馬艷軍，劉一謙，陳琦，李濤

（1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，成都 610071；2.78127部隊(duì)，成都 610071）

0 引言

雷電是一種特殊的天氣現(xiàn)象，雷擊過(guò)程產(chǎn)生的高電壓、大電流和強(qiáng)電磁輻射常常造成嚴(yán)重的災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代化水平的快速提高，特別是隨著微電子器件的大量采用，雷擊引起的災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重，造成的影響也越來(lái)越大，幾乎涉及到所有的行業(yè)。如電力、建筑、航天航空、國(guó)防、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、電子工業(yè)、石油化工、金融證券等，社會(huì)對(duì)雷電的監(jiān)測(cè)和防護(hù)提出了更高的需求[1]。

閃電的發(fā)生與強(qiáng)對(duì)流云的發(fā)展密切聯(lián)系，云內(nèi)的第一個(gè)閃電幾乎總是云閃，有些雷暴云中的閃電可能全部為云閃，所以云閃的研究和探測(cè)很重要，而且云閃信息也更具有強(qiáng)對(duì)流發(fā)展的預(yù)警指示意義。

通過(guò)對(duì)三維閃電定位資料的收集分析,可以進(jìn)一步掌握雷電的活動(dòng)規(guī)律,增強(qiáng)對(duì)雷暴云內(nèi)物理過(guò)程的認(rèn)識(shí),為防雷減災(zāi)及雷電研究提供參考。

1 閃電相關(guān)概述

閃電是云與云之間、云與地之間或者云體內(nèi)各部位之間的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象。

閃電通常分為云地閃和云閃兩類，云地閃指打到地上的閃電，云地閃有正云地閃和負(fù)云地閃，正地閃指把云中正電荷轉(zhuǎn)移到地球的閃電；負(fù)地閃指把云中負(fù)電荷中和到地球的閃電。一般正地閃發(fā)生比例低，僅占全部地閃的10%以下，但是強(qiáng)度大，危害也大。

負(fù)地閃回?fù)舻姆逯惦娏鲝?qiáng)度一般為幾萬(wàn)安培，中和電荷量為幾庫(kù)倫到幾十庫(kù)倫；而正地閃回?fù)綦娏鲝?qiáng)度與中和電荷量要大幾倍，甚至幾十倍。

云閃即三維閃電指發(fā)生在云內(nèi)或云間的閃電，也就是所有沒(méi)有打到地上的閃電。平均而言，地閃只占全部閃電的1/3以下，而云閃占2/3以上。

現(xiàn)代雷電放電過(guò)程觀測(cè)研究表明：不僅云地閃回?fù)暨^(guò)程輻射VLF/LF脈沖信號(hào)，云閃正負(fù)電荷中和過(guò)程（也叫云閃回?fù)簦┮伯a(chǎn)生較強(qiáng)的VLF/LF脈沖。通過(guò)接收閃電回?fù)簦òㄔ崎W、云地閃）輻射的VLF/LF脈沖信號(hào)，采用TOA定位方法，研發(fā)對(duì)閃電VLF/LF輻射源的時(shí)間、位置、高度、強(qiáng)度及極性等主要參數(shù)的三維定位技術(shù)，是傳統(tǒng)閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)向三維閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)升級(jí)的最佳途徑[2]。

2 三維閃電處理整體架構(gòu)

目前，四川省三維閃電數(shù)據(jù)處理中心除接收四川本省建設(shè)的8個(gè)探測(cè)站數(shù)據(jù)外，還接收其他周邊省份的7個(gè)三維探測(cè)站數(shù)據(jù)。根據(jù)氣象觀測(cè)的發(fā)展需要，新的三維探測(cè)站在陸續(xù)建設(shè)。

