈值用来确定一个特定的值是否达到顶峰(数字9- - - - - -11和表3)。雷达参数的峰值比闪电短意味着交货期参数,特别是维尔,平均交货时间大约四分钟。维尔在25分钟内达到顶峰的微爆发四11例。三个峰的6分钟内微爆发。云顶微爆发后三11例达到顶峰,没有微爆发前的高峰。回波顶在25分钟内达到两个十一微爆发的情况下,有两分钟的时间和其他的烟花交货时间。维尔因此似乎是最有用的雷达参数的预测,然而它峰前微爆发不到一半的时间。

平均闪电交货期为零事件是类似于微爆发事件,但个人价值观远风前的严重事件或发生后(数字12和13和表4)。总闪电的峰值在25分钟内只有一次风前的严重事件,和IC闪电在25分钟内达到风前的严重事件三个8例。无论是总量还是IC闪电在10分钟内只有一个峰值的零事件。CG闪电,相反,显示出一些预测能力,4例在25分钟内达到顶峰的零事件;三种情况下10分钟内达到顶峰。

雷达参数的空事件,意思是交货期接近微爆发的时间数据14和15。除了呼应上衣,大多数2σmaxima风后的雷达参数严重事件:三个八云顶事件和6 8事件维尔“高峰”。为三个积极的交货时间很小的情况下,这可能是指示性的小错误的报道时间事件。它还可以显示一些微观物理学的过程放大后在云中液态水疏散一阵携入的干燥的空气。维尔和云顶,没有看见一个2 8事件σ最大的前25分钟内事件。回波顶显示最好的潜力预测,与两个八事件最大化大于2σ在十分钟的事件。简而言之,雷达参数为零事件显示小趋势预测能力,尽可能多的最大值的2σ最大,许多的2σ极大值,特别是对于维尔,事后发生。

4所示。讨论

先前的研究[2,3)与微爆发形成气流的发展优势。气流主导地位的特征是云间的增加(IC)闪电,紧随其后的是峰值和IC闪光急剧减少。山峰在IC闪电被发现发生6分钟前流出风的情况下在阿拉巴马州3]。因此,我们假设IC闪电风暴微观物理学的相关的活动和对流雷雨之前崩溃。集成电路温度地区闪电形式在0°C,−20°C之间,冰、霰粒子,和过冷水。粒子间的相互撞击造成无电感的充电和释放电能的形式IC闪光(9]。为了使饱和0°C−20°C地区存在,充满活力,深度上升气流必须出现摄取水蒸气进入风暴。峰值在IC闪电活动表示强烈上升气流,延伸到这个0°C−20°C层,即将雷暴崩溃的一个指标,一个可能的微爆发。在目前的研究中,IC闪电被发现和快速峰值下降多达41分钟前微爆发现象,这表明也许另一个机制是生成集成电路在有些情况下闪电的山峰。IC闪电前25分钟内被发现峰的微爆发六11微爆发病例,但只有在八个零案件之一。这表明倒风主导地位的过程是更常见的风在微爆发严重的事件,并实时检测峰值在IC闪电可能区分潜在的微爆发从危险场景,普通的严重事件。

从强烈的上升气流过渡到强大的气流是伴随着闪电的过渡从IC CG闪电2]。CG闪电形式如粒子迅速下降,碰撞,建立费用由于暴风雨的气流15]。大幅降低IC云地闪电活动和增加(CG)雷击表示气流是克服上升气流。凯恩(4)发现,增加CG闪电发生大约10分钟前下击暴流在东北。在目前的研究中,山峰在IC和CG闪电不像文学可能建议。而不是从一个IC闪电CG闪电峰值,峰值在三个微爆发情况下,CG闪电预示IC闪电,在三个微爆发情况下,峰值发生在相同的五分钟的窗口。

Metzger和主犯10]发现严重的风事件特征往往是通过增加CG罢工率。但是,在八11微爆发的情况下在目前的研究中,CG闪电下降或稳定在微爆发的时候。他们还发现,IC闪电在三分之二的风病例和减少或增加在三分之一的风情况下稳定。在目前的研究中,这一比率较低6例和5例下降或稳定增加。风严重事件八本研究包含五的事件随着CG闪电和四个八的事件增加IC闪电。看来,减少CG闪电行为可能区分微爆发更多的普通风严重事件。

Metzget和主犯10]还研究了雷达参数(维尔,维尔密度和55 dBZ高度)和确定两个参数必须减少风严重事件的某个阈值。在目前的研究中,微爆发维尔和回波顶减少六12例,云顶高度增加时六12例。呼应上衣的行为是完全不同的风严重的情况下,在那里他们被发现时减少事件对6 8例。维尔减少4 8例,和云顶增加4 8例。简而言之,我们的研究表明,特定的雷达参数的行为太不稳定健壮的结论。

