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利用NLDN云的云对地闪电数据来对小区域机场进行预警

R ONALD L. H OLLE

Vaisala, Inc., Tucson, Arizona

N ICHOLAS W. S. D EMETRIADES AND A MITABH N AG

Vaisala, Inc., Louisville, Colorado

（2015年11月30日收到的稿件，2016年4月8日最后通过）

摘要：闪电会对地面人员和机场其他作业产生重大影响，导致超过直接位置的延迟级联。这些影响的措施尚未出台。先前的方法通常使用不同大小的外部观测半径内的闪电数据来预测较小的内部警告区域（例如机场）的云对地（CG）闪烁。本文的目的是解决有关平衡之间的问题。安全预警与应急效能的研究是检查增加云脉冲对CG脉冲过程的价值。美国在2013的夏末，NLDN的检测效率，云脉冲增加到约50%，因此2014年整个夏季的NLDN数据都是在10个地点考虑的。在机场发生NLDN检测到的CG冲程进行验证。机场2分钟内发现云脉冲的检测概率比CG提高13%。研究的重点是从整体上对内环境的影响。机场的一个小区域，从半径4.8到0.5公里。用A检测的概率提前2 分钟增加到90%以上，假证比例大幅增加。CGS加上云脉冲包括在内。

1. 介绍

闪电对很多人造成了影响。在美国的弗莱斯是有实力的而且顾全大局的（赫勒2016年）。在防雷方面，对于个人以及工业项目，安全性和效率之间要平衡。机场斜坡关闭导致地面作业停止是暴露于闪电威胁的一个例子。影响包括暂停加油，行李处理，飞机的运行，飞机和机舱的维护，餐饮和其他活动。在过去十年中的一项调查表明，全球每年都有一些工人受伤。闪电，通常一次一次，偶尔有致命的后果。由于在许多机场雇用的劳动力的规模，从斜坡关闭的主要延迟可以导致大的分分秒秒的成本和降低操作效率。此外，雷击导致机场延误的级联效应可能具有相当大的成本（萨斯和豪夫 2003；斯坦纳等人。2015）额外的航空雷击包括在机场起飞和起飞过程中引发的罢工，如Mauml;kelauml;等人所描述的多飞机事件。（2013）。

在过去的十年里，一系列的研究已经确定了国家闪电探测网络（NLDN）闪烁和敲击的能力。甚高频总闪电测绘，场磨机，和全球闪电数据集（GLD360）中预期机场地面操作的云对地（CG）闪电。这些方法使用闪电数据在一个外部区域来预测在一个较小的内部区域中的CG闪烁。目标规则通过改变闪电事件的开始和结束的内部和外部区域的大小和时间间隔。在NAG等中发现了包括NLDN和GLD360在内的各种闪电定位系统的性能评估的摘要。（2015）。在2013年，NLDN经历了一个网络范围的升级，提高了在2013年之前，15%和25%之间检测云脉冲的检测效率（DE）的能力，到2013年夏末时，更精确地测量大约50%的DE（NAG等。2014）。

机场客户表示，机场地面员工在雷电警告期间必须达到至少2分钟的提前时间。因此，在这些分析中主要强调了2分钟的提前时间，同时也探讨了10和20分钟的提前时间。结果大多为15分钟警告到期时间，活动暂停的时间，直到所有明确警报响起；10分钟也被查看过。分析的目的是利用2014年夏季的闪电数据来探索，1）添加云脉冲数据的价值，2）闪电数据在机场周边小区域的应用。这些目标被认为是在时间和空间的一系列排列中，有助于更全面地识别安全和效率之间的平衡。

1. 预警研究

a.没有云脉冲数据的警告研究

以前的分析已经使用CG闪烁在外部观察区域，以预测CG闪烁在较小的内部警告区域，例如机场。早期的NLDN云分析用照像枪闪烁，不用笔画或者云脉冲。场米尔斯在肯尼迪航天中心CGS预警中的价值，在佛罗里达州，两个夏天被墨菲等人认为。（2008）。将两个堪萨斯场磨机添加到NLDN闪存导致比NLDN闪存单独使用的警告更不准确，至少对于相对较小和孤立的佛罗里达州夏季下午雷暴。墨菲等人。（2008）研究归功于结果，至少部分地，在佛罗里达州雷暴的表面上，云层电荷与电场场磨机的距离相当大。

