2020年基于VLF/LF三维闪电定位系统的全国闪电数据集

孟晓阳，王佳权，马启明＊，苑尚博，宋佳军，周晓，肖芳，王亚惠

1.中国科学院电工研究所，北京 100190

引言

闪电是一种频繁发生在自然界中的高强度瞬间放电过程。闪电放电维持了大气电离层与地球之间的电平衡[1]，它产生的氮氧化物在大气光化学和全球生物地球化学循环中起着非常重要的作用[2]；另一方面，闪电灾害已被联合国十年减灾委员会列为“最为严重的十大自然灾害之一”[3]，会对林业、电力、航空航天、通讯、石油化工等部门造成很大的危害，严重威胁着人们的生产生活和生命财产安全；闪电也是雷暴强对流天气常见的伴随现象之一，与雷暴的发展演变、强对流天气形成有关，可作为研究雷暴强对流天气的重要资料之一[4]；此外，闪电辐射的电磁脉冲在地-电离层波导中传播时携带有电离层、地面的电参数，对研究电离层高度、结构等日地空间物理参数具有重要意义[5]。因此，闪电探测科学数据，对闪电研究、减灾防护、日地空间物理、全球气候变化都具有重要意义。

为加强对我国闪电活动的监测，甚低频（Very Low Frequency，VLF）/低频（Low Frequency，LF）三维闪电定位系统自2013年起开始建设，目前在国内已初步建成了400多个站点，单站探测范围可达600 km，组网探测范围覆盖我国大陆大部分地区和周围海域。该系统不仅可实现云地闪的探测，还可探测部分云闪。本数据集包含基于VLF/LF三维闪电定位系统的2020年全国闪电数据产品。

1 数据采集和处理方法

全国闪电数据集来源于VLF/LF三维闪电定位系统的监测数据，该系统由3部分组成：VLF/LF三维闪电探测站网、数据处理中心及数据应用服务系统。分布在全国各地的闪电探测仪接收闪电触发信号发送到数据处理中心；数据处理中心将接收到的数据分类存储，将闪电信号进行定位计算处理与三维位置解析，并将定位结果存入数据库；最后数据应用服务系统通过自主开发的软件调用数据库数据，实现三维闪电数据产品的实时显示和分发处理，VLF/LF三维闪电定位系统结构如图1所示。

图1 VLF/LF三维闪电定位系统结构图Figure 1 Structure diagram of 3D VLF/LF Lightning Location Monitoring System

1.1 VLF/LF三维闪电探测站网

VLF/LF三维闪电探测站网由全国400多个VLF/LF三维闪电探测仪组成，站点基线距离为100-300公里，具备云地闪和云闪实时探测能力。该设备由支柱和仪器舱两大部分组成，探测仪的结构如图2所示。每个探测仪均配置一个多通道VLF/LF信号采集与处理单元，由平板电容和正交磁环天线组成了一套天线系统，能接收频段在3 kHz至400 kHz之间的信号。信号由16位的A/D转换器转换为数字信号，并包含一些用于互联网连接的设备，每个站点均与北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）保持时钟同步[6]。当从远处传来的闪电电磁脉冲大于站点设备的触发阈值时，设备将会以1MS/s的采样率对信号进行采集，然后存储在计算机系统中，便于事后进行数据分析、定位以及闪电活动特性研究。VLF/LF三维闪电探测仪主要技术指标如表1所示。

表1 VLF/LF三维闪电探测仪技术指标参数Table 1 Technical parameters of 3D VLF/LF Lightning Detector

图2 VLF/LF三维闪电探测仪结构Figure 2 Structure of 3D VLF/LF Lightning Detector

三维闪电探测站网在探测仪端进行闪电探测数据的预处理，主要包含探测仪对触发信号的格式转换、分类传输与存储等。

1.2 数据处理中心

VLF/LF三维闪电探测仪接收闪电辐射VLF/LF脉冲信号，记录闪电电磁脉冲信号到达的时间，数据处理中心对获取的同一闪电的数据采用三维时差定位算法(3D time-of-arrival method,3D-TOA)，可以对云地闪回击、云闪闪击定位，不仅能够得到经、纬度，还可以实现闪电的高度定位[1]。如图3所示，在三维空间中，假设在三维闪电定位系统中，各观测站的空间位置为（xi，yi，zi），i=0，1，2，3，其中i=0表示主站，i=1，2，3表示副站。闪电辐射源的位置设为（x，y，z），该辐射源到主站（x0，y0，z0）与副站（xi，yi，zi）的距离设为Ri，距离差设为 ∆Ri（i=1，2，3），那么 TOA 定位方程为：

