四川三維閃電傳輸處理流程探析

馬艷軍，劉一謙，陳琦，李濤

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

0 引言

雷電是一種特殊的天氣現(xiàn)象，雷擊過程產(chǎn)生的高電壓、大電流和強電磁輻射常常造成嚴重的災(zāi)害和經(jīng)濟損失，隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(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)害越來越嚴重，造成的影響也越來越大，幾乎涉及到所有的行業(yè)。如電力、建筑、航天航空、國防、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、電子工業(yè)、石油化工、金融證券等，社會對雷電的監(jiān)測和防護提出了更高的需求[1]。

閃電的發(fā)生與強對流云的發(fā)展密切聯(lián)系，云內(nèi)的第一個閃電幾乎總是云閃，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很重要，而且云閃信息也更具有強對流發(fā)展的預(yù)警指示意義。

通過對三維閃電定位資料的收集分析,可以進一步掌握雷電的活動規(guī)律,增強對雷暴云內(nèi)物理過程的認識,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云地閃，正地閃指把云中正電荷轉(zhuǎn)移到地球的閃電；負地閃指把云中負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，但是強度大，危害也大。

負地閃回擊的峰值電流強度一般為幾萬安培，中和電荷量為幾庫倫到幾十庫倫；而正地閃回擊電流強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)代雷電放電過程觀測研究表明：不僅云地閃回擊過程輻射VLF/LF脈沖信號，云閃正負電荷中和過程（也叫云閃回擊）也產(chǎn)生較強的VLF/LF脈沖。通過接收閃電回擊（包括云閃、云地閃）輻射的VLF/LF脈沖信號，采用TOA定位方法，研發(fā)對閃電VLF/LF輻射源的時間、位置、高度、強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)測定位系統(tǒng)向三維閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)升級的最佳途徑[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個探測站數(shù)據(jù)外，還接收其他周邊省份的7個三維探測站數(shù)據(jù)。根據(jù)氣象觀測的發(fā)展需要，新的三維探測站在陸續(xù)建設(shè)。

VLF/LF三維全閃電監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)量大于4的探測儀、基線距離大于70km探測網(wǎng)組成，探測數(shù)據(jù)實時上傳至中心處理端，三維位置解算軟件根據(jù)接收到的多站點探測數(shù)據(jù)，進行相關(guān)性分析并計算出閃擊位置，完成三維位置解算，并將結(jié)果通過網(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)測及運行控制管理單元負責對整個探測網(wǎng)運行監(jiān)控、探測數(shù)據(jù)和定位結(jié)果都存儲在中心站數(shù)據(jù)庫中。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)存儲中心和數(shù)據(jù)服務(wù)中心。它實時接收全省各地的探測儀實時發(fā)送來的雷電探測數(shù)據(jù)，實時對這些數(shù)據(jù)進行三維定位處理和存儲，并根據(jù)需要將這些三維定位結(jié)果發(fā)送給各個數(shù)據(jù)用戶。

3.1 系統(tǒng)運行模式

在實時運行模式下，數(shù)據(jù)接收與處理軟件部件通過公共廣域網(wǎng)實時接收全省各地的探測儀發(fā)送來的回擊數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)分類、存儲，將狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到探測儀監(jiān)視軟件部件，將回擊數(shù)據(jù)進行定位處理，將自身的運行狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)接收的統(tǒng)計信息發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)視軟件部件顯示。

數(shù)據(jù)處理軟件對回擊數(shù)據(jù)實時排序；定時掃描排序后的數(shù)據(jù)，將同一雷電的回擊數(shù)據(jù)提取，將過時的數(shù)據(jù)丟棄；對獲取的同一雷電的數(shù)據(jù)進行定位計算，得到三維定位結(jié)果，將三維定位發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲軟件部件，將自身的運行狀態(tài)信息、三維定位結(jié)果統(tǒng)計信息發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)視軟件部件顯示。

