T E L K O M N I K T elec o m m un ica t io n Co m pu t ing   E lect ro nics   a nd   Co ntr o l   Vo l.  2 4 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 6 ,   p p .   1 62 ~1 74   I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0 ,   DOI : 1 0 . 1 2 9 2 8 /TE L KOM NI KA. v 2 4 i 1 . 2 7 4 5 1          162     J o ur na l ho m ep a g e :   h ttp : //jo u r n a l.u a d . a c. id /in d ex . p h p /TELK OM N I K A   Cha lleng es in rad a r - ba sed no n - sup ercell  torna do  det ection  using  ma chine lea rning  appro a ches       K ik i 1, 3 ,   Yo nn y   K o esm a ry o no 1 ,   Ra hm a t   H ida y a t 1 ,   Do na ldi   Su k m a   P er m a na 2 ,   P er din a n 1 ,   Abdu lla h Al i 3   1 A p p l i e d   C l i m a t o l o g y   S t u d y   P r o g r a m ,   D e p a r t m e n t   o f   G e o p h y si c a n d   M e t e o r o l o g y ,   F a c u l t y   o f   M a t h e m a t i c a n d   N a t u r a l   S c i e n c e s,   I P B   U n i v e r si t y ,   B o g o r ,   I n d o n e s i a   2 D e p a r t me n t   o f   C l i m a t o l o g y ,   I n d o n e si a n   A g e n c y   o f   M e t e o r o l o g y   C l i ma t o l o g y   a n d   G e o p h y si c s (B M K G ) ,   J a k a r t a ,   I n d o n e s i a   3 D e p a r t me n t   o f   P u b l i c   W e a t h e r   S e r v i c e s,   I n d o n e s i a n   A g e n c y   o f   M e t e o r o l o g y   C l i m a t o l o g y   a n d   G e o p h y si c s (B M K G ) ,   J a k a r t a ,   I n d o n e si a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   20 2 0 2 5   R ev is ed   No v   28   2 0 2 5   Acc ep ted   Dec   8 2 0 2 5       To rn a d o   d e tec ti o n   i n   In d o n e sia   re m a in c h a ll e n g in g   a m o st  a re a a r e   m o n it o re d   b y   sin g le - p o lariz a ti o n   we a th e ra d a r,   wh il e   d u a l - p o lariz a ti o n   sy ste m o ffe su p e ri o d e tec ti o n   c a p a b il it ies .   Th is   stu d y   p re se n t a   n o v e l   a p p ro a c h   b y   a p p ly i n g   ra n d o m   f o re st  (RF a n d   XG Bo o st  m a c h in e   lea rn in g   a lg o rit h m to   d e tec to r n a d o e u si n g   sin g le - p o lariz a ti o n   ra d a d a ta,  a d d re ss in g   a   c rit ica g a p   in   tr o p ica to r n a d o   m o n it o r in g   wh e re   d u a l - p o in fra s tru c tu re   is  li m it e d .   F o u to r n a d o   c a se in   S u ra b a y a   d u ri n g   2 0 2 4   we re   a n a ly z e d .   R a d a r   fe a tu re in c lu d in g   re flec ti v it y ,   ra d ial  v e l o c it y ,   v o rti c it y ,   a n d   a n g u lar   m o m e n tu m   we re   e x trac ted   th r o u g h   a   m u lt i - e lev a ti o n   sli d in g   win d o tec h n iq u e .   S p a ti a lab e ls  we re   a ss ig n e d   b a se d   o n   re p o rts  fro m   t h e   I n d o n e sia n   Ag e n c y   f o M e te o ro l o g y ,   Cl ima to lo g y   a n d   G e o p h y sic s   (BM KG with   a   7 . 5   k m   ra d iu fr o m   th e   e v e n c e n ter.   Th e   d a tas e wa b a lan c e d   u sin g   sy n t h e ti c   m in o rit y   o v e r - sa m p li n g   tec h n iq u e   (S M OTE) .   Ev a l u a ti o n   wa p e rfo rm e d   u sin g   th e   lea v e - o n e - c a se - o u ( LOCO)  sc h e m e .   Wi th in - c a se   e v a lu a ti o n   sh o we d   stro n g   p e rfo rm a n c e   wit h   a re a   u n d e th e   c u rv e   (AU C)  > 0 . 9 4   fo b o t h   m o d e ls.  XG Bo o st  a c h iev e d   h ig h e p ro b a b il it y   o d e tec ti o n   (P OD   0 . 6 7 - 0 . 7 2 )   b u wi th   e lev a te d   fa lse   a larm   ra tes   (F AR  u p   to   7 0 % ) .   RF   d e m o n str a ted   m o re   b a lan c e d   p e rfo rm a n c e   (P OD   0 . 6 1 - 0 . 6 5 ,   F AR  0 . 3 4 - 0 . 3 5 ).   LOCO  e v a lu a t io n   re v e a led   sig n ifi c a n P OD   re d u c ti o n   a n d   F AR  i n c re a se   wh e n   tes ted   o n   n e w   c a se s.  Th is  in d ica tes   g e n e ra li z a ti o n   c h a ll e n g e d u e   to   v a riab il it y   in   to rn a d o   c h a ra c teristics .   Th is  st u d y   d e m o n stra tes   th e   p o te n ti a o f   m a c h in e   le a rn in g   f o r   tro p ica t o rn a d o   e a rly   d e tec ti o n   u sin g   re a d il y   a v a il a b le  sin g le - p o lariz a ti o n   ra d a r.   K ey w o r d s :   Ma ch in lear n in g   R an d o m   f o r est   Sin g le - p o lar ized   r ad ar   T o r n ad o es   XGBo o s t   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Yo n n y   Ko esm ar y o n o   Ap p lied   C lim ato lo g y   Stu d y   Pr o g r am ,   De p ar tm en o f   Geo p h y s ics an d   Me teo r o lo g y   Facu lty   o f   Ma th em atics a n d   N atu r al  Scien ce s ,   I PB   Un iv er s ity   B o g o r ,   I n d o n esia    E m ail: y o n n y @ ap p s . ip b . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O   Sev er co n v ec ti v s to r m s   p r esen s ig n if ican ch allen g to   m eteo r o lo g ical  m o n it o r in g   a n d   f o r ec asti n g ,   p a r ticu lar ly   in   tr o p ical  r eg io n s .   T h ese  s y s tem s   f r eq u en tly   p r o d u ce   s ig n if ican wea th er   p h en o m en a,   in clu d in g   h ea v y   r ain ,   th u n d er s to r m s ,   h ail,   an d   to r n ad o e s .   A m o n g   t h ese,   p u tin g   b eliu n g ”  lo ca ter m   u s ed   in   I n d o n esia  f o r   s m all - s ca le,   s h o r t - liv ed   to r n ad o es  is   f r eq u en o cc u r r en ce ,   p ar ticu lar l y   d u r in g   tr an s itio n al  s ea s o n s   [ 1 ] - [ 3 ] .   T o r n ad o es,   th o u g h   ty p ically   s m all  an d   s h o r t - liv ed   in   I n d o n esia,  ca n   s till   ca u s s ev er d am ag e   to   in f r astru ctu r e   an d   p o s r is k s   to   h u m an   s af ety   [ 4 ] .   Me an w h ile,   in   ter m s   o f   ec o n o m ic  lo s s es,  f o r   ex am p le  in   Sem ar an g ,   C en tr al  J av a,   wh ic h   ca r r ies  to r n ad o   r is k   h az ar d   lev el  as  h ig h   as  2 8 . 5 0 2 %,  t o r n ad o es  ca u s ed   an   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           C h a llen g es in   r a d a r - b a s ed   n o n - s u p ercell  to r n a d o   d etec tio n   u s in g   ma ch in le a r n in g   a p p r o a ch es ( K iki)   163   esti m ated   ec o n o m ic  lo s s   o f   u p   to   USD  5 1 , 0 0 0   d u r i n g   th p er io d   f r o m   J an u ar y   2 0 1 4   to   Dec em b er   2 0 1 8   [ 5 ] T h is   ex tr em p h en o m en o n   ac co u n ts   f o r   ap p r o x im ately   2 1 o f   all   n atu r al   d is aster s   th at  o c cu r r ed   in   I n d o n esia   b etwe en   1 8 1 5   an d   2 0 1 4   [ 6 ] .   Giv en   th ese  r is k s ,   u n d er s tan d in g   th ch ar ac ter is tics   o f   I n d o n esian   to r n ad o es  is   cr itical.   Sev er al  d o m esti s tu d ies  h av e   attem p t ed   to   a n aly ze   t h ese  ev en ts   u s in g   av aila b le  m eteo r o lo g ical  d ata.   