Objective of project is to refine, adapt and demonstrate the Lightning Jump Algorithm (LJA) for transition to GOES -R GLM (Geostationary Lightning Mapper) readiness and to establish a path to operations Ongoing work . reducing risk in GLM lightning proxy, cell tracking, LJA algorithm automation, and data fusion (e.g., radar + lightning)

Bateman, Monte

Carey, Larry

Cecil, Dan

Goodman, Steve

Schultz, Christopher J.

Stano, Geoffrey

NASA Technical Reports Server

LIGHTNING JUMP ALGORITHM AND 
RELATION TO THUNDERSTORM CELL 
TRACKING, GLM PROXY AND
OTHER METEOROLOGICAL MEASUREMENTS
Chris Schultz1,2, Larry Carey1, Dan Cecil2, Monte 
Bateman3, Geoffrey Stano4, Steve Goodman5
1 Department of Atmospheric Science, UAHuntsville
2 NASA MSFC
3 USRA/NASA MSFC
4 ENSCO/NASA SPoRT
5 NOAA NESDIS
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20130000644 2019-08-30T23:31:39+00:00Z
Goal of LJA Project
 Objective ‐To refine, adapt and demonstrate 
the LJA for transition to GOES‐R GLM 
(Geostationary Lightning Mapper) readiness 
and to establish a path to operations
 Ongoing work – reducing risk in GLM lightning 
proxy, cell tracking, LJA algorithm automation, 
and data fusion (e.g., radar + lightning).
The Lightning Jump Concept
 Several studies in the past 
have correlated increases 
in total flash rates within 
a storm to severe weather 
occurrence , e.g., 
 Goodman et al. 1988
 Williams et al. 1989
 Williams et al. 1999
 Schultz et al. (2009)
 Gatlin and Goodman (2010)
 The correlation is 
between the following
 Updraft strength and 
modulation of 
electrification
 Updraft strength and ability 
to produce severe and 
hazardous weather. 
Recent LJA Work
 Schultz et al. (2011) recently demonstrated the feasibility of the 
2 lightning jump algorithm (LJA) on a large sample of 711 
thunderstorms (severe and non‐severe) from across the 
country.
 POD 79%, FAR 36%, CSI 55%, HSS 0.71.  
 Avg. Lead time 20.65 minutes +/‐ 15.05 minutes
 Schultz et al. (2009, 2011) used native LMA total lightning and 
TITAN cell tracking, with manual changes when needed
 Storm splits, mergers
 Cells change shape/size
Real Time Situation Awareness 
Utility
 The LJA Can:
 Indicate when an 
updraft is strengthening 
or weakening on shorter 
timescales than current 
radar and satellite
 Identify when severe or 
hazardous weather 
potential has increased
 “Tip the scales” on 
whether or not to issue a 
severe warning
 The LJA Cannot:
 Predict severe weather 
potential in every severe 
storm environment.
 Discern severe weather 
types
 i.e., a certain jump does 
not mean there will be a 
certain type of severe 
weather
 Issue specific types of 
severe warnings
March 2, 2012
 “...MS/AL/GA LATE THIS AFTERNOON 
INTO TONIGHT... THE MOIST/UNSTABLE 
WARM SECTOR IS ALREADY 
ESTABLISHED ACROSS THE GULF COAST 
STATES THIS MORNING. THIS AREA WILL 
REMAIN A LITTLE S OF THE STRONGEST 
DEEP‐LAYER FLOW...AND THE 
STRONGEST LLJ CORE WILL DEVELOP 
NEWD TO THE OH VALLEY IN 
CONJUNCTION WITH THE UPPER JET 
STREAK AND SURFACE CYCLONE. 
STILL...INSTABILITY AND VERTICAL 
SHEAR WILL BE FAVORABLE FOR 
SUPERCELLS WITHIN IN ONE OR MORE 
BANDS OF CONVECTION ALONG AND 
AHEAD OF THE COLD FRONT BEGINNING 
LATER THIS AFTERNOON AND 
CONTINUING INTO TONIGHT. RISKS WILL 
INCLUDE A FEW 
TORNADOES...DAMAGING WINDS...AND 
LARGE HAIL THROUGH TONIGHT.”
SPC 13Z outlook
Main threat for AL targeted for the 
afternoon in association with trailing 
front
1432 – 1452 UTC
NALMA FED ( every 2 minutes )
KHTX ( every 5 minutes )
Lightning jump 
“tips the scale”
1451 UTC – NWS Huntsville Issues Warning
‐ Forecaster notes increase in lightning
‐ First reports of severe weather 1520 UTC
‐Debris signature observed on ARMOR at 1513 UTC
‐ Lead time on event 19 minutes (touchdown 1510)
Zh
ARMOR 1517 UTC 3/2/2012
ZDR CC
Vr
TDS
Lightning 
Jump, 
lightning 
rates, and 
comparisons 
to radar 
derived 
products, 
March 2, 2012
Top – Reflectivity
2 down – total flash rate
Middle – DFRDT, LJ
4 down –VIL trend
Bottom – MESH trend
VIL
MESH
DFRDT
Flash 
Rate
Azimuthal Shear
TORNADO
More Feedback from Users
 WFO Nashville: "The LMA often helps 'tip the scales' towards 
warning an issue.”
 WFO Huntsville: "This was a particularly good case (March 2, 2012), in 
which the LMA data helped the warning forecaster to realize that a 
storm of interest was likely to undergo rapid strengthening, and that 
a warning was necessary."
 WFO Morristown: “…based on the big jump in source density values 
and the slight jump in POSH (and the favorable storm environment), I 
decided to issue a SVR.” 20 minutes after warning issued, 
damaging winds occurred near Jasper, TN (April 24, 2010) 
http://nasasport.wordpress.com/2010/04/27/use‐of‐lma‐data‐tips‐the‐scales‐toward‐a‐warning/
 WFO Huntsville: "I believe the density rates were the primary factor 
in holding off on a warning."
 Spring Program Participant: "Not necessarily going to be the main 