VLF/LF三維全閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)量大于4的探測(cè)儀、基線距離大于70km探測(cè)網(wǎng)組成，探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至中心處理端，三維位置解算軟件根據(jù)接收到的多站點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)性分析并計(jì)算出閃擊位置，完成三維位置解算，并將結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到圖形顯示系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。中心站系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行控制管理單元負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)探測(cè)網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控、探測(cè)數(shù)據(jù)和定位結(jié)果都存儲(chǔ)在中心站數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總架構(gòu)圖

3 三維閃電處理流程

四川省三維閃電數(shù)據(jù)處理中心站是三維雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心和數(shù)據(jù)服務(wù)中心。它實(shí)時(shí)接收全省各地的探測(cè)儀實(shí)時(shí)發(fā)送來(lái)的雷電探測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行三維定位處理和存儲(chǔ)，并根據(jù)需要將這些三維定位結(jié)果發(fā)送給各個(gè)數(shù)據(jù)用戶。

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行模式

在實(shí)時(shí)運(yùn)行模式下，數(shù)據(jù)接收與處理軟件部件通過(guò)公共廣域網(wǎng)實(shí)時(shí)接收全省各地的探測(cè)儀發(fā)送來(lái)的回?fù)魯?shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)分類、存儲(chǔ)，將狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到探測(cè)儀監(jiān)視軟件部件，將回?fù)魯?shù)據(jù)進(jìn)行定位處理，將自身的運(yùn)行狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)接收的統(tǒng)計(jì)信息發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)視軟件部件顯示。

數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)回?fù)魯?shù)據(jù)實(shí)時(shí)排序；定時(shí)掃描排序后的數(shù)據(jù)，將同一雷電的回?fù)魯?shù)據(jù)提取，將過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)丟棄；對(duì)獲取的同一雷電的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算，得到三維定位結(jié)果，將三維定位發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件部件，將自身的運(yùn)行狀態(tài)信息、三維定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)信息發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)視軟件部件顯示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件部件接收到回?fù)魯?shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和三維定位結(jié)果后，將回?fù)魯?shù)據(jù)和三維定位結(jié)果信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷探測(cè)儀狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中探測(cè)儀當(dāng)前狀態(tài)確定探測(cè)儀狀態(tài)是否改變，如果改變則將該狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄入庫(kù)，如果沒(méi)有改變，則該狀態(tài)數(shù)據(jù)不記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件部件將定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)信息發(fā)送給探測(cè)儀控制與系統(tǒng)監(jiān)視子系統(tǒng)顯示。

系統(tǒng)監(jiān)視子系統(tǒng)接收到系統(tǒng)中各種軟件運(yùn)行狀態(tài)信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息，分類將軟件運(yùn)行狀態(tài)、探測(cè)儀運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息顯示；獲取并顯示相應(yīng)計(jì)算機(jī)的資源信息。

運(yùn)行模式如圖2所示：

圖2 實(shí)時(shí)運(yùn)行模式

3.2 數(shù)據(jù)接收與處理

數(shù)據(jù)接收與處理功能接收探測(cè)儀以UDP方式發(fā)送來(lái)的回?fù)魯?shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和檢測(cè)信息，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按天分類存儲(chǔ)，形成回?fù)魯?shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件；將回?fù)魯?shù)據(jù)進(jìn)行排序、提取同一雷電的數(shù)據(jù)、定位計(jì)算，得到三維定位結(jié)果，并將三維定位結(jié)果存儲(chǔ)形成三維定位結(jié)果文件；將狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)視功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；將回?fù)魯?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息、運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)視功能[5]。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：接收從探測(cè)儀通過(guò)Internet發(fā)送來(lái)回?fù)魯?shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給本軟件部件內(nèi)相應(yīng)軟件模塊；同時(shí)接收各軟件模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的其他軟件部件。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：將回?fù)魯?shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)分別按天存儲(chǔ)為文件，存儲(chǔ)的文件為二進(jìn)制格式。