Fo r   e x am p le,   s tu d y   b y   Sis wan to   an d   Su p ar [ 7 ]   u tili ze d   s atellite  an d   s u r f ac o b s er v atio n   d ata  to   id e n tify   t o r n ad o   p r ec u r s o r s ,   ch ar ac ter ized   b y   r ap id   in c r e ase  in   r elativ h u m id ity   ap p r o x im ately   o n h o u r   in   ad v an ce ,   ac co m p an ied   b y   a   s h ar p   tem p er atu r d r o p   a n d   t h p r esen ce   o f   “h o r n - lik e”   p r ess u r an o m aly .   R u s m ala  et  a l.   [ 8 ]   a n aly ze d   a   to r n ad o   ev en i n   J ak ar ta  u s in g   C - b an d   wea th er   r ad ar   d ata  f r o m   co lu m n   m ax im u m   r ef lectiv i ty   ( C MA X) ,   v er tical  cu ( VC UT ) ,   an d   c o n s tan altitu d p lan   p o s itio n   in d icato r   ( v elo city )   ( C APPI  ( V) )   at  0 . 5   k m ,   1 . 0   k m ,   a n d   1 . 5   k m ,   c o m b in e d   with   h o r izo n tal  win d   ( HW I ND)   d ata.   T h e   r esu lts   s h o wed   th at  th e   to r n ad o - g e n er atin g   c o n v ec tiv e   clo u d   d e v elo p e d   r a p id ly ,   with   r ef lectiv ity   b etwe en   3 5 - 4 5   d B Z   an d   win d   s p ee d s   u p   to   3 5   k n o ts .   An o th er   s tu d y   b y   Kik i   et  a l.   [ 3 ]   a n aly ze d   th s p atio tem p o r al  d is tr ib u tio n   an d   tr en d s   o f   to r n ad o   o cc u r r en ce s   in   I n d o n esia  o v e r   th p ast  d ec ad an d   r ep o r ted   t h at  th p r im ar y   to r n ad o   h o ts p o ts   ar lo ca ted   o n   th is lan d   o f   J av a,   with   p o s itiv e   tr en d   in   to r n ad o   f r eq u e n cy   o f   a p p r o x im ately   1 2   e v en ts   p er   y e ar .   Yu d is tira   et  a l [ 9 ]   an al y ze d   u p p e r - air   d ata  an d   f o u n d   th at   n eg ativ e   lifte d   in d ex   ( L I )   v alu es,  elev ate d   K   in d ex   ( K I ) ,   to tal  to tals   in d ex   ( T T ) ,   a n d   c o n v ec tiv e   av ailab le  p o ten tial e n er g y   ( C APE)   in d ices,  alo n g   with   h ig h er   s ev er wea th er   th r ea t in d e x   ( SW E AT )   r ea d in g s ,   in d icate d   u n s tab le  atm o s p h er i co n d itio n s   co n d u civ e   to   co n v ec tio n   a n d   t h u n d er s to r m   d ev elo p m en t.   Ov er all,   th r esu lts   d em o n s tr ated   in c r e asin g   atm o s p h er ic   in s tab ilit y   a n d   a   r is in g   p o ten tial  f o r   co n v e ctiv an d   lig h tn in g   ac tiv ity   co m p ar ed   to   th p r ec e d in g   d ay s .   Oth er   s tu d y   h as  attem p ted   to   ev alu ate  co m m u n ity   r esil ien ce   to   to r n ad o   ev en ts .   Fo r   in s tan ce ,   Hid a y at  e a l.   [ 1 0 ]   co n d u cte d   r esear c h   i n   Do n o h u d an   Villag e,   C en tr al  J av a,   an d   id en tifie d   m o d e r ate  lev el   o f   r esil ien ce   am o n g   r esid en ts .   T h is   co n d itio n   was  i n f lu en ce d   b y   f ac to r s   s u ch   as  ad a p tab ilit y   to   ch an g i n g   cir c u m s tan ce s   an d   ch allen g es,  f am ilial  an d   s o ci al  s u p p o r t n etwo r k s ,   s p ir itu al   v alu es,  an d   s tr o n g   s en s o f   p u r p o s e.   Desp ite  th e s an aly tical  ef f o r ts ,   th d ete ctio n   an d   m o n ito r in g   o f   s u ch   s h o r t - liv ed   e v en ts   r em ain   d if f ic u lt,  n ec ess itatin g   r o b u s t e ar ly   war n in g   s y s tem s .   T h p r i m ar y   tech n o l o g ical  co n s tr ain in   I n d o n esia  lies   in   t h r ad a r   in f r astru ctu r e,   wh er e as  wea th er   r ad ar   is   r ec o g n ized   as  th e   p r im ar y   to o f o r   to r n a d o   m o n ito r in g   an d   f o r ec asti n g   g lo b ally   [ 1 1 ] .   W h ile  I n d o n esia n   Ag en cy   f o r   Me teo r o lo g y ,   C lim ato lo g y   an d   Geo p h y s ics   ( B MK G)   h as  b eg u n   d ep l o y in g   d u al - p o lar izatio n   wea th er   r ad ar s ,   t h n etwo r k   r em ain s   lim ited .   As  o f   2 0 2 5 ,   B MK o p er ates  4 4   wea th e r   r a d ar s ,   co m p r is in g   3 3   s in g le - p o lar izatio n   C - b a n d   r a d ar s   an d   1 1   d u al - p o lar izatio n   s y s tem s   ( C - b an d   an d   X - b an d ) .   C o n s eq u en tly ,   m o s r eg io n s ,   in clu d i n g   th o s f r e q u e n tly   ex p er ien ci n g   to r n ad o   e v en ts ,   ar p r ed o m in a n tly   b y   s in g le - p o lar izatio n   r a d ar   s y s tem s .   T h is   lim i tatio n   r estricts  th av ailab ilit y   o f   ad v an ce d   p o lar im etr ic  v ar iab les  o f te n   u s ed   in   m o d er n   s to r m   d etec tio n ,   cr ea tin g   n ee d   f o r   m eth o d s   th at  ca n   m ax im ize  th u tili ty   o f   ex is tin g   s in g le - p o la r izatio n   d ata.   I n   th e   g lo b al  co n tex t,  a d v an ce s   in   d ata  s cien ce   an d   ar tif icial  in tellig en ce   ( AI )   o f f er   s ig n if ican t   o p p o r tu n ities   to   co m p lem en n u m er ical  wea th er   p r e d ictio n   an d   en h an ce   r ea l - tim g u id an ce   [ 4 ] .   R ec en y ea r s   h av s ee n   th e   s u cc ess f u ap p li ca tio n   o f   m ac h in lea r n in g   to   im p r o v e   to r n a d o   d etec tio n .   Fo r   d u al - p o lar izatio n   d ata,   Z en g   et  a l.   [ 1 2 ]   in tr o d u ce d   an   ex tr em g r a d ien b o o s tin g   ( XGBo o s t) - b ased   alg o r ith m   th at  en h an ce d   d etec tio n   ac cu r ac y .   Ho wev e r ,   p r o g r ess   h as  also   b ee n   m a d u s in g   s in g le - r a d ar   d ata,   San d m æ et  a l.   [ 1 3 ]   d ev elo p e d   th t o r n a d o   p r o b a b ilit y   alg o r ith m   ( T OR P),   p r o b ab ilis tic  m ac h in e   lear n in g   ap p r o ac h   u tili zin g   s in g le - r ad ar   d ata  to   esti m ate  to r n ad o   o cc u r r en ce   p r o b ab il ities .   Veillette  et  a l.   [ 1 1 ]   p r e s en ted   th to r n ad o   n etwo r k   ( T o r Net)   b en c h m ar k   d ataset,   co m p r is in g   f u ll - r eso l u tio n   p o lar im etr ic  wea th e r   r a d ar   d ata   to   f ac ilit ate  d ev elo p in g   an d   e v alu atin g   m ac h in lear n i n g   al g o r ith m s   f o r   to r n a d o   d etec tio n   a n d   p r ed i ctio n .   Var io u s   d ee p   lear n in g   ar ch itectu r es  wer e v alu ated   f o r   to r n ad o   d etec tio n   u s in g   wea th er   r ad ar   d ata,   d em o n s tr atin g   th e   p o ten tial  o f   th ese  m o d els  in   o p er atio n al  s ettin g s   [ 1 1 ] .   Fu r th er m o r e,   d ee p   lear n in g   ar ch ite ctu r es  h av s h o wn   p o ten tial  in   o p er atio n al  s ettin g s ,   with   Z h o u   [ 1 4 ]   p r o p o s ed   h y b r id   m o d els  co m b in i n g   Kalm an   f ilter in g ,   co n v o l u tio n al  n eu r al  n etwo r k s   ( C NNs),   an d   b id ir ec tio n al  lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   n etwo r k s   with   m u lti - h ea d   atten tio n   m ec h an is m s   to   im p r o v to r n ad o   p r e d ictio n   in   th Un ited   States .   Su f et  a l.   [ 1 5 ]   b u ilt  to r n a d o   co m p en d iu m   th at   en co m p ass es  b o th   c u r r en t   an d   h is to r ical  r e co r d s   o f   to r n ad o es  in   B an g lad esh ,   in   co n ju n ctio n   with   AI - b ased   r e g r ess io n   an al y s is   an d   th n ew   d ash b o a r d   s y s tem ,   wh ich   wo u ld   en a b le  an y   s tr ateg ic  d ec is io n   m ak er   to   m ak e v id en ce - b as ed   p o licy   d ec is io n s   r eg a r d in g   to r n ad o   ev en ts   in   B an g la d esh .   C o m p lem en tin g   th is ,   Xu et  a l.   [ 1 6 ]   in tr o d u ce d   th e   m u lti - task   id en tific atio n   n etwo r k   ( MT I - Net) ,   d etec tio n   m o d el  th at  u tili ze s   a   n o v el  b ac k b o n with   s p atial  an d   ch an n el  atten tio n   u n its .   T h is   ap p r o ac h   h as  p r o v en   h ig h ly   ef f ec tiv e,   r ed u cin g   f alse a lar m   r ates f r o m   0 . 9 4   to   0 . 4 6   a n d   ac h iev in g   a   n ea r ly   f o u r f o ld   i n cr ea s in   th h it r ate.   Desp ite  th ese  g lo b al  ad v an ce m en ts ,   th er r em ain s   n o tab le  g ap   i n   th e   liter atu r c o n ce r n in g   th e   ap p licatio n   o f   m ac h in lea r n in g   tech n iq u es  f o r   d etec tin g   to r n ad o es  in   s p ec if ically   wit h in   th I n d o n esian   m ar itime   co n tin en t.  M o s cr itical  is   th lack   o f   r esear ch   u tili z in g   s in g le - p o lar izatio n   r ad a r   d ata  f o r   th is   p u r p o s e,   wh ich   co n s titu tes  th b u lk   o f   I n d o n esia’ s   o b s er v atio n al  n etwo r k .   Ad d r ess in g   th is   g ap   is   ess en tial  f o r   d ev elo p in g   d etec tio n   s y s tem s   th at  ar e   ef f ec tiv in   th e   co n tex o f   I n d o n esia’ s   u n iq u e   m eteo r o lo g ic al  co n d itio n s   a n d   in f r astru ctu r c o n s tr ain ts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,   Vo l.  2 4 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 6 : 1 62 - 1 74   164   T h er ef o r e,   th is   s tu d y   aim s   to   ev alu ate  th p er f o r m an ce   o f   m ac h in lear n in g   alg o r ith m s ,   s p ec if ically   r an d o m   f o r est  ( R F)  an d   XGBo o s t,  in   d etec tin g   to r n ad o   ev e n ts   in   I n d o n esia  u s in g   s in g le - p o lar izatio n   wea th e r   r ad ar   d ata.   A d d itio n ally ,   t h s tu d y   ass ess es  th im p ac o f   in c o r p o r ati n g   m u lti - elev atio n   r ad ar   d ata  o n   d etec tio n   ac cu r ac y .   B y   ad d r ess in g   th i d en tifie d   r esear c h   g a p ,   t h is   s tu d y   co n tr ib u tes  to   d e v elo p in g   m o r ef f ec tiv ea r l y   war n in g   s y s tem s   f o r   to r n ad o es   in   th r eg io n .   T h f i n d in g s   wil p r o v id v alu ab le  i n s ig h ts   in t o   th ap p licatio n   o f   m ac h in lear n i n g   tech n iq u es  f o r   tr o p ical  r eg i o n s   an d   ar ch i p elag ic  co u n tr ies,  wh er c o n v en tio n al  d etec tio n   m eth o d s   f ac u n iq u e   ch allen g es d u to   co m p lex   to p o g r ap h y   an d   m eteo r o lo g ical  p atter n s .       2.   M E T H O D   2 . 1 .     M a t er ia l   T h e   a n a l y s i s   f o c u s e d   o n   t o r n a d o   e v e n t s   w it h i n   t h c o v e r a g e   a r e a   o f   t h s i n g l e - p o l a r i z at i o n   wea t h e r   r a d a r   o p e r a t e d   b y   B M KG   i n   S u r a b a y a   ( S B Y ) .   T h is   l o c a ti o n   w as   c h o s e n   b e c a u s e   i t   i s   l o c a t e d   i n   E a s J a v a ,   w h ic h   i s   o n e   o f   t h e   p r o v i n c e s   w i t h   t h e   h i g h e s t   f r e q u e n c y   o f   t o r n a d o   e v e n t s   i n   I n d o n e s i a   i n   r e c e n t   y e a r s   [ 3 ] Fo u r   d o c u m en ted   to r n ad o   e v en ts   o n   1 ,   9 ,   1 7 ,   a n d   2 6   J an u ar y   2 0 2 4   wer s elec ted   b ased   o n   d etailed   in cid en r ep o r ts   f r o m   th e   B MK [ 1 7 ] .   T h ese  r ep o r ts   p r o v id ed   ac cu r ate  g eo g r ap h ic  co o r d in ates,  ev en tim in g s ,   d u r atio n ,   an d   im p ac d escr ip tio n s ,   ess en tial f o r   s p at ial  lab elin g   o f   th r ad ar   d ata.   T h ese  ca s es we r s elec ted   p r im ar ily   b ased   o n   d ata   av ailab ilit y   an d   t h ab s en ce   o f   s ig n if ican r a d a r   b ea m   b lo ck ag d u e   to   ter r ain   at  th ev e n lo ca tio n s .   Deta iled   s u m m ar ies  o f   th s elec ted   to r n ad o   ev e n ts ,   in clu d in g   co o r d in ates,  tim in g s ,   an d   r e p o r ted   im p ac ts ,   ar p r esen ted   in   T ab le  1 .   T h Su r ab a y r a d a r   o p e r ates in   5 . 6   GHz   f r eq u e n cy   with   Ny q u is t   v elo ci ty   o f   3 2   m /s ,   em p lo y in g   s tag g er ed   p u ls r ep etitio n   f r eq u en cy   ( PR F)  s ch em o f   1 0 0 0   Hz  with   s tag g er in g   3 /4   r atio   an d   s p atial  r an g r eso lu tio n   o f   2 5 0   m eter s .   R ad ar   b ea m   b lo ck a g an al y s is   r esu lts   f o r   th e   th r ee   l o west  r ad ar   ele v atio n   an g les  ( 0 . 5 °,   0 . 8 °,  a n d   1 . 8 °)  a r p r esen ted   i n   Fig u r es  1 ( a)   an d   ( b ) ,   co n f ir m in g   m in i m al  o r   n e g lig ib le  b l o ck ag at   all  ev e n t   s ites .       T ab le  1 .   Selecte d   to r n ad o   ca s s tu d ies   D a t e / t i me   Lo c a t i o n   I mp a c t s   2 0 2 4 - 01 - 0 1 /   1 3 . 0 0   L T   K e m l a n g i ,   M o j o k e r t o ,   E a st   Ja v a   ( 7 . 4 0 8 5 7 9 0 7   S , 1 1 2 . 3 6 5 4 7 6 1 7   E)   1 6   h o u ses   d a ma g e d ,   se v e r a l   t r e e s   u p r o o t e d ,   t w o   v e h i c l e h i t   b y   f a l l e n   t r e e s   2 0 2 4 - 01 - 1 7 /   1 4 . 3 0   L T   M e g a l u h ,   Jo mb a n g ,   Ea s t   J a v a   ( 7 . 5 0 1 5 4 6 3 3   S , 1 1 2 . 1 8 6 1 4 2 3 7   E)   8   h o u se d a ma g e   2 0 2 4 - 01 - 2 6 /   1 7 . 0 0   L T   S o k o ,   T u b a n ,   E a st   Ja v a   ( 7 . 0 9 4 1 2 3 7 5   S , 1 1 1 . 9 3 2 2 6 5 4 4   E)   D o z e n o f   h o u s e d a m a g e d ,   o n e   i n j u r y   2 0 2 4 - 02 - 0 4 /   1 6 . 0 0   L T   Ta r i k ,   S i d o a r j o ,   E a st   Ja v a   ( 7 . 4 4 8 3 7 7 7 7   S , 1 1 2 . 5 1 7 8 3 6 1 1   E)   2 0 0   h o u s e d a m a g e d ,   o n e   f a t a l i t y ,   t w o   i n j u r i e s           ( a)   ( b )     Fig u r 1 .   C o v e r ag an al y s is   o f   th Su r ab ay a   wea th er   r a d ar ; ( a)   b ea m   s p r ea d in g   f o r   o n v o l u m s ca n   an d     ( b )   b ea m   b lo c k in g   a n aly s is   f o r   th th r ee   lo west e lev atio n s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           C h a llen g es in   r a d a r - b a s ed   n o n - s u p ercell  to r n a d o   d etec tio n   u s in g   ma ch in le a r n in g   a p p r o a ch es ( K iki)   165   2 . 2 .     M et ho ds   2 . 2 . 1 .   