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Oklahoma中尺度对流系统与雷达和卫星有关的总闪电特性观测
JEFFREY A. MAKOWSKI
俄克拉何马大学气象学院与中尺度气象研究合作研究所，俄克拉何马大学，NOAA/OAR/国家强风暴实验室，诺尔曼，奥克拉荷马。
DONALD R. MACGORMAN
NOAA/国家强风暴实验室和中尺度气象研究合作研究所，俄克拉何马大学，NOAA/OAR/国家强风暴实验室，诺尔曼，奥克拉荷马。
MICHAEL I. BIGGERSTAFF AND WILLIAM H. BEASLEY
俄克拉何马大学气象学院，奥克拉荷马诺尔曼
（2011年4月最后一稿，2012年10月最终完成）
摘要
区域甚高频（VHF）出现闪电映象阵列（LMA）可以开始分析中尺度对流系统（MCS）中的总闪电特征趋势。由奥克拉荷马LMA观测的闪光始发和全国雷电观测检测网络观测的地闪与红外卫星和基本雷达反射率图像有关，来自于一个7年期间的30个中尺度对流系统。总闪电数据只有大多数MCSs生命周期的仅仅一部分，但在闪光率良好定义的峰值通常观察到的MCSs较长的数据周期。对于系统的集成的最大10分钟的闪电率平均为203 每分钟总闪烁和41 每分钟云地闪（CGS）。总的来说，21%的闪电是CGs，其中13%的CGS是正地闪。拥有最大的最大闪电速率的MCSs进入Oklahoma是在午夜前的晚上。所有三个在日出后的清晨进入Oklahoma的MCSs则有最小的最大闪电速率。闪光始发集中在或邻近于较大反射率、冷云顶区域。虽然地闪通常是随着MCS消散而增加，CG闪电率和总闪电率演变却经常相似。总闪电率约在-52度云盾达到最大值的90min前趋于最大值，但接近于较冷云盾的最大面积时间。-52度云盾发展更快的MCSs往往具有更大的闪电率。
1.介绍
中尺度对流系统（MCS）云对地（CG）闪电的分布已很好地记录下来。研究发现，地闪速率在深对流单体中最大，基本上伴随着更少的更小地闪，更宽广的层降水区(例如 Rutledge 和MacGorman 1988; Holle等1994)。负电荷导入大地的闪电（负地闪；-CGs）典型地发生在对流线上，占地闪的绝大多数。而正电荷导向大地的闪电（正地闪； CGs）典型地发生在MCS成熟、层降水区发展时对流线之后的分布广泛的弱回波区(例如Rutledge等1990; Morgenstern 1991;Holle等1994; MacGorman和Rust 1998; Parkeret等2001)。
虽然在MCSs的CG闪电的许多研究都专注于个别系统，但还是有研究整个MCSs的。例如，Goodman and MacGorman (1986),研究了10个中尺度对流复合体（MCCs；Maddox 1980年定义拥有大的、圆形云盾）。他们发现CG闪电速率往往会随着个体风暴相互作用形成一个MCC时快速增长、在-52度云盾达到它的最大范围之前达到最大值。CG闪电数量和闪电速率与云盾的水平区域或MCC的持续时间没有关系。在25个MCSs调查中，Morgenstern（1991）发现大多数CG闪电发生在或接近冷红外亮温区，但像Goodman和MacGorman（1986），发现没有关系—CGS的总数和云盾的最大延伸范围。-CG闪电速率达到峰值的时间与最小的云顶温度和-60度到-70度达到最大覆盖区的时间一样。
相对较少的研究已经分析了CG和云间闪电（IC）在MCSs的分布。随着甚高频（甚高频）闪电定位系统的出现，能够检测所有类型的闪电，几个最近的研究分析了个体 MCSs中总闪电。个体MCSs产生的最大总闪电速率差异很大。例如，Lund等(2009)、Lang和Rutledge(2008)、以及Hodapp等(2008)报道称最大总闪电速率从130每分钟变化到大约600每分钟。最近的研究也探讨了单个MCSs总闪电分布 (Lang等2004;Carey等2005;Dotzek等2005;Ely等2008;Lang和Rutledge2008;Hodapp等2008;MacGorman等2008)。他们发现，总闪电速率和推断的起电率在深对流区最大，如领先线-尾随层状（LL-TS）中尺度对流系统中。在层状降水地区观察到的大部分闪电起源于深对流，并传播到层状区域。
对层状区域电荷的研究表明一些机制是造成水凝获得电荷存在(例如Stolzenburg等1994;Schuur等Rutledge 2000)。建议的机制包括小冰晶和霰之间非感应电荷交换(例如Schuur和Rutledge 2000;Mitzeva et等2006;Emersic和Saunders 2010)或聚集过程涉及熔化或感应起电(Shepherd等1996)。
