雷电数据分析与应用是做好雷电研究和雷电灾害防御工作的基础。目前雷电资料主要有二维闪电资料和三维闪电资料，二维闪电是用经纬度来确定闪电的位置，三维闪电除了确定闪电的水平位置外，还有闪电的高度，通过闪电定位系统来监测云间闪和云地闪。为了研究闪电常常把与闪电相关的探测数据纳入雷电综合数据库中，主要有雷达、卫星、大气电场、雷暴日和雷击灾害等数据，由于这些数据存放在不同系统的数据库中，且没有进行质量控制，给雷电资料应用带来不便。因此，开发雷电资料分析处理系统，建立雷电综合数据库，对雷电资料进行分析、处理、统计和查询，绘制雷电时空分布图形，实现雷电资料的收集处理、质量控制、统计分析、检索显示等基本功能，为雷电监测预警服务提供技术支撑，提高雷击灾害调查鉴定业务的工作效率，促进雷击风险评估业务精细化[1]、针对性与实用性非常必要。许多学者开展闪电资料分析、处理和应用研究，余勇[2]等将地理信息系统与雷电预警技术结合，构件了雷电业务系统。余蓉[3]等将雷达资料、闪电资料、电场资料和地理信息资料结合，建立了油气库雷电预警服务系统。蒋晓初[4]等利用可视化语言和地理信息系统，设计了闪电监测预警系统。这些系统为雷电监测、预警、服务进行了较深入的研究，他们针对预警专项业务需要，对雷电资料各自进行了分析处理，已取得了较好的成果，说明依托雷电数据开展雷电灾害防御服务、研究等工作，均离不开数据处理和分析这一基础型工作，特别是必要的数据质量控制、雷电相关探测资料融合分析[5]、数据应用分析基础工具等。本系统以资料应用需求为目标，将闪电定位资料和大气电场资料、卫星图像资料、雷达回波等多元探测资料，建立雷电综合资料库，开展数据质量控制，进行雷电资料处理和综合分析，制作雷电监测报告和灾情报告等多种服务产品，提供资料处理、分析手段，实现雷电信息加工和产品制作的模块化和自动化，成为雷电资料分析应用的基础性工具，为雷电业务、服务和科研工作提供技术支撑。

1、系统设计思路与方法

1.1系统总体架构设计

系统采用B/S模式，设计基于JavaScript的WebGIS框架，通过自定义各种组件，实现地图图层叠加、工具条导航、工具条绘制以及闪电信息的检索和查询。系统技术架构（图1），分为数据层、接口层、业务逻辑层、Web表现层。

图1系统架构

数据层是系统的底层，负责数据的存取[6]，维护各种数据之间的关系，提供数据备份、数据存档、数据安全机制，为整个系统提供数据源的保障。包括CIMISS数据、oracle数据库数据、地图数据等。雷达、卫星云图是对CIMISS数据解析后的图像产品；雷灾、雷暴日等数据存储在oracle数据库中。

接口层由系统通过CIMISS系统中MUSIC接口获取气象数据，通过地图服务接口[7]调用地图应用程序编程接口API。

业务逻辑层负责系统业务的处理、逻辑性数据的生成、处理及转换[8]，包括数据读取、数据质控、动态查询统计、word编辑、雷达卫星图生成，基于HXGIS平台实现闪电密度图绘制、地图服务模块调用等功能。

Web表现层是系统框架的顶层，主要通过浏览器与用户进行系统交互，通过定制各种功能组件，协同完成不同的应用逻辑，实现二维和三维闪电、大气电场、雷达回波、卫星云图的监测显示，雷暴日、雷灾数据统计和查询，数据的分析结果和报告制作以视图、对话框、属性窗口等表现形式，为用户提供统一界面。

HXGIS平台采用分布式集群技术、分布式存储的云计算技术，提供海量空间数据存储、管理、挖掘、分析、推送等功能[9]。为满足气象行业地理信息需求和信息可视化需求，通过桌面、服务器、三维闪电、手机客户端等实现气象业务海量空间数据的管理、气象数据可视化展示。