五11微爆发病例和五的八个零情况下有更多的CG比IC闪电雷击(表5和6)。零事件并未全部落在同一天微爆发,表明集成电路可以有明显的差异:CG比率从风暴风暴。集成电路的分析:CG比不同的DEs是复杂的集成电路和CG闪电Vaisala网络。在现实中,IC闪电可能比这些更为常见的数据显示,由于其50%。纠正这一缺陷可能会降低集成电路:CG比率明显。严重的风暴已经发现IC flash利率通常高于CG雷击(27]。然而,Boccippio et al。28发现反常地低比率的IC: CG闪光在阿巴拉契亚山脉。这种反常现象归因于风暴形态学的差异在阿巴拉契亚山脉,海拔差异(28]。穆雷和贴画29日]进一步讨论如何支持对流在阿帕拉契山脉背风一侧的晚上,当大多数微爆发和零病例发生。

5微爆发病例和4空情况下有更多的CG +闪电比CG−闪电。三个日期——20150623,20150623,20160701,有更多的CG +闪电为零情况和微爆发情况。一般来说,CG +: CG−闪电比率比集成电路:接近一个CG比率。这个争端之前的研究的结果。例如,凯里et al。30.)发现,美国东部看到主要负闪电附近的恶劣天气(大冰雹和龙卷风)地区往往比其他地区的国家。

5。结论

本研究调查了quasi-cellular微爆发活动和并发风害事件在美国东北部,seeking precursor signals for microbursts in the radar and lightning data and looking to determine the likelihood of false alarms. Standard deviations relative to the mean of the 45 minutes prior to microburst or severe wind report were used to determine whether lightning and radar parameters peaked prior to microburst or wind damage occurrence. Total lightning was the best-performing variable, with six of eleven cases showing a peak within 25 minutes before the microburst. IC lightning peaked within 25 minutes before the microburst six times, and CG lightning peaked within this same time window five times. The 2σ要求“峰值”消除回声,云顶考虑大部分时间。维尔达到顶峰的时候微爆发或前15分钟内微爆发四11例。闪电零事件显示不稳定行为,没有山峰在10分钟内总或集成电路微爆发的闪电。CG闪电提供了一些预测的值为零的情况下,峰值在11分钟内严重的风报告在4 8例。维尔经常达到顶峰后,风害8例(6)。微爆发的情况下,云顶和回声消除来自超过一半的情况下,因为他们未能产生一个2σ高峰。“2σ“从舒尔茨等算法。25)采用,闪电跳跃比使用静态2不太常见σ,只有三个微爆发病例和一个风情况下经历一场闪电跳事件之前。

而这些变量的整体意思表明铅的变量与峰值几分钟时间预测微爆发,有大量的可变性的意思。结果一些先前的研究结果提出质疑,至少在该地区的研究。首先,有宽变化的时机闪电和雷达参数微爆发高峰,几乎横跨整个60分钟窗口检查在这项研究。依靠峰值仅在参数可能产生早期,假警告在某些情况下,可能会导致后期警告或在其他情况下没有警告。第二,先前的研究已经表明,IC闪电山峰之前CG闪电山峰。这是对不到一半的情况下在这个研究。相反,CG山峰之前IC山峰在三种情况下,两个峰值几乎同时在其他三个病例。最后,美国东南部的山峰被观察到在云的高度和回波顶之前,这些参数的下降。在目前的研究中,呼应上衣和云的高度通常是常数下降之前,导致缺乏2σ峰值。

这项研究的结果为天气预报提供重要的意义。雷达参数一致比闪电的短期预测微爆发活动,虽然在维尔似乎山峰的时机相当好区分微爆发和零事件。在美国东北部的一些部分,beam blockage becomes an issue, limiting the availability of radar data. Lightning as a forecast and verification tool may provide insight into where radar data are absent, but the inconsistency of lightning peak timing relative to microburst time complicates the use of lightning data in the absence of radar data.

数据可用性

雷达和泰坦的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。直接从Vaisala闪电数据可以获得。

信息披露

阿曼达·L·伯克目前的大气和地理科学,120年俄克拉荷马大学David L Boren大街。诺曼,美国。这项工作是29^th会议在斯托当地严重的风暴,佛蒙特州。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

感谢将兰迪追逐编写一个脚本插入雷达和闪电数据,我们应感谢玛丽林恩Baeck协助运行泰坦,和感谢是由于斯科特Rochette回顾手稿。升值是由于Vaisala公司从其国家闪电探测网络提供数据。这项工作是支持的第一作者在Brockport学院的就业,纽约州立大学。

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