Ra da da t a   ex t r a ct io a nd   prepro ce s s ing   T h in itial  p h ase  o f   th m eth o d o lo g y   in v o l v es  p r ep ar in g   th r aw  r ad ar   o b s er v atio n s   f o r   co m p u tatio n al  an aly s is .   R ad ar   d ata  wer s to r ed   in   R ain b o w - 5   f o r m at  ( “. v o l”) .   Vo lu m s ca n s   at  ea ch   el ev atio n   an g le  wer e   p r o ce s s ed   to   ex t r ac t r ef lectiv it y ,   r ad ial  v elo city ,   a n d   s p ec tr u m   wid th .   E x t r ac ted   r a d ar   d ata  wer o r g a n ized   in to   p o lar   c o o r d i n ates  o f   az im u th   an g les  an d   r an g b i n s .   Su b s eq u en tly ,   m is s in g   o r   er r o n eo u s   d ata  wer id e n tifie d   an d   r em o v ed   u s in g   n u m er ical  m ask in g   p r o ce d u r es  to   en s u r e   d ata  q u ality   f o r   s u b s eq u en a n aly s is .   T h W r ad lib   p y th o n   lib r ar y   is   d o m in a n tly   u s ed   in   th is   s tu d y   to   ex t r ac t r ad ar   d ata  [ 1 8 ] .     2 . 2 . 2 .   F ea t ure  e x t ra ct i o n v ia   t he  s lid i ng   wind o t ec hn i qu e   Fo llo win g   d ata  clea n in g ,   s p atial  f ea tu r es  wer d er iv ed   t o   ca p tu r th m icr o - s ca le  s tr u ctu r o f   co n v ec tiv e   s to r m s .   R ad ar - d er i v ed   f ea tu r es  wer e   co m p u ted   u s in g   s lid in g   win d o a p p r o ac h ,   f o llo win g   s im ilar   m eth o d o l o g ies  in   p r ev io u s   s tu d ies  [ 1 2 ] .   E ac h   r a d ar   s ca n   was  d iv id ed   in to   o v e r lap p in g   4 ×4   p ix el  s p atial  b lo ck s   ( ~2   k m ea ch ,   b ased   o n   2 5 0   m eter   r eso lu tio n ) .   W ith in   ea c h   b lo c k ,   we  e x tr ac ted   r e f lectiv ity   f ea tu r es  ( m ea n ,   m ax im u m ,   m in im u m )   to   ch a r ac ter ize  p r ec ip itatio n   in ten s i ty   an d   h eter o g en eity ,   an d   r a d ial  v elo city - b ased   f ea tu r es  ( m ea n   v elo city ,   d elt a - V,   r o tatio n al  v elo city ,   a n g u lar   m o m en t u m )   to   ca p tu r e   k i n em atic  p r o p er ties .   Sh ea r   an d   v o r ticity   we r d er i v ed   f r o m   v elo city   g r a d ien ts   to   q u an tify   r o tatio n al   m o tio n ,   w h ile  m ea n   s p ec tr u m   wid th   ass ess ed   t u r b u len ce   in te n s ity .   T o   en h an ce   s en s itiv ity   to   s m al l - s c a l e   v o r t i ce s ,   a   c e n t r al   2 × 2   p i x e l   s u b - b l o c k   w i t h i n   e a c h   4 × 4   b l o c k   w a s   a n a l y z e d   s e p a r a t el y ,   a d o p t e d   f o l l o w i n g   t h e   m e t h o d o l o g y   p r o p o s e d   b y   [ 1 3 ] ,   w h i c h   d e m o n s t r a t e d   t h a t   t h i s   s p a t i al   e x t e n t   e f f e c t i v el y   c a p t u r e s   c o n v e c t i v e   s t o r m   m o r p h o l o g y   w h i l e   p r e s e r v i n g   t h e   r e s o l u ti o n   o f   f i n e - s c a l e   v o r t e x   s i g n a t u r es .   L o c a l i z e d   f e at u r e s   m a x i m u m   r e f l e c t i v it y   ( c 4 _ z _ m a x ) ,   m a x i m u m   r a d i a l   v e l o c i ty   ( c 4 _ v _ m a x ) ,   m e a n   s p e c t r u m   w i d t h   ( c 4 _ w _ a v g ) ,   an d   c e n t r a l   v o r ti c i t y   ( c 4 _ v o r t i c i ty ) w e r e   e x t r a c t e d   t o   f o c u s   o n   f i n e - s c a le   r o t at i o n a s i g n a t u r es   a s s o c i a te d   w i t h   t o r n a d o e s .   T h e   s l i d i n g   w i n d o w   o p er a t e d   w i t h   s t r i d e   =   1 ,   e n s u r i n g   d e n s e   s a m p l i n g   a n d   m a x i m i z i n g   d e t e ct i o n   p r o b a b i li t y   o f   l o c a l iz e d   v o r t e x   s t r u ct u r e s .   Fi g u r e   2 ( a )   i l l u s t r a t es   t h e   b l o c k   o r g a n i z a t i o n ,   w h i l e   Fi g u r e   2 ( b )   d e m o n s t r a t es  t h e   s eq u en tial o v er lap p in g   m o v em en t a cr o s s   th r ad ar   f ield .           ( a)   ( b )     Fig u r 2 .   Featu r e   ex tr ac tio n   v i s lid in g   win d o s ch em e:  ( a )   4 ×4   s lid in g   win d o an d   2 ×2   c en ter   b lo ck   f r o m   r ad ar   d ata  a n d   ( b )   illu s tr atio n   o f   o v e r lap p in g   s lid in g   win d o m o v em en t w ith   s tr id =   1   p ix el  ac r o s s   th r ad ar   s ca n       2 . 2 . 3 .   L a belin g   a nd   s pa t ia l r ef er encing   T o   en a b le  s u p er v is ed   lear n in g ,   th e   ex tr ac ted   f ea tu r es  r eq u ir ed   p r ec is g eo s p atial  alig n m en with   h is to r ical  g r o u n d   tr u th   r ec o r d s .   R ad ar   b lo ck s   wer g eo s p atially   r ef er en ce d   b y   co n v er tin g   r ad ar   p o lar   co o r d in ates  ( r an g e   an d   az im u t h )   in to   g eo g r ap h ic   latitu d a n d   lo n g itu d co o r d in ates.  r a d iu s - b ased   lab elin g   ap p r o ac h   was  im p lem en ted ,   wh er b lo ck s   with in   7 . 5   k m   r ad iu s   f r o m   th d o cu m en ted   to r n ad o   ce n te r   wer lab eled   as  p o s itiv ( lab el  1 ) .   I n   co n tr ast,  b lo ck s   o u ts id th is   r ad iu s   wer lab eled   n e g ati v ( lab el  0 ) .   T h e   to r n ad o   ce n ter   was  d eter m in e d   f r o m   B MK g r o u n d - tr u th   r ep o r ts .   T h is   ap p r o ac h   en s u r e d   co n s is ten s p atia l   lab elin g   o f   to r n ad o   an d   n o n - to r n ad o   b lo ck s   w h ile  r ed u cin g   u n ce r tain ties   f r o m   r ad a r   co v er a g lim itatio n s .   T h e   7 . 5   k m   r ad i u s   was se lecte d   b ased   o n   p r elim in ar y   s en s itiv ity   an aly s is .   W ev alu ated   lab el in g   r ad ii o f   2 . 5   k m ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,   Vo l.  2 4 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 6 : 1 62 - 1 74   166   5 . 0   k m ,   7 . 5   k m ,   an d   1 0 . 0   k m   r elativ to   th r ep o r ted   to r n ad o   ce n ter .   T h e   7 . 5   k m   th r esh o ld   y ield ed   th h ig h est  p r o b a b ilit y   o f   d etec tio n   ( POD)   in   o u r   v alid atio n   s et,   o f f er in g   th o p tim al  b alan ce   b etwe e n   en co m p ass in g   th e   to r n ad o s   p ar en t   cir cu latio n   a n d   m in im izin g   th in clu s io n   o f   n o n - r o tatio n al  s to r m   ar ea s .   Fig u r 3   illu s tr ates  th s p atial  d is tr ib u tio n   o f   p o s itiv an d   n e g ativ r ad a r   b lo c k s   r elativ to   th to r n ad o   ce n ter .           Fig u r 3 .   Sp atial  d is tr ib u tio n   o f   r ad ar   b lo ck s   af ter   lab elin g ,   r ed   cr o s s es r ep r esen t b lo c k s   lab eled   as to r n a d o   ( 1 ) ,   g r ay   p o in ts   r ep r esen n o n - to r n ad o   b lo ck s   ( 0 ) ,   a n d   th e   b lu cir cle  m ar k s   th d o cu m e n ted   to r n ad o   ce n ter       2 . 2 . 4 .   M a chine le a rning   a lg o rit hm   a nd   ba la ncing   t ec hn iq ues   Hav in g   estab lis h ed   lab eled   d ataset,   th s tu d y   p r o ce e d e d   to   im p lem en an d   ev alu ate   s p ec if ic   class if icatio n   alg o r ith m .   