题 目：闪电和恶劣天气：总计趋势和云对地雷电趋势比较外文翻译资料

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题 目：闪电和恶劣天气：总计趋势和云对地雷电趋势比较

摘要：过去几十年的许多研究试图将闪电（例如速率，极性）与恶劣天气事件的趋势联系起来，这些研究主要使用云对地（CG）闪电信息。因为数据可用性的容易度高，检测效率高，覆盖范围广泛，在美国有一些不确定的结果。相反，已经证明了总闪电的趋势与恶劣天气事件更加强烈地相关，在恶劣天气发生前10分钟内观测到的总闪电量迅速增加。然而，由CG网络提供的全面雷电观测数据并不是很多。相对较少的研究已经在使用客观的雷击跳跃算法，在大型的雷暴中检查了总和和同时发生的并发趋势。多项研究显示，在恶劣天气发生之前，总闪电速率迅速增加。在这里，检查了全国四个地区发生的711次雷暴的总计和CG闪电趋势，以证明总闪电提供超过CG闪电的实用性，特别是在开发有用的基于雷电的恶劣天气预警决策支持工具的框架内。结果表明，雷电数据集显示，在恶劣天气发生之前，雷电数据表明存在增加的雷电活动。此外，当与恶劣天气“警告”相关的雷击已经生效时，发生与总闪电相关的虚假警报的40％，以及CG闪电趋势的假警报的16％。如果这些假警报被消除，则FAR从总雷达的36％降至22％，CG闪电从53％降至44％。重要的是，与CG闪电相比，使用总闪电的恶劣天气发生之前的平均交换时间更高（20.65对13.54分钟）。这项研究的最终目的是为了证明地球静止雷电信息系统在未来十年部署地球静止运行环境卫星后，将为地球静止雷电映射器提供的操作气象学功能提供更多的效用，以预期半球尺度的严重对流天气。

