我国《气象事业发展纲要（1991－2020年）》明确指出，“2000年前将大力发展新一代天气雷达，加速多普勒天气雷达软硬件和应用技术的研究，建立新一代天气雷达的业务试验基地；2020年前将进一步加强新一代天气雷达、多参数天气雷达和激光雷达等的研制，发展具有通信功能的气象卫星、新一代天气雷达及其他地基遥测遥感手段，进一步发展、完善中尺度气象监测网和气候监测网”。发展新一代天气雷达，并投入气象业务使用，是气象事业发展的需要。
我国现有的新一代天气雷达是按照美国WSR-88D的规格生产的，2010-2015年的规划计划在我国建成216部新一代天气雷达。是
用于观测降水和强对流天气的主要探测工具， 它一方面通过对云和降水的观测，监测强对流天气的发生、发展, 对龙卷、冰雹等灾害性天气进行有效的预报； 另一方面天气雷达也为较大范围内估测降水量, 特别是区域降水量提供了可能性。然而，单部天气雷达有限的探测能力限制了雷达观测作用的进一步发挥, 用探测范围相互重叠的多部天气雷达组成观测
网是克服单部天气雷达探测局限性的有效途径。
目前在我国逐步投入使用的新一代天气雷达有S波段、C波段两种共7种型号，我省采用的是国营784厂研制生产的C波段（5公分）CINRAD/CD型新一代天气雷达，目前共有5部，在未来的2-3年间将建成8部，组网雷达已成为发展趋势。天气雷达拼图与地理信息的叠加，特别是
在我国南方易发生泥石流灾害的区域，对评估、预警有十分重大的意义。
但由于单部天气雷达的探测距离有限，所以新一代天气雷达组网拼图对于在更大范围发挥天气雷达监视中小尺度灾害性天气的作用, 提高灾害性天气的短时预报水平, 进一步做好区域气象保障等都具有重要的科学意义和实用价值。
1.2国内外研究现状
20 世纪 70、80 年代，美国发生了多起雷击
航天发射器的事故，造成了非常严重的损失。因此，美国肯尼迪宇宙空间研究中心（KSC）、美国空军、联邦航空管理局（FAA）、美国航空航天局（NASA）、兰利研究中心和新墨西哥理工大学等组织，联合研究 20 余年，最终应用 GIS 技术将雷达观测资料与雷电定位资料相结合，建立起闪电监测网和 KSC 发射场的雷电预警系统
。其他的发达国家也利用雷达观测信息、雷电定位资料和大气电场探测信息制作雷电短时预警的实际指标，从而建立了区域雷电短时预警和雷电监测预警业务。国内学者针对 GIS 技术
也有许多领域内的实际应用。北京市国土局
采用 GIS 空间分析技术，对 1982～1997 年期间北京城市土地利用扩展的时空过程进行空间聚类和历史形态分析。严寒冰采用 GIS 技术，从城市道路网络的特点出发，分析了道路路段间的连通关系，得出一种求城市道路网络两节点间的最短路径算法。通过利用土地利用程度指数和植被指数等指标[5]。采用 GIS 工具和数学模型方法，对中国土地利用和土地覆盖的现状进行分析，得到结论：中国现有土地覆盖状况代表着中国总的土地利用程度指数为 202 的一种开发利用水平。游松财通过 GIS 技术，应用通用土壤侵蚀方程估算了江西省泰和县灌溪乡的土壤侵蚀量[7]。以气象卫星资料为主要信息源，以陆地卫星 TM 资料、土地利用专题图件、气象观测资料为辅助信息源，利用 GIS 空间分析技术，对城市热力分布特征和变化规律进行动态监测和综合分析。通过基于地理信息系统的洪灾风险区划指标模型，结合辽河流域具体情况，以降雨、地形和区域社会经济易损为主要指标，得出辽河流域洪灾风险综合区划。通过
对公交乘客出行心理的研究，结合 GIS 的特点，提出了以换乘次数最少为首要目标、出行距离最短为第二目标的基于 GIS 的公交乘客出行路线选择模型。将空间统计分析嵌入到一个GIS 系统中，实现系统在区域经济分析中的应用。