1.2数据流程设计

系统采用CIMISS系统数据库作为基础数据平台[10]，系统流程（图2）。从CIMISS获取二维闪电、雷达、卫星等探测数据，利用CIMISS数据环境新建雷灾信息表、雷暴日信息表、站点信息表，自动完成雷灾、雷暴日历史信息数据录入，经过加工处理在网站上进行展示。三维闪电资料直接从三维闪电定位系统Oracle数据库中提取，大气电场资料从电场服务器实时资料库中提取。

图2系统流程

1.3系统功能设计

系统采取Java技术和WebGIS技术开发完成系统多项功能（图3）：实现了二维和三维闪电定位实时监测，大气电场、雷达回波、卫星云图的实时监测，闪电、雷暴日、雷灾等历史信息查询、分析、统计、闪电密度图绘制、时空分布特征等。

（1）闪电定位信息监测与处理。包含二维和三维闪电实时监测、闪电历史信息查询、闪电历史对比、闪电密度图绘制、闪电信息统计、闪电分布等6项功能：(1)实时监测闪电信息并显示在地图上，监测最新闪电信息和逐时闪电次数分布图形和列表；(2)针对不同的字段查询闪电信息，采取圆形或矩形等查询方式，统计闪电信息并叠加显示到GIS地图上；(3)实时数据与历史时段闪电数据进行对比，开展同一区域不同时间和同一时段不同区域对比，并绘出方框图和直线分析图形；(4)绘制闪电密度图；(5)统计任意时间、行政区域、闪电类型、电流强度的详细闪电信息；(6)回放指定时段和区域历史闪电发生时间和区域等闪电信息[11]。

图3系统主界面示意

图3系统主界面示意下载原图

（2）大气电场信息监测分析与处理。大气电场信息实时反映大气电场动态[12]，实现了实时监测各大气电场站状态、大气电场强度及其时间、质量控制码、1min最大、最小值，并绘制大气电场等值线和任意站点大气电场强度实时变化曲线。

（3）雷暴日信息处理。对全省人工观测的雷暴日信息进行查询、统计和对比分析等5项功能：(1)查询任一时间段和任意区域内，发生雷暴日数、雷暴初日、雷暴终日、总雷暴次数；(2)统计湖北各区域、时段雷暴日数；(3)将闪电人工观测记录和闪电定位记录进行对比分析[13]，分析不同距离闪电信息，确定漏报虚报情况；(4)按时间和区域分析雷暴日数分布情况，并生成图表进行比较；(5)计年平均雷暴日、年雷暴日数，并以表格形式显示、导出等。

（4）雷灾信息处理。将雷电灾害数据中发生时间、发生区域、损失大小、人员伤亡、雷灾事件等分成多个字段，根据不同的字段进行查询和统计，绘制雷灾分布图，实现雷电灾害查询显示、统计分析等功能。

（5）雷达信息监测。实时监测武汉、宜昌、恩施、十堰、随州、荆州、神农架七部雷达信息和拼图信息（包括组合反射率、回波顶高、垂直累积液态水含量[14]），对历史雷达资料进行回演、动态播放，查询任意地点回波强度等信息。

（6）卫星信息监测。实时监测卫星云图信息（包括IR1、IR2、IR3、IR4通道和VIS卫星云图产品[15]），显示历史时间云图信息，对历史资料进行回演、动态播放。

（7）闪电信息综合分析与应用。设计了综合分析二维和三维闪电定位信息、雷暴日信息，制作雷电监测月报、雷电监测年报等应用产品，包含11项功能：(1)区域逐月闪电定位资料的查询与统计；(2)任一时段闪电密度图的绘制；(3)区域闪电定位资料和雷暴日数的查询与统计；(4)区域历史闪电数据的时间分析图的绘制；(5)某年闪电日月时间分布图的绘制；(6)多年闪电日月时间分布图的绘制；(7)月年闪电强度分布曲线图的绘制；(8)各地闪电密度对比分析图的绘制；(9)多年闪电强度区间分布分析图的绘制；(10)制作湖北省雷电监测报告月报（包括月雷电综述、闪电监测实况、强雷电天气过程、雷灾统计和雷电防范、雷电时间分布图、闪电地域分布图、闪电历年对比图、闪电强度分析图）；(11)制作湖北省雷电公报年报（包括雷电时空分布、强度分布等雷电活动特征，首末次雷电、最强雷电、梅雨期雷电等重大天气过程，雷灾统计和具体雷灾事故，雷电监测预警服务、雷电月分布图、闪电地域分布图、闪电历年对比图、闪电强度分析图）。