一，简介

雷电的电能与雷暴上升气流的动能密切相关。上升气流提供了一个有利的混合相微物理和沉淀过程的环境，相关的电荷转移微物理学，电荷中心的云尺度分离，和大量的云云电场。为了排除过多的电能累积，导致电介质击穿，雷暴随后会产生云内（IC）和云对地（CG）闪电的一些组合。虽然闪电总闪电最适合与特定雷暴的电气因此上升气流的动能有关，但是CG雷电放电对森林，人类安全和相关基础设施构成最大的内在风险（例如Curran et al。 2000年），许多CG雷击检测网络已经在过去30年发展[例如，美国国家闪电检测网络（NLDN;康明斯等人1998;康明斯等人2006;康明斯和墨菲2009），北美闪电检测网络（NALDN; Orville等人2002），云对地雷电监视系统（CGLASS; Wilson等人，2009年），奥地利闪电检测和信息系统（ALDIS; Schulz等人，2005）和巴西综合闪电检测网（RINDAT; Pinto et al。2006）]实时检测和定位CG闪电。实际上，当与强大的数据传播基础设施相结合时，这些网络能够为各种最终用户提供几乎瞬时的CG闪电位置，数量和极性信息。鉴于CG闪电网络数据的多年历史和相对丰富度，以及CG闪电频率和雷暴强度应正相关（通过闪电与上升气流强度的联系）的合理假设，以前的许多研究都采用网络提供的CG闪电信息研究CG闪电数据（计数，极性）在诊断雷暴严重性问题上的应用。然而，这些研究的结果证明是不一致的。几项研究表明，使用CG闪电趋势预测恶劣天气不一致。 Maier和Krider（1982）在俄克拉何马州和德克萨斯州研究了三个龙卷风暴，并确定“云对地雷电位置数据对龙卷风几乎没有预测价值”，当CG速率在每一种情况下在龙卷风消散时间达到峰值时检查。 MacGorman等人（1989年）记录了俄克拉何马州的龙卷风暴，其中IC闪电速率的增加发生在龙卷风发生之前，而峰值CG速率在IC闪电增加15分钟后，龙卷风已经下降几分钟后发生。凯恩（1991）发现了两个例子，即美国东北部恶劣天气下，CG闪电率达到顶峰。然而，凯恩（1991）也提醒说，提供的例子可能并不能完全代表总体风暴人口，并指向古德曼等人。 （1988）和Williams等人（1989）讨论峰值IC率，CG率和最大流出之间的时间差异。在克隆发生之前，当克雷普（1994）发现CG闪电的主观趋势时，克拉普（1994）不幸地在全国各地的264个龙卷风雷暴中龙卷风着陆之前没有量化CG雷击的增加。 Knapp（1994）确实发现了龙卷风发生前的极性变化的区域效用。这些结果类似于Branick和Doswell（1992），Seimon（1993）和MacGorman和Burgess（1994）等研究中指出的结果。 Curran和Rust（1992）观察到一个分裂的超级细胞雷暴，并研究了在分裂的右移分量中从正到负闪烁的极性反转，这一过程最终产生龙卷风。Bruning等（2010年）在俄克拉何马州中部检查了一个超级细胞，并且在雷达上观察到的龙卷风涡流10分钟之前注意到地面闪电极性切换。然而，没有产生龙卷风。 LaPenta等（2005）在纽约Mechanicville的龙卷风之前，在近25分钟内观察到CG闪电速率的峰值。 McCaul等人（2002年）观察到堪萨斯州的龙卷风雷暴在其4.5小时的生命周期中仅产生17次闪电，而这场风暴的IC / CG比率达到了近700.Perez等人（1997）发现在1989年至1992年期间，F4和F5龙卷风产生雷暴的74％的CG率达到了本地高峰。Perez et al。 （1997）也表示：“同样，作为一个单一的诊断，峰值CG率的发生对雷暴样本中的龙卷风发生几乎没有预测价值。”Carey和Rutledge（1998），Bluestein和MacGorman（1998） ），Knupp等（2003）和Carey等人（2003）通过介绍几个龙卷风风暴来加强这一想法，这些风暴的峰值峰值速率在龙卷风发生方面有所不同。此外，与冰雹和CG趋势相关的研究发现，CG活动的峰值发生在冰雹发生之后（例如，Changnon 1992; Carey和Rutledge 1996，1998），或者雹灾中的CG率低于其大雨产生的对应物（例如，Soula et等人2004）。最后，Maddox等（1997）审查了亚利桑那州的微爆发生雷暴，并且认为许多最严重的对流风暴几乎没有与之相关的CG闪电。随着VHF总雷电地图阵列越来越多的出现，它们在中等尺度区域域中连续检测和定位了总闪电分量（IC 1 CG）中的引导源（Williams等人1999; Lang et al。2004; Koshak et al。 2004; MacGorman et al。2008; Krehbiel 2008），现在，对雷暴电力活动的相关表现如闪电总闪电率的评估和量化现象变得更加容易（例如，Gatlin和Goodman 2010; Schultz等人2009 ）在严重雷雨预报中以诊断意义表现。此外，根据上述关于电能生产与雷暴牵引强度相关的物理论据，人们会假设总闪电量的趋势应该与恶劣天气预警决策支持一致（与CG闪电相比）一致。多项研究表明，总的闪电速率在恶劣天气发生之前迅速增加（例如，Goodman等，1988; MacGorman等1989; Williams et al。1989; Williams et al。1999; Buechler et al.2000 ; Lang et al。2000; Goodman et al。2005; Wiens et al。2005; Steiger et al。2005; Tessendorf et al。2007; Steiger et al。2007; Schultz et al。2009; Gatlin and Goodman 2010; Darden et 2010）。在同一框架内未经测试的是使用CG信息来执行相同的任务。事实上，我们不熟悉文献中的任何具体的研究，这些研究已经采取了对同一大型雷暴样本的总闪电次数和CG闪电次数之间的恶劣天气事件和相关趋势之间的关系进行定量比较的步骤（至少不是在开发有用的基于闪电的恶劣天气预警决策支持工具的框架内）。因此，在本研究中，我们提出的分析表明：1）总闪电速率趋势的增加效用与CG闪电倾向相反，用于检测和预测恶劣天气的发生，以及2）确认应用总闪电信息的方法恶劣的天气预报问题。这项研究的结果进一步支持未来地球静止卫星平台上部署和使用地球静止雷电地图仪。