加拿大地理信息系统作为第一个GIS 产生于 20 世纪 60 年代，当时可用其进行计算机地图测量。如今随着 GIS 技术的发展，其功能已经扩展到针对所有具有空间特征的数据进行分析和模拟再现。GIS 已经在交通安全、环境评估、资源调查、公共设施管理、区域发展规划等领域大量的应用。2004年1月“NATURE”刊登了文章＂Map Opportunities”提出，最有发展前景也是在 21 世纪对人类最重要的三大技术领域包括：空间信息技术、生物技术、纳米技术。在Google Earth推出以后，2006年２月“NATURE” 刊登了文章＂The Web-Wide World”,其中对 GIS 和 Google Earth 的发展方向进行了大量的讨论。。国际上，GIS 在气象领域中的主要应用情况如下：美国大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR），为了实现 GIS 的知识共享和在交叉学科中的应用，在 2001 年成立了由大量不同学科的专家组成的 GIS 研究组。欧洲科学技术研究中心（European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research，COST），在 2001 年成立了研究 GIS 技术在气象中应用的 COST-719 组织，该组织主要由欧洲各国家气象局组成。GOST-719 还分成了三个研究小组，分别负责 GIS应用模式研究、气象要素插值方法研究和 GIS 相关控件研究。美国环境系统研究所（ESRI）作为著名的 GIS 软件商，在 2003 年的国际软件用户大会上组织成立了大气科学专业组（Atmospheric Special Interest Group，SIG），该研究组主要研究 GIS 中的数据显示方法，吸引了 Unidata、NCAR、NOAA、UCAR，以及 Raytheon 等机构近 40 的人参与。
在国内，GIS 技术已经应用于大量的领域中，已在气候区划应用、天气预报应用、人工影响天气、气象灾害评估、地质灾害气象预报、台风信息分析、综合气象服务系统与站点选址分析以及气象资料管理等气象业务方面表现出了很好的效果和前景。
从第二次
世界大战后雷达技术引用到气象部门至今已有50多年历史，用于探测云雨降水、监测强对流天气的天气雷达己成为雷达技术中的一个分支。天气雷达技术的发展经历了以下四个阶段。
第一阶段是在20世纪40年代，萌芽阶段，用于气象部门的天气雷达主要是由军用的警戒雷达进行适当的改装
而成,当时所选用的波长主要采用X波段，少量S波段，性能与军用的警戒雷达无多大差异，主要观测回波的形状、移动速度、描述回波的形成发展。
第二阶段是在20世纪50-60年代，定量分析阶段，根据气象探测的需求，开始设计专门用于监测强天气和估测降水的雷达,命名为天气雷达。这一阶段也是常规雷达的发展时期，主要用来分析回波的
降水强度和雷达反射率之间的定量关系。1957年美国天气局设计生产了WSR-57S波段天气雷达,主要用于监测强对流天气、大范围降水和定量估测降水。天气雷达主要还是模拟信号接受和模拟显示雷达图像，观测资料的存储采用照像方法。
第三阶段是在20世纪70-80年代，雷达的数字化发展时期，数字技术和计算机开始广泛使用，将数字技术和计算机技术大量的应用气象雷达。为适应气象部门对天气雷达定量估测降水和对观测资料做进一步处理的需求,天气雷达开始采用数字技术和计算机处理，天气雷达与计算机连接,形成数字化天气雷达系统。