T h is   s tu d y   em p lo y ed   two   s u p er v is ed   m ac h in e   lear n in g   alg o r ith m s   to   class if y   r ad ar - d er iv ed   f ea tu r es  f o r   to r n a d o   d etec tio n R an d   XGBo o s t.  T h R alg o r ith m   is   an   en s em b le  lear n in g   m eth o d   b ased   o n   ag g r e g atin g   m u ltip le   d ec is io n   tr ee s   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   E ac h   tr ee   is   tr ain ed   o n   r an d o m   b o o ts tr ap   s am p le  o f   th tr ain in g   d ata,   an d   at  ea ch   s p lit,  r an d o m   s u b s et  o f   f ea tu r es  is   co n s id er ed .   T h f in al  p r e d ictio n   is   o b tain ed   b y   m aj o r ity   v o tin g   am o n g   th e   o u tp u ts   o f   in d iv i d u al  tr ee s .   Ma th em atica lly ,   th R class i f ier   ca n   b e x p r ess ed   as in   ( 1 ) .     ̂ =  ( 1 ( ) , 2 ( ) , . , ( ) )   ( 1 )     wh er ( )   d en o tes  th p r ed ictio n   o f   th t - th   d ec is io n   tr ee   f o r   in p u f ea tu r v ec to r   ,   an d     is   th to tal  n u m b er   o f   tr ee s .   XGBo o s [ 2 1 ]   is   s c alab le  an d   ef f icien im p lem en t atio n   o f   g r ad ie n t - b o o s ted   d ec is io n   tr ee s   ( GB DT ) .   XGBo o s b u ild s   ad d itiv m o d els  in   f o r war d   s tag e - wis f ash io n ,   wh e r n ew  tr ee s   a r f itted   to   co r r ec th e   r esid u al  er r o r s   o f   p r i o r   tr e es.  T h o b jectiv e   f u n ctio n     m in im iz ed   d u r in g   tr ain in g   co n s is ts   o f   a   r eg u la r ized   lo s s ,   ex p r ess ed   as in   ( 2 ) .     = ( , ̂ ) = 1 + Ω ( ) = 1   ( 2 )     wh er l ( y i , y ̂ i )   d en o tes  th lo s s   f u n ctio n   ( e. g . ,   lo g is tic  lo s s   f o r   b in a r y   class if icatio n )   b etwe en   th tr u lab el  y   an d   th p r ed icted   lab el  y ̂ i f k   is   th k - th   tr ee ,   a n d   Ω( f )   r e p r esen ts   r eg u lar izatio n   ter m   p e n alizin g   th co m p lex ity   o f   ea ch   tr ee   to   a v o i d   o v er f itti n g .   B o th   R an d   XG B o o s wer tr ain ed   u s in g   th e   r a d ar - d er i v ed   f ea tu r e   s et  d escr ib ed   p r e v io u s ly .   H y p er p ar am eter s   wer s elec ted   e m p ir ically   b ased   o n   p r elim in a r y   ex p er im en ts f o r   R F,  th n u m b er   o f   tr ee s   was  s e to   1 0 0 ;   f o r   XGBo o s t,  th e   n u m b er   o f   esti m ato r s   was  s et  to   2 0 0 0   with   a   lear n i n g   r ate  o f   0 . 0 1 ,   m ax im u m   tr ee   d e p th   o f   5 ,   an d   co l u m n   s u b s am p lin g   r atio   o f   0 . 1 .   Du to   th s ev er im b alan ce   b etwe en   p o s itiv ( to r n ad o )   an d   n eg ativ s am p les,  s y n th eti m in o r ity   o v er s am p lin g   tec h n iq u ( SMOT E )   [ 2 2 ]   was  ap p lied   p r io r   to   m o d el  tr ain in g .   SMOT E   g en er ates  s y n th etic  ex am p les  o f   th m in o r ity   class   b y   in ter p o latin g   b etwe en   e x is tin g   m in o r ity   class   s am p les  an d   th eir   n ea r est  n eig h b o r s .   Giv en   m in o r ity   s am p le  x   an d   o n o f   its   n ea r est  n eig h b o r s   x nn ,   s y n th etic  s am p le  x new   is   g en er ated   as  in   ( 3 ) .   T h in itial  d ataset  e x h ib ited   s ev er class   im b ala n ce   in h er en to   th r ar n atu r e   o f   to r n ad o   e v en ts .   T h r ad ar   d o m ai n   was  g r id d e d   in to   1 0 0 0 × 1 0 0 0   m atr ix ,   y i eld in g   to tal  o f   1 , 0 0 0 , 0 0 0   p o ten tial  s am p les  p er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           C h a llen g es in   r a d a r - b a s ed   n o n - s u p ercell  to r n a d o   d etec tio n   u s in g   ma ch in le a r n in g   a p p r o a ch es ( K iki)   167   s ca n .   B ased   o n   th 7 . 5   k m   r ad iu s   lab elin g   cr iter ia,   t h m in o r ity   class   ( p o s itiv e/to r n ad o )   c o m p r is ed   ap p r o x im ately   2 , 8 0 0   s am p les,   wh er ea s   th m ajo r ity   class   ( n eg ativ e/n o n - t o r n a d o )   ac c o u n te d   f o r   th r em ain in g   ~9 9 7 , 0 0 0   s am p les.  SMOT E   g en er ated   s y n th etic  m in o r ity   s am p les  to   ac h iev p ar ity   with   th m ajo r ity   class .   C o n s eq u en tly ,   th p o s t - b alan ci n g   d ataset  co n s is ted   o f   a p p r o x i m ately   9 9 7 , 0 0 0   p o s itiv s am p l es  ( co m b in in g   r ea an d   s y n th etic  in s tan ce s )   an d   9 9 7 , 0 0 0   n e g ativ s am p les,  r esu ltin g   in   to tal  tr ain in g   d ataset   o f   ap p r o x im ately   2 , 0 0 0 , 0 0 0   s am p les.  SMOT E   i m p r o v es  ac cu r ac y   in   u n b alan ce d   d atasets   b y   g en er atin g   s y n th etic  s am p les  th at  m ain tain   th s am s tatis tical  d is tr ib u tio n   as th to r n a d o   d ata  [ 2 3 ] .     = + (  )     ( 3 )     wh er   is   r an d o m   n u m b er   in   [ 0 , 1 ] .   T h is   b alan cin g   p r o ce d u r was  ap p lied   o n ly   to   th tr ain in g   s et  to   av o i d   in f o r m atio n   leak ag i n to   th te s t set.     2 . 2 . 5 .   M o del t ra ini ng   a nd   v a lid a t io n   T h co m p iled   d ataset  was d iv id ed   in to   tr ain in g   an d   test in g   s u b s ets u s in g   7 0 - 3 0 % sp lit,  s t r atif ied   b y   class   lab els  to   en s u r e   p r o p o r ti o n al  r e p r esen tatio n   o f   b o t h   to r n ad o   an d   n o n - t o r n ad o   s am p l es.  B ef o r tr ain i n g ,   f ea tu r s ca lin g   was  p er f o r m ed   u s in g   th Stan d ar d Scaler   to   n o r m alize   f ea tu r d is tr ib u tio n s ,   th er eb y   im p r o v in g   th co n v e r g en ce   b eh a v io r   a n d   s tab ilit y   o f   th m ac h in lear n in g   alg o r ith m s .   T h e   RF   a n d   XG B o o s m o d els  wer e   tr ain ed   a n d   v alid ated   o n   th is   b alan ce d   a n d   s ca led   d ataset.   T ab le  2   s u m m ar izes  t h f ea t u r es  ex tr ac ted   f o r   th is   an aly s is .   Mo d el  p er f o r m an ce   was  q u an t itativ ely   ass es s ed   u s in g   m u ltip le  ev alu atio n   m etr ics.  T h e   ar ea   u n d er   th cu r v ( AUC)  [ 2 4 ]   a n d   t h r ec e iv er   o p er atin g   ch ar ac te r is tic  ( R OC )   [ 2 5 ]   cu r v e   was  u s ed   to   m ea s u r th e   m o d el s   ab ilit y   to   d is cr im in ate   b etwe e n   p o s itiv a n d   n eg ativ class es .   T h POD,   e q u iv alen t   to   r ec al l,  was c alcu lated   to   q u an tify   th p r o p o r tio n   o f   co r r ec tly   id e n tifie d   to r n ad o   ev e n ts .   I n   a d d itio n ,   th e   f alse  alar m   r ate  ( FAR )   was   ev alu ated   to   in d icate   th f r eq u en cy   o f   in co r r ec p o s itiv p r ed ictio n s .   T h F1 - s co r was  co m p u ted   as  h ar m o n ic   m ea n   b etwe en   p r ec is io n   an d   r ec all,   p r o v id in g   b alan ce d   m ea s u r o f   class if icatio n   p er f o r m an ce .   