在美国东南部的10个机场比较了NLDN CG仅FLASH数据和GLD360笔划的警告统计数据。（霍利和德米特里亚德，2010.）。请注意，GLD360（等。2013）主要是与个体搏动的关系，至今还没有区分二者。基于NLDN的十月至2009年11月数据集发现，对于15公里外观察半径和15分钟警告期满时间，以2-min提前时间（POD2）为0.84的最佳检测概率。相关的虚警率（FAR）为0.74。在GLD360部署的早期阶段，相应的GLD360性能措施是POD2的0.78和故障分析报告的0.76。

b.添加云脉冲的警告研究

麦戈曼等人。（2011）识别云脉冲在警告中的潜在价值。确定了第一次CG闪光时间和VHF总闪电映射网络的云闪电的时间差。在美国中部，CG闪烁的一半滞后第一VHF源检测5到10min。在高平原上的延迟时间更长。这种滞后的存在表明了云闪电信息对警告的潜在影响。

第一次NLDN的研究，重点是添加CG中风和云脉冲使用的数据从2013年底后，主要的NLDN升级在云脉冲检测完成。结果是美国的10个机场从8月15日到9月30日（霍利等。2014）。因为在整个美国NLDN升级几乎完成的时候是夏末，样本基本上是由佛罗里达州雷暴组成的。结果显示POD2为0.76，故障分析报告为0.69。结果低于2009年秋季的数据集。增加云脉冲导致改进POD2为0.83，相似的故障分析报告为0.71。

1. 方法

本研究的方法是考虑在一个较小的内部警告区域内的闪电数据。2014年6月1日至9月30日在全国10个地点进行了分析。霍利等人。（2014）。图1显示了CG，云，和整个美国闪电地图在此期间。这是一年中最活跃的闪电时间（霍利等人，2011），佛罗里达州频发雷暴时，墨西哥湾沿岸，亚利桑那州中西部，中原，和其它地区。确定10个地点所涉及的因素是1）闪电频率接近或大于美国的平均闪光密度。2）这些点位于广泛分散的中型或大型机场。这10个位置叠加在图2中的CG笔划图上。

过去的研究是以一个半径为4.8公里的圆心为中心的内部警告区域。本研究探索了一个半径为0.5公里的内部预警区。这个内部区域是雷电被视为机场操作人员和设备的危险区域。（斯坦纳等人.2015）图3以比例正确的图表显示这些区域。对内警告半径的一种验证方法，由于地闪是直接的运行危险。在外部观测半径内的云雷电脉冲也被探测到它们在被监视的内部区域的警告中的值。为了比较的目的，一条4.8公里的内部警戒半径延伸到达拉斯/福特沃思国际机场的边缘，在德克萨斯州，包括机场跑道，斜坡，终端维护，燃料储存设施和停车区。

当闪电首次发生在外观测半径内时，风暴就开始了。警告截止时间是可定义的参数之一，这涉及到警告对风暴的有效持续时间。如果新的CG或云闪电在警告期满之前在外部观测半径内发生，则重新启动警告。

图1：图（a）NLDN检测到CG冲程，（b）云脉冲和（c）从2014年的6月1号到9月30号的CG冲程和云脉冲的组合。

图2：从2014年的6月1号到9月30号叠加在NLDN CG笔划图上的十个分析点，闪电在15km内的天数用白盒子表示。

NLDN的定位精度约为几百米，小于0.5公里的内部警告区域。早先的研究使用了GLD360网络，其定位精度为几公里，与4.8公里内警告半径的大小相匹配。GLD360统计与使用NLDN闪存的结果没有很大差异，除了具有更好的定位精度之外，除了在GLD360笔划扩展的结果下，与NLDN相比，在警告下具有更长的持续时间，具有更大的定位精度。（霍利和德米特里亚德，2010）。

1. 4.8公里内警戒半径结果

a.与过去研究的比较

分析中的第一步是确定更大的2014个数据集是否具有与以前NLDN研究中使用的数据集相似的特性。所有的结果是为4.8km的外测半径和机场地面工人从闪电中找到安全的2分钟提前时间。研究发现4.8公里的内部警告半径的最佳结果是在15公里外观察半径和15分钟警告到期时间。

图3：外部观测半径为15km，内部预警半径为0.5和4.8km。

表1：在两个先前的研究相比，从2014年的6月1号到9月30号，在15公里外观察半径下CG冲程警告的NLDN CG冲程值的测量，在10个地区的15分钟警告过期时间和2分钟提前时间，验证是用NLDN CG冲程为4.8公里的内部警告半径。

在表1中从图2中的10点的分析中组合警告统计。2014年的分析1）15公里外观察半径，2）4.8公里内警告半径，3）15分钟警告过期时间，4）表1的第一行显示2min提前时间。然后用两个数据集进行统计比较。在表1中从左到右示出的这些结果的注释包括以下内容：