第四阶段20世纪80年代后，新一代天气雷达的发展时期，型号为WSR-88D的雷达于1988年开始批量生产，
WSR-88D不仅有强的探测能力,较好的定量估测降水
的性能，还具有获取风场信息的功能,并有丰富的应用处理软件支持。多普勒雷达、双波长雷达、偏振雷达、风廓线雷达等一大批新型雷达也被用于气象探测。
80年代开始设计为气象业务使用的多普勒天气雷达，称为新一代天气雷达,
CINRAD/SA型
天气雷达是在中国布网的新一代全相参多普勒天气雷达,它工作于S波段,探测半径为460公里（定量监测为230公里）,是参照目前世界上最先进和最精确的天气雷达WSR-88D,并充分吸收了近年来计算机技术和微电子技术的最新成果重新设计而成，它所采用的多普勒信号处理技术和自动产生灾害性天气警报的能力非常强大,可以自动形成和显示丰富多彩的天气产品,能较早的探测到威胁航行的气流即便是晴空下和发生灾害性的洪水,极大的提高了对暴雨、降水、风切变、龙卷、冰雹等重大灾害性天气的检测和警报能力,为水资源的管理决策提供极有价值的信息。
天气雷达基数据和雷达产品
，基数据是指回波信号经数字信号处理器处理,并经杂波抑制后,以极坐标形式排列的数据，新一代天气雷达提供了较高灵敏度计较高分辨率的三个基本要素值：强度、速度、谱宽，并附有雷达的环境参数和观察参数,可独立于雷达环境之外，是用户交换和再开发的基本要素数据。
基本反射率（强度）是雷达工作于体积扫描时,对每个扫描仰角的回波强度进行显示的图像产品，基本反射率产品用来估算降雨和降雪强度、冰雹潜在性、风暴结构以及确定边界层位置。显示范围为230和460公里，有3种分辨率：230公里显示范围 1公里460公里显示范围 2公里和 4公里，该产品对各种业务应用都是十分有效的例如评估风暴结构。由于雷达系统有极高的灵敏度比以前雷达提高倍以上和大动态范围，即使很小的降水或雨夹雪都容易被探测到，在晴空模式下即使是降水模式也经常发生,可以识别各种边界层和与晴空折射指数梯度有关联的晴空回波。图1-1为雷达数据流示意图。
风暴追踪信息（STI,58号产品），这是提供风暴
过去、现在和未来位置以及整个雷达反射率覆盖域内风暴运动信息的十分可靠的产品,并且有三种产品形式：单一图形、图形叠加、图形加字符信息。可提供有关风暴的特征信息，例如风暴识别号、质心、方位和距离、移速和移向、跟踪误差、风暴最大反射率和高度等。产品识别雷达探测范围内的每个对流风暴单体,并给出风暴过去、现在和将来的位置以及345公里范围内的风暴运动的可靠信息，提供风暴过去每15分钟间隔的位置、现在位置、和未来1小时内每15分钟间隔的预报位置，构成风暴的移动轨迹。
图1-1为雷达数据流示意图。
冰雹指数（HI,59产品），它是通过有关算法产生的图像产品，冰雹指数产品是警示风暴是否可能产生冰雹的一个指标，主要是图形产品。在0℃ 层高度以上检查高反射率因子值，用冰雹指数算法（HDA）计算得到：冰雹概率 POH（以10%为单位）、大冰雹 （直径≥2厘米) 概率POSH （以10%为单位）、最大可能冰雹尺寸
MEHS。
中尺度气旋（M，60号产品），中尺度气旋是风暴中旋转的一个三维空间区域，它的设计用于显示那些与雷暴有关的风暴级涡旋的存在和特征，产品覆盖范围是半径为230km的圆形区域。产品形式有单一图形、图形叠加和字母数字表三种,但无论哪种形式,都对强风暴、强雷暴和龙卷的检测与报警起到极好的作用。中尺度气旋算法是通过对径向速度数据处理来识别大的风切变对称区。强烈的风切变（如临近雷达径向中同一距离上极大的背向和朝向速度）可以用于识别龙卷涡旋。该算法在形成中空的龙卷涡旋到达地面之前提前许多分钟将它识别出来,增加了对此种强烈天气的预警时间。速度方位显示VAD技术提供离雷达某一固定距离上水平风速和风向的垂直剖面。CINRAD为速度变化提供的两种测量是组合切变和湍流。通过比较相邻雷达距离的径向速度来决定径向和方位上的切变,这些切变的平方总和的平方根形成组合的切变产品。大气湍流是依据雷达频谱宽度测量和扰动的湍涡模式来估计的。速度方位显示的风廓线，它是平均水平风随高度变化的图形显示产品，它的算法使用当前体扫描模式的每个仰角的全方位扫描录取的速度