L astl y ,   co n f u s io n   m atr ix   was  an aly ze d   to   o f f er   a   co m p r eh en s iv v i ew  o f   tr u e   p o s itiv e,   tr u n eg a tiv e,   f alse  p o s itiv e,   an d   f alse  n eg at iv r ates.  T o   r ig o r o u s ly   ass es s   th g en er aliza tio n   ca p ab ilit y   o f   th m o d els,  leav e - one - ca s e - o u ( L OC O)   ev alu atio n   was  co n d u cted ,   wh er th m o d el  was  tr ain ed   o n   all  b u o n ca s an d   test ed   o n   th r em ain i n g   u n s ee n   ev en t.   T h is   ap p r o ac h   en ab led   th e   ev alu atio n   o f   m o d el  r o b u s tn ess   ac r o s s   d if f er en to r n a d o   ca s es,   em p h asizin g   th ch allen g es  o f   g en er alizin g   m ac h in lear n i n g   m o d els  f o r   s m all - s ca le  tr o p ical  v o r tices  with   h ig h ly   lo ca lized   ch ar ac ter is tics .       T ab le  2 .   Featu r es e x tr ac te d   in   th s tu d y   F e a t u r e s   D e f i n i t i o n   P h y s i c a l   i n t e r p r e t a t i o n   R e f l e c t i v i t y   Z_ ma x _ 1 ,   Z _ m a x _ 2 ,   Z_ m a x _ 3 ,   Z_ a v g _ 1 ,   Z_ a v g _ 2 ,   Z _ a v g _ 3 ,   Z_ m i n _ 1 ,   Z_ mi n _ 2 ,   Z_ m i n _ 3 ,   c 4 _ z _ m a x _ 1 ,   c 4 _ z _ m a x _ 2 ,   c 4 _ z _ ma x _ 3   R e f l e c t i v i t y   ( ma x / a v g / m i n )   f r o h o r i z o n t a l   p o l a r i z a t i o n   f r o m   t i l t   1 ,   2 ,   a n d   3 ;   c 4   i s   c e n t r a l - b l o c k   r e f l e c t i v i t y   o n   t h e   l o c a l i z e d   c o r e   o f   t h e   st o r m   V e l o c i t y   V _ a v g _ 1 ,   V _ a v g _ 2 ,   V _ a v g _ 3 ,   r o t a t i o n a l _ v e l o c i t y _ a v g _ 1 ,   r o t a t i o n a l _ v e l o c i t y _ a v g _ 2 ,   r o t a t i o n a l _ v e l o c i t y _ a v g _ 3 ,   r o t a t i o n a l _ v e l o c i t y _ m a x _ 1 ,   r o t a t i o n a l _ v e l o c i t y _ m a x _ 2 ,   r o t a t i o n a l _ v e l o c i t y _ m a x _ 3 ,   a n g u l a r _ m o me n t u m _ ma x _ 1 ,   a n g u l a r _ m o me n t u m _ ma x _ 2 ,   a n g u l a r _ m o me n t u m _ ma x _ 3 ,   a n g u l a r _ m o me n t u m _ a v g _ 1 ,   a n g u l a r _ m o me n t u m _ a v g _ 2 ,   a n g u l a r _ m o me n t u m _ a v g _ 3 ,   d e l t a _ V _ 1 ,   d e l t a _ V _ 2 ,   d e l t a _ V _ 3 ,   s h e a r _ mi n _ 1 ,   sh e a r _ m i n _ 2 ,   s h e a r _ m i n _ 3 ,   sh e a r _ ma x _ 1 ,   sh e a r _ m a x _ 2 ,   s h e a r _ m a x _ 3 ,   c 4 _ v o r t i c i t y _ 1 ,   c 4 _ v o r t i c i t y _ 2 ,   c 4 _ v o r t i c i t y _ 3   R a d i a l   v e l o c i t y   ( ma x / m i n / a v g )   f r o m   h o r i z o n t a l   p o l a r i z a t i o n   f r o m   t i l t   1 ,   2 ,   a n d   3 ;   r o t a t i o n a l   v e l o c i t y   r e p r e se n t s   t h e   ma g n i t u d e   o f   t h e   i n b o u n d   a n d   o u t b o u n d   w i n d   c o u p l e t ;   a n g u l a r   mo me n t u m   a n d   v o r t i c i t y   r e p r e s e n t t h e   r a d i u o f   a   r o t a t i n g   c o l u m n   c o n t r a c t s   ( st r e t c h i n g ) ,   w i n d   s p e e d s   i n c r e a se ;   d e l t a _ V   a n d   s h e a r   c a p t u r e   t h e   l a t e r a l   c h a n g e   i n   w i n d   s p e e d   o v e r   a   sh o r t   d i s t a n c e   S p e c t r a l   w i d t h   W _ a v g _ 1 ,   W _ a v g _ 2 ,   W _ a v g _ 3 ,   W _ max _ 1 ,   W _ ma x _ 2 ,   W _ ma x _ 3 ,   W _ mi n _ 1 ,   W _ mi n _ 2 ,   W _ mi n _ 3 ,   c 4 _ w _ a v g _ 1 ,   c 4 _ w _ a v g _ 2 ,   c 4 _ w _ a v g _ 3 ,   c 4 _ w _ m a x _ 1 ,   c 4 _ w _ m a x _ 2 ,   c 4 _ w _ ma x _ 3   S p e c t r a l   w i d t h   ( m a x ,   a v g ,   mi n )   f r o m   h o r i z o n t a l   p o l a r i z a t i o n   f r o m   t i l t   1 ,   2 ,   a n d   3 ;   c 4   i s   c e n t r a l - b l o c k   r e f l e c t i v i t y   o n   t h e   l o c a l i z e d   c o r e   o f   t h e   st o r m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,   Vo l.  2 4 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 6 : 1 62 - 1 74   168   I n   a d d itio n   to   t h L OC ev al u atio n ,   in f er en ce   was  also   p er f o r m ed   o n   an   in d ep e n d en t   to r n a d o   e v en th at  was  n o u s ed   d u r in g   m o d el  tr ain in g .   T h is   in f e r en ce   s tep   s er v ed   as  r ea l - wo r ld   v alid atio n   to   f u r th er   e x am in e   th m o d el’ s   o p er atio n al  ap p lic ab ilit y   an d   its   ab ilit y   to   p r e d ic t u n s ee n   ca s es b ased   s o lely   o n   th ex tr ac ted   r a d ar   f ea tu r es.  T h o v er all  wo r k f l o o f   th t o r n ad o   d etec tio n   s y s tem ,   en co m p ass in g   d ata  p r ep ar atio n ,   f ea tu r e   en g in ee r in g ,   an d   class if icatio n   s tag es p r esen ted   in   Fig u r 4 .           Fig u r 4 .   Flo wch ar o f   th e   p r o p o s ed   m eth o d o lo g y       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   3 . 1 .     Sp a t ia f ea t ure  dis t ributio n a nd   f ea t ure  im po rt a nce   E ac h   p a n el  in   Fig u r e s   5 ( a )   to   ( d )   d is p lay s   f o u r   s p atial  m a p s   o n   th e   lef t:  v o r ticity ,   d elta - v ,   an g u lar   m o m en tu m ,   an d   z _ m ax   r ef lec tiv ity ,   all  d e r iv ed   f r o m   th e   lo west  r ad ar   elev atio n   ( 0 . 5 °).   T h b lu e   d o in d icate s   th ce n ter   o f   th e   r ep o r ted   t o r n ad o .   R ig h t - s id e   b ar p lo ts   s h o th t o p   f iv e   m o s im p o r tan t   f e atu r es  ac co r d i n g   to   th R an d   XGB  m o d els.  f e atu r s elec tio n   p atter n s   g e n e r ally   em p h asize  z_ m ax   an d   r o tatio n al  f ea t u r es,  co n s is ten t w ith   s p atial  in ten s if icatio n   n ea r   th ev en t c e n ter .   T h an al y s is   o f   r ad ar - d er iv e d   f ea tu r es  r ev ea ls   th at  r e f lectiv ity   ( Z )   r e m ain s   th e   m o s r o b u s in d icato r   f o r   id e n tify in g   th e   co r e   o f   to r n ad o - p r o d u ci n g   s to r m s   in   tr o p ic al  s ettin g s .   As  v is u alize d   in   t h e   s p atial  d is tr ib u tio n   m ap s   Fig u r e s   5 ( a)   to   ( d ) ,   m ax i m u m   r ef lectiv ity   ( Z _ m ax )   c o n s is ten tly   ex h ib its   co n ce n tr ated   h ig h   v alu es  in   th e   im m ed iate  v icin ity   o f   t h r e p o r ted   to r n ad o   ce n ter s   ac r o s s   all  f o u r   ca s es.  T h is   alig n s   with   th p h y s ical  u n d er s tan d i n g   th at  s tr o n g   co n v ec tiv u p d r af ts ,   m a n if est ed   as  h ig h   r ef lectiv ity   co r es,  ar p r er e q u is ite  f o r   s u s tain in g   th ese  s to r m   s y s tem s .   I n   co n tr ast,  d y n am ic  f ea t u r es  s u ch   as  v o r ticity ,   d elta - V,   a n d   an g u lar   m o m en tu m   s h o s ig n if ican t   v ar iab ilit y   b etwe en   ev en ts .   