图3 四站时差定位系统布站示意图Figure 3 The distribution of four stations for Lightning Location System by 3D time-of-arrival method

解出的点（x，y，z）作为闪电发生的位置，其中云闪高度计算方法与HD Betz等人在VLF/LF lightning detection network(LINET)系统中计算云闪高度的方法一致[7]。闪电定位结果可能存在误差，和该点与各探测站的相对位置有关，即与布站的形式有关。同时每个探测站（xi，yi，zi）也存在一定的误差，定位精度用GDOP表示，计算方法如下：

水平定位精度为：

高度定位精度为：

计算出闪电发生位置后，进一步根据不同闪电特征对闪电进行分类，目前主要分为云地闪和云闪。云地闪是指云和大地间的强放电过程，简称地闪。地闪又可以细分为正电荷对地放电的正闪和负电荷对地放电的负闪。云闪是指云间放电过程，根据探测站接收的闪电电磁脉冲电场信号第一个波峰的幅值确定云闪脉冲是正云闪还是负云闪，如果幅值为正，则判断脉冲为负极性云闪，如果幅值为负，则判断脉冲为正极性云闪。

闪电的放电过程中最重要的是回击过程，因为回击的电流大、时间短、辐射的电磁场强，所以是形成故障、造成危害的主要原因，通过把一个闪电的多次回击归闪，还可以确定一次闪电的回击次数、回击之间的时间间隔等闪电特征参数。VLF/LF三维闪电定位系统根据每次回击事件时间、位置、极性的相关性归闪，在1秒内，距离间隔10～30 km的闪电可判定为同一闪电事件产生的多个电磁辐射信号，通常被认为是一次闪电事件并实时存入数据库系统。

通过上述定位计算，再经过地理信息系统分析作图，最终形成全国三维闪电数据集资源。

1.3 数据应用服务系统

三维闪电数据应用服务系统包括数据产品制作平台、数据实时显示平台和数据分发软件，通过获取数据库中实时闪电数据，包括闪电发生的时间、类型、经纬度位置、高度及峰值电流强度等闪电活动参数，叠加地理信息制作闪电落点分布图、闪电累积密度分布图，最终形成全国闪电数据集，并通过交互式显示平台（http://www.cnlightning.cn）实时向公众开放共享。利用该数据可实现雷暴强对流天气的监测、预警，为气象、民航、电力、林业、石油化工和应急管理等部门提供减灾防灾服务。

2 数据样本描述

本数据集中三维闪电数据包含两类文件，分别为闪电落点分布图和闪电密度分布图。北京时间每日08时生成一个数据文件，时间间隔为24小时，命名格式分别为TH_FLASH_SD_2020XXXX0 8和TH_FLASH_MD_2020XXXX08，按时间顺序存储。

2.1 数据来源描述

全国闪电数据集基于VLF/LF三维闪电定位系统的闪电定位结果生成，每一条闪电定位结果均包含15个数据要素，分别为：闪电时间-年、闪电时间-月、闪电时间-日、闪电时间-时、闪电时间-分、闪电时间-秒、闪电经度、闪电纬度、回击峰值强度、定位误差、定位方式、处理标志、参与定位计算的探测仪、闪电类型、闪电高度。数据结构如表2所示。

表2 闪电定位结果数据结构Table 2 Data structure of Lightning data

2.2 数据内容说明

生产本数据集产品时读取闪电定位结果的时间、经度、纬度、闪电类型等信息，对应闪电数据图例如图4、图5所示。在闪电落点分布图中应用不同的颜色表示不同时间发生的闪电，三种不同的符号分别表示云闪/正云地闪/负云地闪；在闪电密度分布图中应用不同颜色表示单位面积内的落雷次数，共分为8级。

图4 闪电落点分布图图例Figure 4 Legend of lightning distribution

3 数据质量控制和评估

三维闪电监测定位系统采用三级质量控制方法，能有效剔除错误、无用的数据，保证闪电的探测效率与定位精度，尽量减少误测数据。经质控后，10 kA以上闪电探测效率大于90%，平均水平定位误差小于0.3 km，垂直定位误差小于0.5 km[8]。