1. 方法

在本节中，我们将描述用于直接比较总云（云1云与地面，IC 1 CG）和传统CG闪电信息的方法，以演示总闪电数据中存在的增强信息内容。我们的比较是在旨在测试闪电信息的应用框架内设计的，以帮助预测表面恶劣天气的表现。以这种特殊方式进行比较的物理基础是雷电产生和恶劣天气与雷暴上升气流密切相关，这是雷暴强度的关键特征（例如，Carey和Rutledge 1996; Carey和Rutledge 1998; Williams等1999 ; Wiens et al.2005）。因此，相应的闪电数据类型的相对效用的评估可以被认为是在该特定警告决策支持应用中进行比较的度量。 a.Case选择分析了711雷暴案件的集合，以便1）获得各种雷暴类型的人群，2）试图在各种警告决策情况下表示操作警告预警员可能遇到的情况。数据库中都有很好的表现，两次严重的雷暴（即生产龙卷风的风暴，冰雹直径为1.9厘米，风速为26美元/平方米）和非严重的雷暴。共使用了1064个恶劣天气报告（133个龙卷风，649个冰雹和281次风），这些报告合并为6分钟，被定义为以下讨论的事件。这种减少报告数量的方法产生了784个事件。大部分龙卷风被评为增强藤田[（E）F]规模的下端，因为本研究中76％的龙卷风是（E）F-0或（E）F-1。因为全国各地的IC：CG闪电比例和对流细胞行为可能会有所不同（例如，Boccippio等人2001），来自美国四个地区的不同气象体系（北阿拉巴马州，华盛顿特区，科罗拉多州西部堪萨斯州和俄克拉何马州）。北阿拉巴马州华盛顿特区。;俄克拉荷马州包含运行中的VHF雷电地图网络，而在堪萨斯州东部科罗拉多西部堪萨斯州的总闪电信息则在“严重雷暴电气和降水研究”（STEPS; Lang et al。2004）期间收集。这些区域中的每一个也在NLDN的最大覆盖范围内。根据地区和雷暴严重程度的分布可以在表1中找到。然而，主要的重点领域是美国东南部（阿拉巴马州）和大西洋中部（华盛顿特区），因为易于获得总闪电数据，并且不会将已知具有较高IC：CG比例的国家的区域偏移数据集（例如，STEPS; Boccippio等人2001;Lang et al。2004）。在711个雷暴中，456人不严重，255人严重。试图研究一年四季以来恶劣天气产生的对流模式，包括超级细胞，空气/多细胞对流，线性结构，登陆热带系统的龙卷风外部雨带，低层对流和寒冷季风。风暴类型的细分可以在表2中找到。

b。闪电数据

使用VHF雷达映射阵列（LMAs; Rison等人1999; Krehbiel等人2000; Wiens等人2005; Goodman等人2005; Krehbiel 2008）收集了本研究中的总闪电数据集。使用四个LMA网络：北阿拉巴马州（NALMA; Koshak等人2004; Goodman等人2005;华盛顿特区（DC LMA; Krehbiel 2008）; STEPS（Lang等人2004））和俄克拉荷马州闪电映射阵列对于每个LMA数据集，使用两个闪电聚类算法之一将VHF源点组合成闪电，对于北阿拉巴马州雷暴，由McCaul等人开发的聚类算法（ 2005年），DC LMA，STEPS和OK-LMA雷暴使用了Thomas et al。（2004）开发的XLMA软件包中包含类似空间标准的聚类算法，McCaul等人（2005）算法在闪电的时间长度上没有设置上限阈值;但是，这两种方法对于检测到的闪电次数都产生了类似的结果。为了从源数据构建闪电，我们要求每个闪存由至少10 VHF源点威力消除了杂散噪声点，这在LMA网络中是常见的。对于这项研究的结果，Wiens et al。 （2005）表明，应用源阈值不会影响总闪电的总体趋势。由于地面LMA网络的范围局限性（例如，Koshak等，2004），本研究中使用的所有雷暴距离每个LMA网络中心不到200公里。地面闪电计数由NLDN确定，NLDN包括美国113个传感器，闪存检测效率为90％-93％（Cummins等2006）。网络偶尔将小云阳性闪电错误分类为正CG闪电;因此，应用115 kA峰值电流阈值来准确估计云对地雷电活动（Biagi et al。2007; Rudlosky和Fuelburg 2010）。没有尝试将单独的闪烁闪电与使用LMA系统观察到的闪电相关联。

C。闪电跳跃算法选择

Schultz等（2009）和Gatlin和Goodman（2010）展示了全面的雷击跳跃算法在恶劣天气检测中的运行适用性。 Schultz等（2009）在非严重和严重的雷暴下对六次雷击跳跃算法配置进行了测试，并且统计地确定了“2s”配置对于运算算法是最有希望的。该算法可以在以下步骤中进行总结：

（i）在t0时，对来自个别风暴的总闪电数据的最新2分钟进行平均（见附录）.3平均每分钟闪烁一次（闪烁min21）。

（ii）如果雷暴的总闪存频率为10次，则min21将激活该算法。这个阈值是从严重和非严重雷暴的大样本统计学确定的（Schultz et al。2009）。

（iii）接下来，在最新的2分钟时间段t0之前的总闪电数据的12分钟被划分为2分钟时间段（即6个周期）并如步骤i那

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