案例研究提供了对个体MCSs有价值的个人见解，但其效用受限于MCSs中闪电活动相当大的变化。它们没有像已经被研究的CG闪电那样，没有描述中尺度对流系统范围的趋势。随着在2003年9月Oklahoma地区暖季总闪电数据得到，它似乎现在可能是表征在总闪电中与MCS的结构和演化有关的观测趋势，类似于Goodman和MacGorman(1986)、Rutledge等(1990)和Morgenstern(1991)在CG闪电中分析的趋势特征化。因此，这项研究基于Oklahoma地区这个时间段的30个MCSs的红外卫星图像和基本雷达反射率，研究了总闪电始发和地闪点的水平分布和时间演变。虽然总闪电测绘系统200公里的标称范围被发现只抓住了大多数这些MCSs系统生命周期的一部分，但捕获的部分的阶段在变化。我们相信这些结果在MCSs的总闪电的趋势提供了一个有用的最初判断，这对进一步测试来自有较大覆盖区的成像系统数据有帮助。
- 数据与方法
- 数据来源
1）闪电数据
这项研究的数据来自Oklahoma的闪电成像阵列(OK-LMA;Rison等1999;Thomas等2004;MacGorman等2008)及国家雷电监测网络(NLDN;Cumminsa和Murphy 2009)。The OK-LMA（图1）由位于Oklahoma中心能够以一种特殊的电视频道波长探测脉冲式VHF辐射的11个站组成，这种波段包括完IC和CG闪电的闪电频道。频道段所确定的VHF源位置由辐射信号到达不同站点的时间差异决定(Rison等1999;Thomas等2004)。闪电在三个维度上的成像范围大约为100km,在两个维度上大约为200km。本次研究没有分析闪电的高度，所以运用200km的范围作为研究的范围。
图1，Oklahoma地区闪电成像阵列的区域[来自MacGorman等 (2008)]。紫色区域显示的是Oklahoma地区主要的两维覆盖区，其范围从网络中心向外延伸200km。这个区域是这次研究的主要区域。橘黄色区域显示的是闪电可能在三个维度上成像的大概区域，其范围由网络中心向外延伸100km。黑色叉号表示的是个体OK-LMA站的位置。
MacGorman等(2008)描述了一种算法，这种算法依据VHF源点到达站点的时间和距离来对VHF进行分类。只有这些由大于等于10 VHF源点组成的闪电才纳入分析。这些数据有点带随机性，所记录的总的闪电数可以依据用来定义闪电的源点的极限数。Lund等(2009)所做的，每个闪电的始发点是这样计算出来的，是在最初的10 VHF点中发现最大的聚集，而这最初的VHF的标准偏差要小于等于0.5km。
当闪电速率小于等于1每秒时，算法的输出典型地不模糊(MacGorman等2008)。可是，当局地风暴中的速率极大地超过1每秒时，任何一个将VHF源点分为闪电的自动算法有时就会出错。（在一个大风暴系统中，闪电的空间间隔往往更大，所以算法能处理较大的闪电速率。）当闪电速率增加更多时，有时候即使进行人工分析也很难把分开的源点划分为闪电。因此，由LMA资料获取的非常大的闪电速率应该大概考虑一下。
用于本次研究的闪电速率是在每10分钟期间进行平均化的，每一个最大闪电速率都是MCS中10分钟速率的最大值。为了强调整个系统的行为，而非单个个体的，每个MCS分析中的平均闪电速率是整个阶段的平均。
NLDN能够识别地闪、提供每一个闪电的时间和位置、导入大地的电荷极性、估计的电流峰值、以及闪电中的回击数。总的来说，位置的精确度为0.5km(Fleenor等2009;Cummins和Murphy 2009)、在Oklahoma的探测效率高于90% (Biagi等2007)。自1993年，NLDN把那些探测为 CG的、且峰值电流小于10kA的闪电忽略掉，因为这样的大多数实际上都是IC闪 (Cummins等1998;Cummins和Murphy 2009)。在2004年NLDN灵敏度提高后，Johnson、Mansell(2006)和Biagi等(2007)找出了类似的问题，Oklahoma地区许多-CG闪电流峰值小于10kA，所以它们从我们的分析中被排除。2006年，NLDN提高了 CG闪的小电流极限值到15kA(Fleenor等2009;Cummins和Murphy 2009)。Rudlosky和Fuelberg(2010)发现在 CG统计上的NLDN升级的整体效率是以0.1平方千米每一年增加 CG闪的密度、把组成 CG闪从10.61%降到8.65%从而减少CG闪的组成部分。