W h ile  lo ca lized   clu s ter s   o f   h ig h   v o r ticity   wer d is tin ct  in   th ca s es  o f   J an u ar y   1   an d   J an u ar y   1 7 ,   th e   s ig n atu r es  we r m u c h   m o r e   d is p er s ed   o r   wea k er   in   th e   o th e r   two   ca s es.  T h is   in co n s is ten cy   h ig h lig h ts   th e   ch allen g e   o f   d etec tin g   n o n - s u p er ce ll  t o r n a d o es  co m p ar e d   to   s u p er ce ll  c o u n ter p a r ts ,   wh ich   ty p ically   p o s s ess   co h er en t a n d   p er s is ten t m eso cy clo n es.   T h f ea tu r im p o r ta n ce   ev alu a tio n   u s in g   R an d   XGB  f u r th e r   co r r o b o r ates  th ese  s p atial  o b s er v atio n s .   As  s h o wn   in   th b ar   ch ar ts   in   F ig u r e s   5 ( a)   to   ( d ) ,   b o th   m o d els  h ea v ily   p r io r itize  r ef lectiv ity - b ased   f ea tu r es  ( e. g . ,   Z _ m ax ,   Z _ av g )   as  th e   p r im ar y   p r e d icto r s .   Ho wev er ,   th m o d els  d iv er g in   t h eir   s ec o n d a r y   s elec tio n s XGB   ten d s   to   ass ig n   h ig h er   im p o r tan ce   to   r o tatio n al  v elo city   a n d   a n g u lar   m o m en tu m   d er iv e d   f r o m   h ig h er   elev atio n s ,   wh er ea s   R f o cu s es  m o r o n   n ea r - s u r f ac s tatis tics .   T h is   d iv er g en ce   s u g g ests   th at   wh ile  th er m o d y n am ic  in ten s ity   ( r ef lectiv ity )   is   u n iv er s al  p r ed icto r ,   th k i n em atic  ( r o tatio n al)   s ig n atu r es  o f   I n d o n esian   to r n ad o es  a r e   to o   v ar iab le  t o   b ca p tu r ed   u n i f o r m ly   b y   d i f f er en t a l g o r ith m s .     3 . 2 .     M o del per f o rma nce  a n d o pera t io na l t ra de - o f f s   T h q u an titativ ev al u atio n   f o cu s ed   o n   c o m p ar i n g   th p r e d ictiv p er f o r m a n ce   o f   r an d o m   f o r est   ( T DA - R F)  an d   XGBo o s ( T DA - XGB)  m o d els  ac r o s s   f o u r   t o r n ad o   ca s es,  u s in g   R OC   cu r v es  an d   s u ite  o f   ev alu atio n   m et r ics  in clu d in g   AUC,  F1 - s co r e,   POD,   FAR ,   an d   co n f u s io n   m atr ices  Fig u r es   6 ( a)   to   ( d ) .   Acr o s s   all  ca s es,  b o th   m o d els  ac h iev e d   co n s is ten tly   h i g h   AUC  v alu es  ab o v 0 . 9 4 ,   in d icatin g   e x ce llen d is cr im in atio n   ca p ab ilit y   b etwe en   to r n a d o   an d   n o n - to r n a d o   s am p les.  No tab ly ,   T DA - R ten d ed   to   y ield   h ig h er   F1 - s co r es  in   th r e o u o f   f o u r   ca s es,  s u g g esti n g   b etter   b alan ce   b etwe en   p r ec is io n   an d   r ec all.   Fo r   in s tan ce ,   in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           C h a llen g es in   r a d a r - b a s ed   n o n - s u p ercell  to r n a d o   d etec tio n   u s in g   ma ch in le a r n in g   a p p r o a ch es ( K iki)   169   SB Y_ 2 0 2 4 0 1 0 1 ,   T DA - R ac h iev ed   an   F1 - s co r e   o f   0 . 6 2 9   wi th   POD  o f   0 . 6 1 1   an d   FAR   o f   0 . 3 5 3 ,   co m p ar e d   to   T DA - XGB’s lo wer   F1 - s co r o f   0 . 5 9 5   d esp ite  h ig h er   PO o f   0 . 7 2 2 .   Ho wev er ,   ty p ical  p atter n   e m er g ed   wh er T DA - XGB  s h o wed   s u p er io r   POD,   ca p tu r i n g   m o r e   to r n ad o   ca s es  ( tr u e   p o s itiv es),   alb eit  at  h ig h e r   FAR .   Fo r   e x a m p le,   o n   2 0 2 4 - 01 - 1 7 ,   T DA - X GB   r ea ch ed   POD  o f   0 . 7 2 3   b u with   FAR   o f   0 . 6 4 7 ,   wh ile  T DA - R o f f er e d   m o r co n s e r v ativ p er f o r m a n c with   lo wer   FA R   o f   0 . 3 4 1   b u t a ls o   s lig h tly   lo we r   POD  ( 0 . 6 5 1 ) .   T h is   tr ad e - o f f   h ig h lig h ts   th cr itical  b alan ce   b etwe en   s en s itiv ity   an d   s p ec if icity   in   o p e r atio n al  ap p licatio n s .   I n ter esti n g ly ,   i n   2 0 2 4 - 02 - 0 4 ,   wh ic h   h ad   m u c h   lar g er   test   s a m p le  s ize,   b o th   m o d els  ac h iev ed   r elativ ely   b alan ce d   AUCs   ( 0 . 9 4 6   f o r   T DA - R an d   0 . 9 4 2   f o r   T DA - XGB).   Ho wev er ,   T DA - XGB’s  FA R   s o ar ed   to   0 . 6 9 3 ,   s ig n alin g   p o ten tial  o v e r - s en s itiv ity   wh en   e x p o s ed   to   lar g e   im b alan ce d   d atasets .               ( a)   ( b )           ( c)   ( d )           Fig u r 5 .   Sp atial  d is tr ib u tio n   o f   r ad ar - d er iv e d   f ea tu r es a n d   f e atu r im p o r tan ce   f o r   ea ch   t o r n ad o   ca s e:    ( a)   2 0 2 4 - 01 - 0 1 ,   ( b )   2 0 2 4 - 01 - 1 7 ,   ( c)   2 0 2 4 - 01 - 2 6 ,   an d   ( d )   2 0 2 4 - 02 - 02       T h ese  r esu lts   u n d e r s co r th e   ch allen g e   o f   ac h iev in g   g e n er aliza b le  p er f o r m a n ce   ac r o s s   h ig h ly   lo ca lized   an d   s m all - s ca le  to r n a d o   ev e n ts .   W h ile  en s em b le  m e th o d s   lik RF   o f f er   s tab ilit y ,   X GB o o s m ay   b etter   ca p tu r r ar ev e n ts ,   alb eit  with   h ig h er   r is k   o f   f alse  p o s itiv es.  T h v ar iab ilit y   in   p er f o r m a n c ac r o s s   ca s es  a ls o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l ,   Vo l.  2 4 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 6 : 1 62 - 1 74   170   s u p p o r ts   th n ee d   f o r   tailo r ed   m o d el  ca lib r atio n   an d   p o s s ib ly   s p atio tem p o r al  s tr atif icatio n   d u r in g   m o d el  tr ai n in g   an d   d e p lo y m e n t.   F r o m   a n   o p e r a t i o n a l   p e r s p e c t i v e ,   t h i s   t r a d e - o f f   d i c t a t e s   d i s t i n c t   d e p l o y m e n t   s t r a t e g i e s   d e p e n d i n g   o n   t h e   f o r e c a s t i n g   p h i l o s o p h y .   A   h i g h - s e n s i t i v i t y   m o d e l   l i k e   T D A - X G B   a c t s   a s   a n   e f f e c t i v e   s a f e t y   n e t   o r   e a r l y   v i g i l a n c e   t o o l ,   e n s u r i n g   t h a t   f o r e c a s t e r s   a r e   a l e r t e d   t o   m o s t   p o t e n t i a l   t h r e a t s .   H o w e v e r ,   i t s   h i g h   F A R   i m p l i e s   t h a t   i t   c a n n o t   b u s e d   a s   a   f u l l y   a u t o m a t e d   w a r n i n g   t r i g g e r ,   a s   t h i s   w o u l d   l i k e l y   l e a d   t o   w a r n i n g   f a t i g u e   a m o n g   t h e   p u b l i c .   C o n v e r s e l y ,   t h e   m o r e   c o n s e r v a t i v e   T D A - R F ,   w i t h   i t s   l o w e r   F A R ,   i s   b e t t e r   s u i t e d   f o r   s c e n a r i o s   w h e r e   m a i n t a i n i n g   p u b l i c   t r u s t   a n d   r e d u c i n g   f a l s e   p o s i t i v e s   i s   p r i o r i t i z e d ,   t h o u g h   i t   c a r r i e s   t h e   r i s k   o f   m i s s i n g   w e a k e r   e v e n t s .           ( a)   ( b )           ( c)   ( d )     Fig u r 6 .   