资料,计算总共30个由用户定义的高度上的二维平均水平风,再用常规的、国际标准的风符号把结果绘成类似无线电探空仪测风记录那样的图表。因此,气象工作者可以对每个体扫描显示一次雷达周围的风廓线。如果可测信号足够强,最大高度有时可达13.7-2km，VWP产品是类似风廓线记录仪录取的风场信息,但它是在降水和密集云层这种风廓线仪作用受到限制的气象环境下取得的，它被广泛地用于
识别各个
高度上的风急流、热平衡结构、垂直风切变、锋面及其在垂直方向上的深度和风暴相对速度等。
早期对华北强对流天气的研究主要从系统发生的环流背景、形成机制和演变特征进行天气学分析,初步给出了该地区强对流天气的气候学特征。等通过双多普勒雷达三维风场的反演,指出从强回波区南侧进入云体的高温高湿气流穿过云体,形成上升气流的主体,最后在上层从北侧流出,上升气流区与强回波区相配合，文献对一次暴雨过程的风场反演指出，7KM以上风场为较强的西南风，强回波区往往在较强的西南风和弱的东风或东北风形成的切变区,中尺度切变、辐合和辐散现象大都发生在3-4KM高度以下，对CINRAD/SA中气旋产品与强对流天气的关系,分析了济南新一代天气雷达年观测到的次中气旋产品和滨州新一代天气雷达年次风暴过程的中气旋产品，认为风暴中存在中尺度气旋
,中尺度气旋低层气旋性辐合、中低层纯气旋性旋转，中上层气旋性辐散、高层辐散。在中高层气旋的右后侧紧挨着有一个反中气旋伴随
。从大气运动的基本方程出发,讨论了地形与气流不同垂直分布发生作用时产生的不同天气现象。较好的解释了太行山
地形切变线对华北地区暴雨的影响。
由于中小尺度的强对流天气与当地的气候条件，地形等因素密切相关,作为地区一部多普勒天气雷达,如何利用其丰富的气象产品为临近预报服务,找出本地区强对流天气的雷达回波特征也是函待解决的问题。在多普勒雷达资料在预报业务应用研究方面,如何将多普勒雷达资料与目前数值预报系统结合还缺少全面、系统的研究。
1.4主要研究内容和安排
整个论文的安排经过了资料收集整理、确定研究
目标、开发语言环境和GIS组件选择、需求分析、系统功能实现、系统试运行与测试等环节。在阅读近几年新一代天气雷达拼图领域的研究性文献，其中重点阅读GIS技术与气象观测手段融合技术文献的基础上，通过Visual Studio 2005，MapXtreme技术，设计出基于GIS的新一代天气雷达组网拼图系统。
基于GIS的新一代天气雷达组网拼图系统业务应用对贵州省气象预报预警工作有一定的指导意义，技术路线的核心是贵州省雷电实时监测预警系统功能的实现，功能包括后台自动运行模块、前台可视化运行模块、系统设置模块、自动报警资料管理、图层管理、视图、报表处理、查询统计信息等模块。本文的主要工作包括：
（1）本文在分析研究了多普勒雷达数据产品结构的基础上，针对多普勒雷达产品信息量大，在普通图层采用面对象方式绘制
时速度较慢的问题，采用自绘图层技术实现雷达图绘制，提高了雷达图绘制速度。
（2）尝试实现雷电监测数据与多普勒雷达产品图的快速融合显示、基于GIS的新一代天气雷达数据可视化以及基于GIS的等值线绘制技术。
论文主要由绪论、技术基础、系统分析与系统设计、系统功能的实现、系统的测试与维护、总结与展望共六部分内容组成。