在或靠近每个MCS的以基本雷达反射率识别出的所有OK-LMA闪电始发和NLDN地闪都经过了分析。在对流附近明显与MCS没有联系的闪电被忽略掉。当附近的雷暴单体与一个MCS合并时，一旦系统在基本雷达反射率上不能辨别时，则这些与合并对流有关的闪电就被包括进来。可是，有或没有合并了的单体的时间序列的比较中发现，已合并的单体的相加没有改变闪电速率在时间序列上的有关趋势的结论。
2)雷达数据
国家天气监测雷达—1988多普勒（WSR-88D）基本反射率组合是在Iowa州大学记录的I-owa地区环境作用的档案中以10分钟的间隔里获得(http://mesonet.agron.iastate.edu/docs/n-exrad_composites)。国家雷达组合的使用是因为许多MCSs太大，而不能用一个雷达进行取样。相对来说，因为在组合雷达数据中很少的时期是不能得到，个体雷达的基本反射率数据可以从国家气候数据中心获得。虽然通常情况下对于描述一个整个MCS来说是不充分的，但来自一个单个雷达的数据用来定量地决定与一个MCS的主要结构有关的闪电的分布情况是足够的，没有来自组合或个体雷达的数据用于定量性的统计。
3)卫星数据
30个系统中的28个的红外（10.7um）卫星数据是从国家海洋和大气管理局（NOAA）综合大阵列数据管理系统（CLASS）获得的。来自CLASS的原始卫星区域文件，可在以30分钟的间隔得到，可使用NOAA的天气和气候工具包转换为网格—NetCDF（网络公共数据格式）格式（Ansari等2009）。对于每一个卫星图像，在每个被选择的亮温的云盾覆盖区都是通过环境系统研究所开发的ArcGIS软件计算出来的。通常，一次扫描会与之前和之后扫描相比较，这样似乎就会夸大云盾区域。当一次扫描似乎不能被相信时，那这次扫描就要丢弃，而使用在相邻扫描之间的一种线性插入来判断云盾的演化。当云盾不能从视觉上与相邻对流的云盾相区分的时候，那这个特定的MCS的云盾区就通过卫星图像和雷达反射率的比较进行主观判断。如果一个MCS值得注意的区域移进或者移出OK-LMA区域在时间上与云盾区的特定温度达到峰值时太相近，那对于那个温度来说，我们对与峰值地区时间有关的峰值闪电率的时间分析就把MCS从分析中排除出去了。
b.MCS例子选择
Houze（2004）概括性地定义MCS为积雨云系统，能够产生一个连续的降水面积，至少在一个方向距离100公里或者以上”。被选择为这项研究的MCS必须满足这个定义，以及有一个总的生命时长大于等于6小时、本质上具有的所有闪电在oklma域大于等于3小时、有闪电和云盾牌区别于任何周围的对流，并包含部分分析期间对流和层状区域的重要领域。选择这些额外的限制以便我们的研究相对来说将只包含这些生命长、发展好的MCSs，而这些MCSs的数据可在一个重要时期的二维OK-LMA域得到。如果在一段时期内，一个MCS发生的闪电出现一个相当大的区域或相当大的数量位于二维OK-LMA域外，那这个阶段就不包括在我们的分析中；相反，如果这个尺度足够小，对记录的总闪电的数量的影响相对较小时，那时间期间就包含进来。
本次研究中，所有发生在2003年到2009年期间位于Oklahoma中部和西部暖季MCSs都被检测看是否可以包含进来。在满足以上标准的30个MCSs中，21个发生在4月到6月，9个却发生在7月或8月。用于每个MCSs分析的平均时期为5小时，但变化范围为3到16小时。对于大多数MCSs，只有完整生命周期的一部分是在OK-LMA覆盖范围内。
系统在分析时期的分类，是根据它们与原型的MCS组织模式的相似性进行的(例如Houze等1990;Parker和Johnson2000)。基于与大多数强对流有关的层降水区的位置，Houze等(1990)把LL–TS MCSs分为对称的或不对称的类别，而Parker和Johnson(2000)增加了线性MCSs的垂直层和平行层类别。本次研究中，每个MCS的组织模式都主观性地单独由观察基本反射率图像决定。并不是所有的系统都可以归于MCS原型，有些是被判断为未分类的，有些MCSs在分析的阶段还会从一种模式转为另外一种。
- 结果
a.MCS组织和闪电特征
这次研究中的MCSs在分析阶段一共产生了大约900000个闪电，其中21%是CGs。在所有观察期间的平均闪电速率是86每分钟，平均
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