3.1 探测仪状态监控及质量控制方法

三维闪电探测仪在硬件设计中加入了电磁场信号标定与自检模块，可以设置定时自检和命令自检，检测范围从天线到输出端口的各模块。一般情况下，自检通过，表示该设备硬件与嵌入式软件均无故障，属于正常工作状态，我们认为该状态下所测数据为真实数据；但是当探测站周边有闪电时，自检信号和闪电信号混合在天线中，会导致设备自检失败，此种情况下，将延时5分钟后再次自检；探测仪自检不过，表明探测站处于故障状态，所测数据为不可靠数据，在探测设备的数据预处理阶段被清除，不向数据处理中心发送。

3.2 数据处理中心闪电数据同步质量控制方法

各探测站发送到数据处理中心的探测数据中，可能还含有部分电磁噪声、云地闪的先导脉冲及云闪高频脉冲等信号，数据处理软件通过对多站数据进行相干性分析、综合识别和判断以及对误差较大的定位结果复算等方法，剔除干扰信号，最大限度地保证三维闪电定位资料的准确性。

3.3 数据应用服务系统中数据产品的质量控制方法

根据数据处理中心输出的定位结果，在制作图形显示产品时，对定位结果的真实性进行数据质量控制。判断依据为：

（1）检查定位结果中的平面定位误差值（小于5 km）。

（2）经纬度范围（视闪电活动的区域而定）。

4 数据价值

本数据集包含全国陆地大部分地区和近海的三维闪电定位数据，不仅包含云地闪，还包括对闪电高度定位后的云闪数据，可为我国及周边地区强对流监测预警应用、闪电减灾和防护、航空航天气象预警预报、森林雷击火灾害调查、气候变化和日地空间物理等研究提供数据支撑。

高精度、高时空分辨率闪电定位技术是闪电气象学研究、强对流天气监测和预警的重要基础[9]。基于VLF/LF三维闪电定位系统的全国三维闪电数据探测过程中不受高山或者建筑物等地物遮挡的影响，在探测范围内无衰减和畸变，可弥补雷达低仰角探测常受到地物遮挡的缺点[10]；强对流天气系统中地闪活动规律和成因已有较多的研究成果，但是对于不同类型强对流天气系统中的云闪活动及云闪和地闪变化特征的对比研究依然较少，因此本数据集在强对流天气预警中广泛应用[11]。例如2021年5月14日，武汉蔡甸区等地突发9级龙卷风，有房屋受损，上百人受伤。VLF/LF三维闪电定位系统探测到5月14日19:00至23:00，武汉市共有总闪4206次；其中云闪1794次,云地闪2412次,云闪比42.7%；正闪1582次,负闪2624次,正闪比37.6%；云闪最大高度29.4公里,云闪平均高度6.6公里。充分利用三维闪电数据对于更深入的分析和理解强对流天气系统的发生发展机理及垂直结构，进而改进强对流天气的分析诊断和预警具有重要意义。

意外天气是中国民航事故的主要原因之一，而雷暴则是影响飞行安全最主要的天气现象。例如2021年5月4日，珠三角地区遭遇雷雨天气，广东白云机场取消航班158架次，延误81架次。VLF/LF三维闪电定位系统探测到5月4日10:00至17:00，白云机场及其周边地区总闪1071次；云闪329次，云地闪742次，云闪比30.7%；正闪442次，负闪629次，正闪比41.3%；云闪最大高度28.7公里，云闪平均高度5.1公里。三维闪电数据具有探测范围广、定位精度和时效性高的特点，与天气雷达数据结合可为气象预报人员、空中交通管制人员和飞行员提供更准确的强对流天气气象产品，提高民航运行的效率和安全性。

在森林雷击火防护领域，利用实时三维闪电数据能够在闪电活动发生时快速预警，辅助相关部门定向巡查，以达到森林雷击火早发现、早扑灭的目的，有效减少雷击森林火灾造成的人员、物资损失。例如2020年6月30日发生在黑龙江省大兴安岭地区呼中自然保护区1091高地的一次云地闪，各项参数信息如表3所示，经与实际起火点位置验证，闪电定位数据的水平误差小于300米，有助于森林雷击火事故溯源调查。