warning product, but it will be a good confirmation tool. If I had paid 
more attention and been more aware I could have issued my tornado 
warning one scan earlier." (24 May 2008 case event)
Development is more than 
just an algorithm
LJA GLM Lightning Proxy
Thunderstorm 
Tracking
Transition from LMA to GLM 
Proxy
 Observations from LMA 
≠ GLM 
 Different instrument
 Different frequency
 Different part of flash
 Must transition product 
from LMA to GLM proxy 
data stream
 First step, using current 
GLM Proxy
Transition LJA to GLM Proxy
 Compared 1‐minute 
flash rates in LMA and 
GLM for 131 storms
 20+ sources per flash 
threshold
 GLM Proxy flash count is 
~88% of the LMA flash 
count
 Correlation in the trends 
are strong 
 R= 0.9
 GLM flash rates have a 
ceiling at ~100 flashes 
per minute
Transition to GLM Proxy: 
GLM Proxy vs. LMA trends
 Lightning trends are still present in the GLM proxy data.
 Magnitudes of lightning flash rates and jumps are not as pronounced 
in GLM proxy as LMA
 But the standard deviation (2) approach is still robust
2011‐04‐27 Cell A1H 2012‐03‐02 Cell A1H 2012‐03‐02 Cell B1H
Fields Used for Cell Tracking
Flct5:  5-minute GLM proxy flash count, 
updated every minute
VIL: Vertically Integrated Liquid (radar)
VILFRD: VIL combined with 5-minute Flash 
Rate Density
VILFRD = 100 * ( ((VIL/45) ≤ 1) + 
(sqrt(Flct5/45) ≤ 1) )
Track values where VILFRD ≥ 20, using 
increments of 20, with anything over 100 set 
to 100.
Tracker (WDSSII w2segmotionll) builds cells 
until a minimum size threshold is met. 
Several sizes tested; we use ~200 km2 for 
large storms, ~80 km2 for smaller storms.
First see if values exceeding 100 cover large 
enough area (e.g., cells 26, 42, 72, 83)
If not, include values exceeding 80 (e.g., cells 66, 89)
If not, include values exceeding 60 (e.g., cell 66, 89), 40 
(e.g., cell 69), or 20 (e.g., cell 36).
2002‐11‐11  00:58 UTC
Tra
Cell 
Tracking
Left: GLM Proxy 
Flash Count
Middle: Combined 
VIL‐Flash 
Density Field
Right: Tracked 
Features
Tracking uses WDSSII w2segmotionll, with maximum overlap approach for associating cells 
from one time step to the next.
Cells are projected forward from time t to t+1 (1-minute increments, so projected motion has 
very little effect)
If an observed cell at t+1 matches a cell location projected forward from t, within (5 km) or (1 x 
Size of Cell), then it is associated with that previously identified cell’s history.
If a cell disappears in one time step, it cannot re-appear later.
Outside WDSSII, “broken tracks” are objectively merged. If WDSSII has a new cell begin at t+1
within 20 km of where a previous cell track ended at time t, those cell histories are tied 
together.  (This last step is not reflected in animation, but is in flash rate time series .)
LMA vs. GLM Proxy Flash Rate and Jumps
Cell 4 / Cell D 11‐11‐02
Tornado:  Hail:   Wind:   GLM Jump: LMA Jump:
The Next Step: Understanding the Physics Behind the Jump
Key points this analysis will address:
1) What physically is going on in the cloud 
when there is a jump in lightning?
‐ Updraft variations, Ice fluxes
2) How do these processes fit in with severe 
storm conceptual models?
3) What would this information provide an 
end user?
‐ Relate LJA to radar observations, like changes 
in reflectivity, MESH, VIL,  etc. based multi‐
Doppler derived physical relationships
Adapted from Deierling et al. 2008, JGR
KHTX‐ARMOR dual‐Doppler analysis July 19, 2006
Time height of reflectivity (top) flash rate w/ lightning jumps (red 
asterisks; middle) and VIL (blue; bottom) and MESH (green; bottom)
Summary of Ongoing Work
 Refining and developing GLM lightning proxy database      
 Transformed VHF‐based NA‐LMA to optical lightning proxy using 
LIS and statistical‐physical methods
 Developed representative proxy lightning (e.g., GLM resolution, 
8 km) for 37 events (100’s of cells) from 2002‐2010 over NA‐LMA. 
Turn‐key for new cases, as needed.
 Improving multi‐sensor (GLM proxy, radar) cell 
(object)‐oriented tracking                                                   
 Optimized current WDSS‐II/K‐means cell tracking algorithm to 
reduce tracking ambiguity for LJA
 Developing LJA as an automated objective system
 Began adaptation of LJA (rules, thresholds) to GLM proxy and 
multi‐sensor object tracking improvements
 Investigated environmental controls on LJA for identification and 
mitigation of known LJA biases during low topped convection
Summary of Ongoing Work
 Studying fusion of LJA with radar data and products
 Reflectivity‐based, dual‐Doppler, dual‐polarization
 For operational use and solidifying the LJA conceptual model
 Exploring use of LJA and LJA/radar in forecasting 
process and operational situational awareness
 User interactions and feedback within NASA SPoRT and local 
NWS offices


Lightning Jump Algorithm and Relation to Thunderstorm Cell Tracking, GLM Proxy and other Meteorological Measurements

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server