數(shù)據(jù)存儲軟件部件接收到回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和三維定位結(jié)果后，將回擊數(shù)據(jù)和三維定位結(jié)果信息存儲到數(shù)據(jù)庫，根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷探測儀狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中探測儀當前狀態(tài)確定探測儀狀態(tài)是否改變，如果改變則將該狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄入庫，如果沒有改變，則該狀態(tài)數(shù)據(jù)不記錄入數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)存儲軟件部件將定位結(jié)果統(tǒng)計信息發(fā)送給探測儀控制與系統(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)中各種軟件運行狀態(tài)信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)、各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息，分類將軟件運行狀態(tài)、探測儀運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息顯示；獲取并顯示相應(yīng)計算機的資源信息。

運行模式如圖2所示：

圖2 實時運行模式

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儀以UDP方式發(fā)送來的回擊數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和檢測信息，對接收到的數(shù)據(jù)按天分類存儲，形成回擊數(shù)據(jù)文件和狀態(tài)數(shù)據(jù)文件；將回擊數(shù)據(jù)進行排序、提取同一雷電的數(shù)據(jù)、定位計算，得到三維定位結(jié)果，并將三維定位結(jié)果存儲形成三維定位結(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)存儲功能；將回擊數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息、運行狀態(tài)發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)視功能[5]。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：接收從探測儀通過Internet發(fā)送來回擊數(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；同時接收各軟件模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的其他軟件部件。

數(shù)據(jù)存儲模塊：將回擊數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)分別按天存儲為文件，存儲的文件為二進制格式。

回擊數(shù)據(jù)排序模塊：對接收到的回擊數(shù)據(jù)按照時間實時排序，形成排序后的回擊數(shù)據(jù)。

回擊數(shù)據(jù)處理模塊：在排序后的回擊數(shù)據(jù)中，按照定義的同一雷電回擊數(shù)據(jù)窗口，在排序后的回擊數(shù)據(jù)中查找同一雷電回擊數(shù)據(jù)，對獲取的同一雷電的回擊數(shù)據(jù)，進行三維定位計算。

定位結(jié)果確認模塊：對未經(jīng)過確認的三維定位結(jié)果進行可信性分析和確認，將經(jīng)過確認、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)送來的運行日志，將日志信息存儲形成日志文件。

數(shù)據(jù)處理主流程如下：

3.3 數(shù)據(jù)存儲

接收數(shù)據(jù)接收與處理軟件發(fā)送來的三維定位結(jié)果、回擊數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，及地理標簽處理過的定位結(jié)果，將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；讀取定位結(jié)果數(shù)據(jù)庫中的三維定位結(jié)果，發(fā)送給地理信息標注級數(shù)據(jù)廣播功能。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的規(guī)劃和設(shè)計在整個系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它不但起著存儲各種信息以供統(tǒng)計、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，數(shù)據(jù)庫表名為：THUNDER****，其中****為年信息，如2018年的數(shù)據(jù)庫表為：THUNDER2018。該數(shù)據(jù)庫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)庫表記錄各個探測儀的運行狀態(tài)的變化情況，數(shù)據(jù)庫表名為：STATUSDATA2018。該數(shù)據(jù)庫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)視是整個雷電顯示監(jiān)測和綜合分析系統(tǒng)的監(jiān)視中心。它接收數(shù)據(jù)接收與處理軟件通過網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議發(fā)送的探測站配置信息、雷電回擊數(shù)據(jù)、探測儀狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維定位結(jié)果數(shù)據(jù)等，對這些數(shù)據(jù)進行分類存儲后，以列表的形式進行顯示，同時根據(jù)探測儀狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷當前探測儀的狀態(tài)；系統(tǒng)監(jiān)視軟件還通過網(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)存儲軟件發(fā)送的回擊數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息、雷電三維定位結(jié)果統(tǒng)計信息，以及各軟件運行的相關(guān)狀態(tài)信息[6]。

4 結(jié)語

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，新增云閃探測功能，其定位精度和探測效率得到進一步提高，通過對三維雷電探測資料進行分析處理，將有效強化雷電預(yù)警服務(wù)的精細化程度和水平。