回?fù)魯?shù)據(jù)排序模塊：對(duì)接收到的回?fù)魯?shù)據(jù)按照時(shí)間實(shí)時(shí)排序，形成排序后的回?fù)魯?shù)據(jù)。

回?fù)魯?shù)據(jù)處理模塊：在排序后的回?fù)魯?shù)據(jù)中，按照定義的同一雷電回?fù)魯?shù)據(jù)窗口，在排序后的回?fù)魯?shù)據(jù)中查找同一雷電回?fù)魯?shù)據(jù)，對(duì)獲取的同一雷電的回?fù)魯?shù)據(jù)，進(jìn)行三維定位計(jì)算。

定位結(jié)果確認(rèn)模塊：對(duì)未經(jīng)過(guò)確認(rèn)的三維定位結(jié)果進(jìn)行可信性分析和確認(rèn)，將經(jīng)過(guò)確認(rèn)、可信的三維定位結(jié)果發(fā)送。

日志模塊：接收數(shù)據(jù)收發(fā)子功能發(fā)送來(lái)的運(yùn)行日志，將日志信息存儲(chǔ)形成日志文件。

數(shù)據(jù)處理主流程如下：

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

接收數(shù)據(jù)接收與處理軟件發(fā)送來(lái)的三維定位結(jié)果、回?fù)魯?shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，及地理標(biāo)簽處理過(guò)的定位結(jié)果，將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；讀取定位結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中的三維定位結(jié)果，發(fā)送給地理信息標(biāo)注級(jí)數(shù)據(jù)廣播功能。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它不但起著存儲(chǔ)各種信息以供統(tǒng)計(jì)、查詢、分析使用等作用，而且還關(guān)系到不同查詢信息之間的數(shù)據(jù)傳遞。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)包括定位結(jié)果表和狀態(tài)數(shù)據(jù)表兩類。

（1）定位結(jié)果表

定位結(jié)果表用于記錄初始定位數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)，每年建一個(gè)，數(shù)據(jù)庫(kù)表名為：THUNDER****，其中****為年信息，如2018年的數(shù)據(jù)庫(kù)表為：THUNDER2018。該數(shù)據(jù)庫(kù)表具體的字段定義和建立的腳本如下：

（2）狀態(tài)數(shù)據(jù)表

狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄各個(gè)探測(cè)儀的運(yùn)行狀態(tài)的變化情況，數(shù)據(jù)庫(kù)表名為：STATUSDATA2018。該數(shù)據(jù)庫(kù)表具體的字段定義和建立的腳本如下：

3.5 系統(tǒng)監(jiān)視

系統(tǒng)監(jiān)視是整個(gè)雷電顯示監(jiān)測(cè)和綜合分析系統(tǒng)的監(jiān)視中心。它接收數(shù)據(jù)接收與處理軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議發(fā)送的探測(cè)站配置信息、雷電回?fù)魯?shù)據(jù)、探測(cè)儀狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)等，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)后，以列表的形式進(jìn)行顯示，同時(shí)根據(jù)探測(cè)儀狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前探測(cè)儀的狀態(tài)；系統(tǒng)監(jiān)視軟件還通過(guò)網(wǎng)絡(luò)UDP組播協(xié)議接收數(shù)據(jù)接收與處理軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件發(fā)送的回?fù)魯?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息、雷電三維定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)信息，以及各軟件運(yùn)行的相關(guān)狀態(tài)信息[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

四川緊靠青藏高原，地形復(fù)雜，氣候多變，閃電頻發(fā)，三維閃電定位系統(tǒng)的建設(shè)適用于四川省復(fù)雜的地形條件和天氣氣候情況，新增云閃探測(cè)功能，其定位精度和探測(cè)效率得到進(jìn)一步提高，通過(guò)對(duì)三維雷電探測(cè)資料進(jìn)行分析處理，將有效強(qiáng)化雷電預(yù)警服務(wù)的精細(xì)化程度和水平。