Cecil, Daniel J.

NASA Technical Reports Server

Extreme Thunderstorms as Seen by Satellite
Daniel J. Cecil
NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville, AL
Daniel.J.Cecil@nasa.gov
Passive microwave imagers (SSMI, TMI, AMSR‐E, SSMIS, GMI…) on low‐earth orbit satellites since 1987 allow near‐
global climatologies of deep convection
• Scattering by graupel / hail reduces TB relative to surroundings
• Magnitude of TB reduction depends largely  on size, concentration, depth of precip ice
• MCS climatologies (Mohr and Zipser 1996) use area with 85 GHz below 250 K to define size, with 85 GHz below 225 
K to ensure convection
• Storms with TB below ~200 K @ 85 GHz, ~255 K @ 37 GHz likely to have lightning (Liu et al. 2011)
• Storms with TB below ~75 K @ 85 GHz, ~175 K @ 37 GHz likely to have large hail (Cecil and Blankenship 2012)
• Values cited above are from high‐resolution TRMM satellite. Lower‐resolution SSMI would have warmer thresholds
• Lower TBs should indicate stronger and stronger storms. 
Global climatology of severe hail storms estimated from AMSR‐E (below) by Cecil and Blankenship (2012) used storms 
with 36 GHz below 200 K and 89 GHz below 130 K, with storms weighted more heavily as 36 GHz TB goes to lower 
values.
What about the strongest of the strong storms?
This poster maps locations of the strongest storms 
seen by passive microwave imagers on several LEO 
satellites.
For each satellite, the single “champion” storm is 
found having the lowest brightness temperature for 
a given frequency (85 GHz or 37 GHz) in that 
satellite’s record. (Tables below, blue symbols in 
maps at far right)
85 GHz PCT
45 K
37 GHz PCT
69 K
10 GHz Horizontal
252 K
19 GHz Horizontal
147 K
Lowest 37 
GHz  in 16 
year record
Soil moisture 
shows up in 10 
GHz, 19 GHz
85 GHz @ 37 GHz resolution 
(16x9 km): 55 K
85 GHz @ 10 GHz resolution 
(63x37 km): 131 K
85 GHz @ 19 GHz resolution 
(30x18 km): 61 K
Radar Reflectivity Cross Section
30 Dec 1997
SENW
a
l
t
i
t
u
d
e
20 
km
50 dBZ40 dBZ
50 dBZ @ ~12 km
45 dBZ @ ~18 km
Without corroborating radar 
data, such low TBs (at right) 
would seem suspicious
30 Dec 1997
Strongest 
convection seen 
by TRMM 
anywhere in 16 
years
Radar Reflectivity
Near surface
Radar Reflectivity
15 km Altitude
Radar Reflectivity
10 km Altitude
~50 dBZ
From AMSR‐E 36 GHz
From TRMM Radar Refl
@ ‐25° C
The brightness temperatures represent integrated effects from a vertical column. Active radar from TRMM (2.2 cm, 
13.8 GHz) can focus on a particular vertical level. But attenuation correction casts doubt on details at low levels in 
intense storms.  TRMM Radar limited to  36° S‐N.
Same approach as in Cecil and Blankenship (2012) applied to TRMM Radar Reflectivity at ‐25° C level (below).  Hail 
probabilities become large as reflectivity exceeds 50 dBZ at ‐25° C.
TRMM satellite allows more examination of 
individual cases, with co‐located radar, 
radiometer, and lightning sensor.  
This case shown along the bottom was in 
some ways the strongest seen by the TRMM 
satellite, for the period late 1997 – 2013.
It was observed in Northern Argentina soon 
after TRMM went on orbit.
Its 37 GHz brightness temperature was 
substantially lower than previously (or 
subsequently) seen by similar satellite 
radiometers.
The TRMM radar measurements of 40 DBZ at 
19.5 km altitude make the brightness 
temperatures believable.  Note that TRMM 
radar’s vertical bin size here is about 1 km (250 
m range gates, 4 km beam width, about 15° off 
nadir). 
TRMM Lightning Imaging Sensor detected 
about 225flashes per minute.
Sensor /
Platform 
Date Time 
LST 
Lon Lat Min
37 
Min
85 
Location Notes
SSMI /
F08 
12 
Dec 
1988 
6 pm 62.78
W 
27.84
S 
146.9 88.7 Santiago 
del Estero, 
Argentina 
SSMI /
F10 
22 
Dec 
1991 
9 pm 61.25
W 
26.72
S 
120.9 64.5 Chaco, 
Argentina 
SSMI /
F11 
28 
Jun 
1998 
6 pm 92.67
W 
43.78
N 
119.1 63.4 Minnesota, 
USA 
1.75” hail, 
81 kt wind 
SSMI /
F13 
16 
Nov 
1998 
6 pm 63.46
W 
23.01
S 
129.2 51.0 Salta, 
Argentina 
SSMI /
F14 
04 
Jul 
1999 
9 am 94.22
W 
47.02
N 
123.8 64.9 Minnesota, 
USA 
“Boundary 
Waters 
Derecho”. 
Tornado, 
hail, wind 
damage 
reported. 
Price and 
Murphy 
(2002 
GRL) 
SSMI
F15 
13 
Nov 
2009 
6 pm 59.23
W 
28.76
S 
124.4 53.6 Santa Fe,
Argentina 
Same as
F15 case 
in Table 3 
TMI /
TRMM 
30 
Dec 
1997 
9 pm 62.05
W 
27.67
S 
68.1 44.1 Santiago 
del Estero, 
Argentina 
40 dBZ
radar echo 
above 19 
km. See 
Zipser et 
al. (2006 
and Table 
3) 
AMSR-
E / 
Aqua 
05 
Jan 
2010 
2 pm 61.78
W 
35.69
S 
79.6 56.8 Buenos
Aires, 
Argentina 
153 K 18-
GHz 
 