表3 2020年6月30日闪电数据详细信息Table 3 Details of lightning data on June 30,2020

共有5个三维闪电探测站参与此次闪电的定位计算，分别为新林站、满归站、根河站、加格达奇站和阿木尔站，站点位置和定位结果空间分布如图6所示，各探测站记录本次闪电电磁脉冲信号到达的时间及定位结果信息如表4所示。

图6 参与定位三维闪电探测站分布Figure 6 The distribution of stations involved in localization

三维闪电数据也在各地的闪电灾害调查和闪电风险评估等防灾减灾工作中发挥了重要作用。例如2020年8月10日晚，上海发生强雷暴过程，东方明珠上空电闪雷鸣，当地游客拍摄了一道闪电疑似击中东方明珠顶端的视频，经上海市气象部门数据监测发现，其实际为东方明珠主动“接闪”，通过防雷装置将其迅速泄流至大地，保障了东方明珠大楼整体结构的安全。通过查询本数据集数据，当日19点45分32秒的一次云地闪过程为引发此次雷击事故的闪电，定位结果距离东方明珠塔水平距离为9米，可能是由探测网定位误差引入的，闪电位置如图7所示。

此外，闪电产生的强大的电场变化将对电离层形成电扰动，影响电离层的高度、浓度、碰撞频率的变化；电离层探测一直是空间科学领域的难题，由于电离层存在模型复杂，异常扰动和闪烁，电离层风暴的特性，尤其在太阳活动期间可对航空导航带来致命性的影响，影响航空正常运行，开展基于闪电辐射源的电离层特性反演以及电离层状态监测具有重要意义。

5 数据使用方法和建议

本数据集存储在科学数据银行（http://www.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00295），可供下载。并已在三维闪电监测预警防御综合系统平台（http://www.cnlightning.cn）发布，可实时查询进行统计分析。浏览器内输入上述地址，打开界面如图8所示，点击闪电落点即可展开该闪电数据详细信息，包括闪电发生时间、定位经纬度、闪电强度、高度等参数，数据格式见本文第2.1节数据来源描述。

选择网页右上角不同的功能模块可实现图层的切换与叠加、闪电数据显示时段的切换、闪电数据统计与分析和闪电数据图例查询等功能，如图9所示。

图9 交互式闪电数据查询与统计Figure 9 Interactive lightning data query and statistics

致谢

本数据集的建设及相关成果发表得到了国家科技基础条件平台-国家空间科学数据中心（https://www.nssdc.ac.cn）的大力支持与帮助。感谢各三维闪电监测站工作人员对三维闪电探测仪观测运行的辛苦付出。

数据作者分工职责

孟晓阳（1991—），女，河北人，硕士，助理研究员，研究方向为雷电与电磁脉冲探测。主要承担工作：闪电数据传输、闪电数据产品研发、数据库建设及数据共享。

王佳权（1992—），男，湖北人，博士，助理研究员，研究方向为闪电探测技术研发。主要承担工作：闪电传感器嵌入式软件设计、闪电大数据分析与算法研究。

马启明（1964—），男，湖北人，博士，研究员，研究方向为电磁脉冲在地电离层波导中传播特性的研究、测量、定位技术的研发；闪电监测定位技术及应用。主要承担工作：三维闪电定位系统项目负责人。

苑尚博（1989—），女，河北人，硕士，助理研究员，研究方向为雷电与电磁脉冲探测。主要承担工作：闪电数据应用平台系统设计、闪电数据库及电磁仿真。

宋佳军（1982—），男，宁夏人，硕士，工程师，研究方向为雷电与电磁脉冲探测。主要承担工作：闪电探测仪硬件研发、闪电探测网管理、闪电数据处理中心建设与管理。

周晓（1986—），男，广西人，博士，助理研究员，研究方向为闪电探测技术研发。主要承担工作：闪电探测技术研发、硬件电路设计与嵌入式软件开发。

肖芳（1987—），女，湖北人，硕士，工程师，研究方向为闪电探测技术研发。主要承担工作：闪电探测仪硬件研发、质量体系建设与管理。

王亚惠（1992—），女，河北人，硕士，助理研究员，研究方向为地理信息系统应用研究。主要承担工作：闪电数据显示平台及数据服务软件开发。