四川三维闪电传输处理流程探析

马艳军，刘一谦，陈琦，李涛

（1.四川省气象探测数据中心，成都 610071；2.78127部队，成都 610071）

0 引言

雷电是一种特殊的天气现象，雷击过程产生的高电压、大电流和强电磁辐射常常造成严重的灾害和经济损失，随着社会经济的迅猛发展和现代化水平的快速提高，特别是随着微电子器件的大量采用，雷击引起的灾害越来越严重，造成的影响也越来越大，几乎涉及到所有的行业。如电力、建筑、航天航空、国防、卫星通信、导航、电子工业、石油化工、金融证券等，社会对雷电的监测和防护提出了更高的需求[1]。

闪电的发生与强对流云的发展密切联系，云内的第一个闪电几乎总是云闪，有些雷暴云中的闪电可能全部为云闪，所以云闪的研究和探测很重要，而且云闪信息也更具有强对流发展的预警指示意义。

通过对三维闪电定位资料的收集分析,可以进一步掌握雷电的活动规律,增强对雷暴云内物理过程的认识,为防雷减灾及雷电研究提供参考。

1 闪电相关概述

闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象。

闪电通常分为云地闪和云闪两类，云地闪指打到地上的闪电，云地闪有正云地闪和负云地闪，正地闪指把云中正电荷转移到地球的闪电；负地闪指把云中负电荷中和到地球的闪电。一般正地闪发生比例低，仅占全部地闪的10%以下，但是强度大，危害也大。

负地闪回击的峰值电流强度一般为几万安培，中和电荷量为几库伦到几十库伦；而正地闪回击电流强度与中和电荷量要大几倍，甚至几十倍。

云闪即三维闪电指发生在云内或云间的闪电，也就是所有没有打到地上的闪电。平均而言，地闪只占全部闪电的1/3以下，而云闪占2/3以上。

现代雷电放电过程观测研究表明：不仅云地闪回击过程辐射VLF/LF脉冲信号，云闪正负电荷中和过程（也叫云闪回击）也产生较强的VLF/LF脉冲。通过接收闪电回击（包括云闪、云地闪）辐射的VLF/LF脉冲信号，采用TOA定位方法，研发对闪电VLF/LF辐射源的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的三维定位技术，是传统闪电监测定位系统向三维闪电监测定位系统升级的最佳途径[2]。

2 三维闪电处理整体架构

目前，四川省三维闪电数据处理中心除接收四川本省建设的8个探测站数据外，还接收其他周边省份的7个三维探测站数据。根据气象观测的发展需要，新的三维探测站在陆续建设。

VLF/LF三维全闪电监测系统由数量大于4的探测仪、基线距离大于70km探测网组成，探测数据实时上传至中心处理端，三维位置解算软件根据接收到的多站点探测数据，进行相关性分析并计算出闪击位置，完成三维位置解算，并将结果通过网络传送到图形显示系统与应用服务系统。中心站系统监测及运行控制管理单元负责对整个探测网运行监控、探测数据和定位结果都存储在中心站数据库中。系统总体架构图如图1所示。

图1 总架构图

3 三维闪电处理流程

四川省三维闪电数据处理中心站是三维雷电监测系统的重要组成部分，主要包括数据处理中心、数据存储中心和数据服务中心。它实时接收全省各地的探测仪实时发送来的雷电探测数据，实时对这些数据进行三维定位处理和存储，并根据需要将这些三维定位结果发送给各个数据用户。

3.1 系统运行模式

在实时运行模式下，数据接收与处理软件部件通过公共广域网实时接收全省各地的探测仪发送来的回击数据和状态数据，将接收到的数据分类、存储，将状态数据发送到探测仪监视软件部件，将回击数据进行定位处理，将自身的运行状态信息、数据接收的统计信息发送给系统监视软件部件显示。

数据处理软件对回击数据实时排序；定时扫描排序后的数据，将同一雷电的回击数据提取，将过时的数据丢弃；对获取的同一雷电的数据进行定位计算，得到三维定位结果，将三维定位发送到数据存储软件部件，将自身的运行状态信息、三维定位结果统计信息发送给系统监视软件部件显示。