R OC   cu r v es a n d   ev a lu atio n   m etr ics f o r   r an d o m   f o r est ( T DA - R F)  an d   XGBo o s t ( T DA - XGB)  m o d els u s in g   th t o p   f ea tu r es o f   ea ch   ca s e:( a)   2 0 2 4 - 01 - 0 1 ,   ( b )   2 0 2 4 - 01 - 1 7 ,     ( c)   2 0 2 4 - 01 - 2 6 ,   an d   ( d )   2 0 2 4 - 02 - 02       C o m p ar ed   t o   s tu d ies  lik e   Z e n g   et   a l.   [2 6 ] ,   wh ic h   a p p lied   m ac h in e   lear n in g   to   d etec t   lar g e - s ca le  s u p er ce ll  to r n ad o es  u s in g   d u al - p o lar izatio n   r a d ar   an d   e n v ir o n m en tal  d ata,   o u r   m o d els  tr ain ed   s o lely   o n   s in g le - p o lar izatio n   r a d ar   f ea tu r es  d e m o n s tr ated   co m p ar ab le  AUC  b u g en er ally   l o wer   F1 - s co r es   an d   h ig h e r   FAR s .   T h is   d is cr ep an cy   ar is es  f r o m   th in h er e n tly   s m all  s ca le,   s h o r d u r atio n ,   an d   d is o r g an ize d   n atu r o f   to r n ad o   ev en ts   in   I n d o n esia,  wh ich   lack   th c o h er e n t r o tatio n al  s ig n a tu r es f o u n d   i n   tem p er ate  s u p e r ce lls .   Ad d itio n ally ,   lim ited   s am p le  s ize   an d   lab el  u n ce r tain ty   f r o m   f ield - b a s ed   r ep o r ts   p r esen r o b u s m o d el  lear n in g   an d   g en er aliza tio n   ch allen g es.   W h ile  RF   an d   XGBo o s s h o we d   p r o m is in g   r esu lts ,   p ar ticu la r ly   in   r ec all,   th eir   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA  T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           C h a llen g es in   r a d a r - b a s ed   n o n - s u p ercell  to r n a d o   d etec tio n   u s in g   ma ch in le a r n in g   a p p r o a ch es ( K iki)   171   p er f o r m an ce   v ar ied   s ig n if ica n tly   ac r o s s   ca s es,  r ef lectin g   t h d if f icu lty   o f   b u ild in g   u n iv er s al  d etec to r s   f o r   tr o p ical  to r n a d o es with o u b r o ad er   en v i r o n m e n tal  co n tex o r   h ig h - r eso lu tio n   m u lti - s o u r ce   d ata.   B o th   m o d els  ac h iev ed   h ig h   A UC   v alu es  ac r o s s   all  ca s es.  T DA - XGB  g en er ally   o f f er ed   a   h ig h er   POD   at  th ex p en s o f   an   in cr ea s e d   FAR ,   wh ile  T DA - R p r o v id ed   m o r b alan ce d   p e r f o r m a n ce .   T h ese  r esu lts   h ig h lig h th tr a d e - o f f   b etwe e n   s en s itiv ity   an d   s p ec if icity   wh e n   d etec tin g   s m all - s ca le,   n o n - s u p er ce ll  to r n ad o es  f r o m   r a d ar - d er iv ed   f ea tu r es.   T o   f u r th er   e v alu ate  th g en er aliza tio n   ab ilit y   o f   th m o d el s ,   L OC ev alu atio n   was  co n d u cted   i n   wh ich   ea ch   o f   th f o u r   ca s es wa s   h eld   o u t a s   th test   s et  wh ile  th r em ain in g   th r ee   wer u s ed   f o r   tr ain in g .   T h e   r esu lts   o f   th is   r ig o r o u s   ev alu atio n   ar p r esen t ed   in   Fig u r 7 .   L OC r esu lt s   r ev ea n o tab l d ec lin in   o v er all  d etec tio n   p er f o r m a n ce   co m p a r ed   to   th with in - ca s ev alu ati o n s .   W h ile  th ar ea   u n d e r   th R OC   cu r v ( AUC)  r em ain ed   r elativ el y   s tab le  ab o v 0 . 8 5   f o r   m o s ca s es  b o th   r an d o m   f o r est  ( T DA - R F)  an d   XG B o o s ( T DA - XGB)  s u f f er ed   s ig n if ican t d r o p s   in   F1 - s co r es  an d   POD.   T DA - XGB  g en er ally   ac h iev e d   h ig h e r   P OD  ac r o s s   all  ca s es,   in d icatin g   s tr o n g er   s en s itiv ity   to   to r n ad o   o cc u r r en ce s h o w ev er ,   th is   ca m at  th co s t   o f   s u b s tan tially   h ig h er   FAR ,   in   s o m ca s es   ex ce e d in g   7 0 %.  Fo r   in s tan ce ,   wh en   SB Y _ 2 0 2 4 0 1 1 7   was  u s ed   as  th u n s ee n   test   s et,   T DA - XGB  r ea ch ed   POD  o f   0 . 6 6 7   b u with   FAR   o f   0 . 7 2 3 ,   h ig h l ig h tin g   th e   ten d e n cy   o f   th e   m o d el  to   o v er - p r ed ict   p o s itiv es.  Me an wh ile,   T DA - R s h o wed   m o r co n s er v ativ b eh av io r ,   p r o d u c in g   lo wer   FAR   b u f ailin g   to   d etec s ig n if ican t p o r tio n   o f   to r n a d o   in s tan ce s .   T h ese  f in d in g s   h av s ig n if ica n im p licatio n s   f o r   o p er atio n a im p lem en tatio n   in   tr o p ical  r eg io n s   lik e   I n d o n esia.  T h e   cu r r en p er f o r m an ce   lev els  s u g g est  th at   th ese  m ac h in e   lear n i n g   ( ML )   m o d els  ar b est  u tili ze d   as  d ec is io n - s u p p o r to o ls   r at h er   th an   s tan d alo n a u to m ated   war n in g   s y s tem s .   Giv en   th s h o r lead   tim es  o f   to r n ad o   e v en ts ,   th m o d el  o u t p u ts   ca n   s er v as  “f ir s t - g u ess ”  g u id an ce   f ield ,   d r awin g   th f o r ec aster s   atten tio n   to   s p ec if ic  s to r m   ce lls   th at  ex h ib it  m icr o - s ca le  r o tatio n al  c h ar ac ter is tics   o f ten   i n v is ib le  t o   th n a k ed   e y o n   s tan d ar d   r a d ar   d is p lay s .   B y   in t eg r atin g   t h ML   p r o b ab ilit y   m ap s   with   en v i r o n m e n tal  an aly s is ,   f o r ec aster s   ca n   f ilter   o u th e   f alse  alar m s   g e n er ated   b y   T DA - XGB,  ef f ec t iv ely   co m b i n in g   h u m a n   ex p e r tis with   m ac h in s en s itiv ity .           Fig u r 7 .   Mo d el  p er f o r m a n ce   u s in g   L OC ev alu atio n   f o r   b o th   T DA - R F a n d   T DA - XGB       T h ese  r esu lts   d em o n s tr ate  th e   co m p le x ity   o f   g en er alizin g   r ad ar - b ased   m ac h in e   lear n i n g   m o d els  to   d etec h ig h ly   lo ca lized   an d   s h o r t - liv ed   tr o p ical  v o r tex   p h e n o m en a.   Un lik s ig n if ican t   s u p er ce ll  to r n ad o es,   wh ich   ten d   to   e x h ib it  co n s is t en s p atial  an d   s tr u ctu r al  r a d ar   p atter n s ,   to r n ad o es  in   I n d o n esia  s h o ca s e - d ep en d e n v a r iab ilit y   in   b o th   s tr u ctu r a n d   r ad ar   s ig n atu r e,   lim itin g   cr o s s - ca s m o d el  p er f o r m an ce .   T h L OC O   ev alu atio n   h ig h lig h ts   th n ee d   f o r   f u tu r r esear ch   o n   in co r p o r atin g   d o m ain   ad a p tatio n ,   tem p o r al   en s em b le   m eth o d s ,   o r   ad d itio n al  atm o s p h er ic  p r e d icto r s   to   b o o s t g en er aliza tio n   ac r o s s   o p er atio n ally   d iv er s co n d itio n s .   T h L OC ev alu atio n   r esu lt s   f u r th er   h i g h lig h th c h allen g es  in   b u ild in g   g e n er aliza b l m ac h in lear n in g   m o d els  f o r   to r n ad o e s   in   tr o p ical  e n v ir o n m en ts   li k I n d o n esia.  Un lik e   th wit h in - ca s ev alu atio n ,   wh er th e   m o d els  p er f o r m e d   well  o n   d ata  d r awn   f r o m   th e   s am ev en t,   L OC r esu lts   r e v ea led   p e r f o r m an ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.