2、数据控制处理

2.1数据来源

系统采集了气象卫星、天气雷达、大气电场、闪电定位探测数据，同时也收集了雷暴日和雷灾数据，其中，雷达回波、卫星云图是对CIMISS数据解析后的产品图，14个大气电场仪分布在武汉市各区域对市区形成覆盖，雷暴日收录了1951—2013年以来湖北省范围内81个台站的人工观测雷暴日资料，闪电定位包含了2006年以来湖北省范围内二维闪电资料和2015年以来湖北省范围内三维闪电资料，以上资料来源于省局气象信息数据库，雷灾数据收录了2013年以来湖北范围发生的雷电灾害资料，来源于中国局出版的雷电灾害汇编。

2.2数据质量控制技术

根据各类数据特点，从格式检查、缺失检查、逻辑检查、界限值检查和闪电小幅值检查等方面对数据进行质量控制。对处理后的数据增加质控码标识，其中，数据缺失的质控码为“9”，逻辑检查、极值检查和云闪检查后的错误数据，质控码为“2”，可疑数据为“1”，正确数据为“0”（表1）。

表1质控码定义

2.2.1闪电数据质量控制

（1）格式检查。闪电定位仪资料格式为发生时间、位置、电流强度幅值、陡度、误差和定位方式等，闪电定位仪产品文件为文本文件，1条闪电定位记录为1行，根据资料格式对闪电定位数据进行分析，以检查数据存在格式错误。

（2）缺失检查。由于闪电定位仪探测到闪电发生时，产生1条记录，闪电定位资料格式第1个字段表示某日发生的第n次闪电记录。根据该特点，可通过该日闪电发生的记录编号是否连续，对数据是否缺失进行判识，若不连续，则出现空缺的记录编号视为缺失。

（3）逻辑检查。通过对资料的记录格式、字符的合法性进行检验，如：发生时间的秒数据大于60、强度出现非法符号、经度、纬度等为负值、强度与陡度符号不一致等。

（4）界限值检查。由于闪电定位仪可探测到的电流幅值最大值为400kA，若电流幅值出现了大于该值的情况，则判断为错误数据。

（5）小幅值检查。从2006—2018年湖北云地闪电资料中发现，云地闪电中（小于400kA）绝大部分为负闪（约占94.8%），正闪比例相对较低（约占5.2%）。从平均值看，正闪平均电流幅值为70.8kA，明显高于负闪的44.6kA，这与较多学者的较多研究结论一致。但较多研究者发现一些电流幅值较小的闪电为云内放电，其对地闪数据造成干扰。为减少小幅值的闪电资料对地闪数据的影响，对湖北省的电流幅值进行统计分析，以得出适用于湖北省的小幅值闪电。由于自然界中云地闪的电流幅值分布符合对数正态分布这一结论已得到国内外的广泛认可[16]，因此利用对数正态分布函数对闪电定位资料进行质量控制分析。将负闪和正闪的电流幅值绝对值取对数，再进行正态分布拟合，分析不同幅值小电流地闪频次的逐年变化特征和干扰度较大的小幅值区间。

从湖北省不同幅值小电流闪电频数表（表2）可以看出，5kA以下的闪电数在总闪电数中所占的比例显著减少，2007年以后小幅值较2006年有明显降低，低于10kA的小幅值在0.31%～1.45%范围内波动，低于5kA的小幅值波动范围为0.01%～0.05%，较为稳定。

表22016—2018年湖北省不同幅值小电流闪电频数

图4a、b是正负闪电的电流幅值对数统计分布及其拟合曲线，可以看出，闪电数据在小幅值部分相对于对数正态分布曲线出现偏移，对应横坐标在1～2之间，删除5kA以下闪电数据后进行对数正态分布拟合曲线见图4c、d，偏移现象明显减弱，且得到的拟合曲线方程能通过置信度为95%的F检验，效果显著。根据上述分析，将湖北地区闪电定位资料的小幅值设置为负值在5kA以下为地闪较为合理。

2.2.2大气电场数据质量控制

（1）格式检查。大气电场仪产品文件为文本文件，资料主要参数为时间（单位间隔为1s）和电场值，每秒1条数据，记录为1行。根据资料格式对闪电定位数据进行分析，以确定数据存在格式错误。