1. POD2是0.77.PoD2与2013后期数据集相比接近0.76的结果（霍利等人.2014）。它也非常类似于0.78个值在12个机场（在许多相同的位置作为本研究），从2011年5月到8月。
2. 警告失败（FTW）为1减去POD2（表中未示出）。
3. 这个比率与2013的相同，大约与2011所12个机场的0.71的相同。
4. 在有效警告的时间平均为1.14%的时间在2014年的夏天的122天。持续时间比在2013年夏末研究中发现的时间要长。但与2011年夏季的12个机场差不多。
5. 在122天中的虚假警报平均水平为0.91 %。持续时间比2013年夏末和2011年夏季长。

这些比较表明，2014个数据集具有类似的警告性能，基于NLDN闪存数据集，从过去几年。事实上，尽管地点、时间不同，但结果往往是相似的。和闪光与中风的数据。似乎有潜在的时间和空间尺度的闪电正在表明这些参数的独立性数据集的相似性。这一课题需要进一步研究。

b.增加云脉冲

内部区域是期望CG冲程的提前警告，因此仅在内部警告区域内使用CG笔划作为验证。用于预测机场CG冲程的外部观测区域只能有CG笔划或CG笔划加云脉冲。由于分析方法是如何计算的，在中心点4.8公里内不包含云图，大约有10%的面积为15公里的圆。CG和CG加云脉冲的比较显示在表2中，从左到右：

1. 最值得注意的是POD2从0.77增加到0.90。这是POD2相对于CG的13%的增加。
2. 在外部观测区域中增加云脉冲，在4.8和15kmin之间，从846到877进入这个外部区域。
3. 当增加云脉冲时，从0.69增加到0.72。
4. 有效警告和假警报的持续时间在一定程度上有所增加。
5. 0.5公里内警戒半径结果

表1和2给出了具有4.8公里半径的内部警告区域的结果，这些半径适用于大型机场，例如在达拉斯/沃思堡和科罗拉多丹佛的机场。现在，一个更小的区域，一个机场内的单一设施的大小，例如加油区，需要被考虑。

表2：如表1所示，但在2014年夏季增加了云脉冲数据。

表3：如表1所示，但对于在2014年的夏季添加CG行程加0.5公里警告半径的内部区域。

a.0.5公里与4.8公里内警戒半径的比较

表3表示出了对具有0.5公里半径的较小内部警告区域的性能的若干措施的改进。POD2的内部警告半径从0.90增加到较小的内部警告半径的0.97。然而，故障分析报告也从0.72增加到0.96。虽然有效警告的百分比时间仅为20%，只要对于大的内部警告半径，虚警持续时间几乎是较小的内部区域的两倍。

b.在不同的外观察半径下的结果

先前的表已经显示了15公里外观察半径的结果。表4显示了额外的外部观测半径为5和10Km，有和没有云脉冲。这种警告半径的排列表明POD2和FAR的组合具有与10和15km相同的性能，但优于5km。表4总结的分析如下：

1. 对于POD2，表3显示15公里外观察半径具有POD2的0.97与云脉冲。较小的外观测半径为10km，其半径约为15km。但是注意，将外部观测半径减小到5km导致POD2的下限为0.88。
2. 当不包括云脉冲时，表4的下部示出较大的半径产生类似的性能结果，但5公里外观察半径太小，因为POD2下降到0.76。

如前面所讨论的，机场和航空公司在设置雷电警告半径距离时必须考虑安全性和操作效率。表3和表4的比较为维护高水平安全性提供了一些见解，同时也最小化了地面操作停止的持续时间。例如，如果一个大型机场不适用于该机场所有地面操作的一个内部警告半径。（例如，表3的内部警告半径5 4.8公里），而是在机场周围较小的地面操作区域应用单独的警告半径。（例如，表4的内部警告半径为0.5公里），重大警告持续时间减少，而没有大幅减少安全性。当在内部半径之外没有观察到闪电时，直接在头顶上发生新风暴的可能性很小，并且开销云脉冲信息的可用性降低了第一闪电事件的可能性。

表3显示了POD2的90%和总的警告持续时间为2.4%的时间，在这项研究中，使用外部观测半径为15km，以警告所有地面操作内警告半径4.8km。相比之下，表4中有和没有云脉冲的结果显示POD2的实际改进（97%对90%），总警告持续时间大大减少（分别为2.4%和1.52%和1.2%%），外部观测半径为10km，以警告内部的所有地面操作。警告半径为0.5公里。这种0.5公里的内部警告半径方法可用于小型机场和不同的终端/维修区在大型机场。

c.在不同的前置时间的结果

表4：如表1所示，但为POD2增加了5和10Km的外观察半径，其内部警告半径为0.5公里。

表5：在10公里外观察半径下CG冲程警告的NLDN CG加云冲程值的测量，从2014年的6月1号到9月30号，在10个地区的15分钟警告过期时间和2分钟提前时间，用NLD

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