nsor / Platform Period of record 37 GHz footprint 85 GHz footprint mode time of day
MI / F08 Jul 1987
Dec 1988 
37 x 29 km 15 x 13 km 5-7 am; 5-7 pm
5 am NH; 5 pm SH 
MI / F10 Dec 1990
Nov 1997 
37 x 29 km 15 x 13 km 8-11 am; 8-11 pm
10 am NH; 10 pm SH 
MI / F11 Dec 1991
Mar 2000 
37 x 29 km 15 x 13 km 5-8 am; 5-8 pm
7 am NH; 7 pm SH 
MI / F13 May 1995
Nov 2009 
37 x 29 km 15 x 13 km 5-7 am; 5-7 pm
5 pm NH; 5 am SH 
MI / F14 May 1997
Aug 2008 
37 x 29 km 15 x 13 km 7-10 am; 7-10 pm
8 pm NH; 8 am SH 
MI / TRMM Dec 1997 Feb 2014 16 x 9 km 7 x 5 km any
MSR-E / Aqua Jul 2002 Feb 2010 14 x 8 km 6 x 4 km ~1-3 am; ~1-3 pm
 
Table 1. Satellites used, and sensor resolutions.
Table 2. Lowest 37 GHz brightness temperatures. Table 3. Lowest 85 GHz brightness temperatures.
Locations of the very strongest storms generally 
clustered in Central US (TX to MN) or Northern 
Argentina.
Others are scattered across tropical land regions. Few 
over ocean, but two were associated with tropical 
cyclones.
North American results are consistent with well 
known severe thunderstorm locations.
Argentina severe storm region is less well known, but 
survey of newspaper stories by Rasmussen et al. 
(2014 GRL, in review) confirms a region with 
damaging hail and tornadoes. The strongest storms 
identified by satellite line up well with the region of 
most tornado reports (northeast Argentina). There is 
some overlap with hail reports, but more hail reports 
clustered further west toward mountains. This 
western cluster of hail reports is at least partly due to 
population and agriculture density. 
Figure below is adapted from Rasmussen et al. 2014 
GRL and the SSMI‐based figures at right.
SSMI 85 GHz < 65 K
SSMI 37 GHz < 150 K
Tornado
Hail storm
Sensor /
Platform 
Date Time 
LST 
Lon Lat Min
37 
Min
85 
Location Notes
SSMI
F08 
09 
Mar 
1988 
6 pm 64.56 
W 
34.01 
S 
182.4 77.0 Cordoba, 
Argentina 
-
SSMI
F10 
30 
Dec 
1996 
11 
pm 
116.11
E 
16.07
S 
187.4 60.8 Eastern 
Indian 
Ocean 
Cyclone
Phil 
(sheared, 
weakening) 
SSMI
F11 
28 
Jun 
1998 
9 pm 92.67
W 
43.78
N 
119.1 63.4 Minnesota, 
USA 
Same as
F11 case 
in Table 
2 
SSMI
F13 
16 
Nov 
1998 
6 pm 63.46
W 
23.01
S 
129.2 51.0 Salta, 
Argentina 
Same as
F13 case 
in Table 
2 
SSMI
F14 
30 
Dec 
1997 
9 pm 62.22
W 
27.93
S 
129.4 58.3 Santiago 
del Estero, 
Argentina 
Same as
TMI case 
in Table 
2 
SSMI
F15 
13 
Nov 
2009 
6 pm 59.37
W 
28.70
S 
124.4 53.6 Santa Fe,
Argentina 
Same as
F15 case 
in Table 
2 
TMI
TRMM 
14 
Nov 
2009 
9 pm 58.14
W 
28.15
S 
123.0 39.4 Corrientes,
Argentina 
3 hours
after F15 
case 
AMSR-
E 
Aqua 
18 
Nov 
2005 
1 pm 127.33 
E 
15.90 
N 
109.7 41.1 Philippine 
Sea 
Typhoon 
Bolaven 
 
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140017681 2019-08-31T15:38:51+00:00Z


Extreme Thunderstorms as Seen by Satellite

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server