（2）缺失检查。由于大气电场数据为秒级，故每秒均对应1条记录。大气电场资料格式第1个字段表示观测时间。可根据观测时间是否连续，确定数据是否缺失进行判识。

图4正闪（a）、负闪（b）、5kA以上正闪（c）和负闪（d）电流幅值对数统计分布及其拟合曲线

（3）逻辑检查。通过对资料的记录格式、字符的合法性进行检验，对大气电场数据进行格式检查，包括观测时间超出正常范围；电场值出现非法符号。

（4）界限值检查。在晴朗的天气里，大气电场强度在±500V/m范围以内，没有雷电天气出现时，大气电场强度的范围为±2kV/m以内，有雷电天气出现时，大气电场强度一般在±10kV/m左右，用此界限判断大气电场数据的错误。

（5）即使在全天为晴朗的天气里，大气电场存在日变化，如果在一定时间内大气电场值变化太小或不变，日标准差低于1V/m时[17]，判断该日大气电场值为疑误数据，这是仪器故障所致。

3、系统应用实例

2015年6月1日21:32，“东方之星”客轮在长江（29.76189°N,112.92977°E）翻沉，对这次天气过程闪电特征进行分析，该系统表现出较高的效率和使用价值，为雷电灾害调查提供技术支撑[18]。

3.1闪电实况

从系统监测、回演功能可查当时大气电场、雷达回波、卫星云图以及闪电分布和沉船区域局部立体放大图（图5），用查询统计功能得知本过程全省闪电实况：全省总闪电15255次，负闪占87.4%，云地闪占72.5%，最大闪电电流283.59kA。监利县总闪电5089次，负闪占91.3%，云地闪占75.5%，最大闪电电流283.59kA等实况。

图52015年6月1—2日湖北闪电分布和局部立体放大

3.2闪电时间及强度分布特征分析

运用系统应用中的绘图功能，绘出湖北、监利县闪电时间分布图和闪电强度分布图（图6），直观反映闪电时间及强度分布特征。用系统分析功能可知，闪电集中在20:00—24:00,21:00—22:00闪电2811次达到最大值，该时段有66.4%闪电集中在监利县。次日04:00后监利县闪电基本消失，07:00后全省闪电逐渐消失。沉船事故地点5km范围内，21:00—22:00有183次闪电，其他时段均在10次以下，沉船发生在闪电最多时段。

从图5b中可知，全省0～100kA闪电占总闪电的97.3%,10～40kA闪电占66.9%。监利县10～100kA闪电占县总闪电的97.5%,10～40kA闪电占74.7%,20:00—21:00和21:00—22:00发生100kA以上闪电分别为26次和19次。

图62015年6月1—2日湖北、监利县闪电时间分布（a）和闪电强度分布（b)

3.3闪电地域分布及强度特征分析

从系统的绘出的闪电密度图（图7）可知，监利县闪电密度最大，占全省总闪电数的33.4%,100kA以上电流的闪电有99次。1日20:00—22:00，沉船事故地点1km范围内有闪电9次，离船最近距离一次闪电为263m，闪电强度为-45.37kA，轮船电子设备易受雷击电磁感应而损坏。

图72015年6月1—2日湖北闪电密度

4、结论

（1）雷电资料分析处理系统，依托气象CIMISS系统和闪电Oracle数据库，建立了雷电综合信息数据库，采用数据库和文件库相结合形式，解决了雷电信息的集中、智能管理、信息同步与快速访问的技术问题。

（2）系统实现了卫星、雷达、闪电、电场等多种探测信息的实时监测，具有雷电信息查询、统计、分析、绘制分析曲线和图形、制作雷电报告等功能，提高了资料处理能力和现代化水平，为开展雷电灾害分析、雷电风险评估提供了高质、高效和实用的应用平台。

（3）数据质量控制采用多种形式和方法，基本保证了数据的真实和准确，为数据的使用、研究和服务提供基本保证。

（4）该系统试运行期间，效果较好，能够满足开展雷电业务、科研和服务的相关需求。

随着雷电业务的进一步发展，应用需求不断提高，系统在实际应用中应根据需要，进行不断地优化和完善。

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基金:湖北省雷电灾害防御科研专项(FL-Z-201402)资助.