数据存储软件部件接收到回击数据、状态数据和三维定位结果后，将回击数据和三维定位结果信息存储到数据库，根据状态数据判断探测仪状态，并根据数据库中探测仪当前状态确定探测仪状态是否改变，如果改变则将该状态数据记录入库，如果没有改变，则该状态数据不记录入数据库；数据存储软件部件将定位结果统计信息发送给探测仪控制与系统监视子系统显示。

系统监视子系统接收到系统中各种软件运行状态信息、状态数据、各种数据统计信息，分类将软件运行状态、探测仪运行状态、数据统计信息显示；获取并显示相应计算机的资源信息。

运行模式如图2所示：

图2 实时运行模式

3.2 数据接收与处理

数据接收与处理功能接收探测仪以UDP方式发送来的回击数据、状态数据和检测信息，对接收到的数据按天分类存储，形成回击数据文件和状态数据文件；将回击数据进行排序、提取同一雷电的数据、定位计算，得到三维定位结果，并将三维定位结果存储形成三维定位结果文件；将状态数据发送给系统监视功能和数据存储功能；将回击数据统计信息、状态数据统计信息、运行状态发送给系统监视功能[5]。

数据收发模块：接收从探测仪通过Internet发送来回击数据、状态数据，将接收到的数据转发给本软件部件内相应软件模块；同时接收各软件模块发送来的数据，并转发给相应的其他软件部件。

数据存储模块：将回击数据和状态数据分别按天存储为文件，存储的文件为二进制格式。

回击数据排序模块：对接收到的回击数据按照时间实时排序，形成排序后的回击数据。

回击数据处理模块：在排序后的回击数据中，按照定义的同一雷电回击数据窗口，在排序后的回击数据中查找同一雷电回击数据，对获取的同一雷电的回击数据，进行三维定位计算。

定位结果确认模块：对未经过确认的三维定位结果进行可信性分析和确认，将经过确认、可信的三维定位结果发送。

日志模块：接收数据收发子功能发送来的运行日志，将日志信息存储形成日志文件。

数据处理主流程如下：

3.3 数据存储

接收数据接收与处理软件发送来的三维定位结果、回击数据和状态数据，及地理标签处理过的定位结果，将这些数据存入数据库；读取定位结果数据库中的三维定位结果，发送给地理信息标注级数据广播功能。

3.4 数据库设计

数据库的规划和设计在整个系统中占有非常重要的地位，它不但起着存储各种信息以供统计、查询、分析使用等作用，而且还关系到不同查询信息之间的数据传递。

本系统的数据库包括定位结果表和状态数据表两类。

（1）定位结果表

定位结果表用于记录初始定位数据及定位数据，每年建一个，数据库表名为：THUNDER****，其中****为年信息，如2018年的数据库表为：THUNDER2018。该数据库表具体的字段定义和建立的脚本如下：

（2）状态数据表

状态数据库表记录各个探测仪的运行状态的变化情况，数据库表名为：STATUSDATA2018。该数据库表具体的字段定义和建立的脚本如下：

3.5 系统监视

系统监视是整个雷电显示监测和综合分析系统的监视中心。它接收数据接收与处理软件通过网络TCP协议发送的探测站配置信息、雷电回击数据、探测仪状态数据、三维定位结果数据等，对这些数据进行分类存储后，以列表的形式进行显示，同时根据探测仪状态数据判断当前探测仪的状态；系统监视软件还通过网络UDP组播协议接收数据接收与处理软件、数据存储软件发送的回击数据统计信息、状态数据统计信息、雷电三维定位结果统计信息，以及各软件运行的相关状态信息[6]。

4 结语

四川紧靠青藏高原，地形复杂，气候多变，闪电频发，三维闪电定位系统的建设适用于四川省复杂的地形条件和天气气候情况，新增云闪探测功能，其定位精度和探测效率得到进一步提高，通过对三维雷电探测资料进行分析处理，将有效强化雷电预警服务的精细化程度和水平。