引言

中小尺度系统是造成局地灾害性天气的关键，暴雨、冰雹、飑线、龙卷、雷暴高压、中尺度低压等中小尺度强对流天气能形成严重自然灾害，给国民经济建设和军事活动带来重大损失, 因此有关中小尺度系统的研究成果对预报上述灾害性天气具有重要的意义。由于中小尺度天气系统尺度小、生命期短、气象要素水平变化大的特点，在进行中小尺度天气系统的天气分析时，要求有时空分布更为稠密和更加准确的探测资料^[1-3]。从20世纪60年代以来，随着气象测站的增密和气象雷达、气象卫星等新技术的应用，中小尺度天气系统的分析研究有了很快的进展，但由于我国缺少专门针对中尺度天气系统的分析工具，对中小尺度天气系统的了解, 还很不全面, 有待于进一步研究解决。

我国气象工作者努力研发适用于中尺度的分析预报系统^[4]，该系统统计分析和诊断的资料来自于探空报，而未联合使用地面资料^[5-6]、雷达资料^[7-8]、卫星资料等，但恰恰这些高时空分辨率观测资料在对流性天气过程的分析与预报中起非常重要的作用。

20世纪90年代美国NOAA开发了LAPS系统专门用于中尺度系统的分析。武汉暴雨研究所于2005年引进LAPS系统，2007年完成本地化正式业务运行。自LAPS业务运行以来受到过多次良好的反馈意见，但目前为止还未曾对这套业务运行的LAPS系统作过系统的检验与评估。因此，本文对华中区域的LAPS分析场进行初步的定性和定量的检验与评估，以期对华中区域的LAPS分析场的特征得到较全面的认识。

1 原理 1.1 系统简介

LAPS系统(Local Analysis and Prediction System)是美国NOAA下属的地球系统研究实验室ESRL(Earth System Research Laboratory)研究开发的，它的诞生是为解决预报员不能在同一数值平台上看到所有资料信息的难题，该系统是综合处理和融合分析多种资料的中尺度分析系统。LAPS系统能够解决全国或区域模式未充分应用诸如多普勒雷达资料以及中尺度加密观测资料在内的局地探测资料的问题。该系统将各个气象观测系统中获取的资料融合分析到针对某个区域的高分辨率网格上，即通过LAPS系统将来自局地中尺度加密网的资料(包括地面观测系统资料、多普勒雷达数据、卫星资料、风和温度(RASS)廓线资料、微波辐射仪资料、飞机报等)，融合成覆盖任一区域三维高时空分辨率的网格分析场。其用到的分析资料除了上述局地中尺度加密网观测资料之外，还包括数值预报模式产品(初猜场)、ACARS、METAR(机场发布的常规天气报文)、探空及GPS水汽资料等。

1.2 LAPS运行流程

LAPS主要包括资料融合模块、资料分析模块、接入预报模式模块三个部分，其运行流程如图 1所示。LAPS资料融合模块的功能，主要是通过对各种类型的观测资料做相应处理，生成LAPS网格上的中间数据，提供给LAPS分析模块。LAPS资料分析模块包括风分析、温度-高度分析、云分析、湿度分析，并根据输出场反演其他物理量的导出分析，雪降/液态等价物降水分析，土壤湿度分析以及高度、风及云的准地转平衡处理等几个部分。LAPS输出量除常规的温度、高度、湿度及风场外，还提供许多有指导意义的指数，如火灾天气指数、热指数、风暴指数、三维结冰指数等；另外，还包括多种物理量，如地面位温、地面风场、海平面气压、地面能见度、地面相当位温、边界层层顶高度、土壤湿度等。李红莉等^[9-11]详细介绍了LAPS系统的模块功能以及各种资料在该系统中的应用方法。

1.3 LAPS融合数据说明

本文运用LAPS系统每天分析8次，每3小时一次，分别在00、03、06、09、12、15、18、21时(世界时，下同)进行分析，水平分辨率为5 km×5 km，水平范围(27°~35°N、106°~120°E)，垂直分层为22层，包含1100、1050、1000、950、925、900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、350、300、250、200、150、100 hPa。融合分析的数据是973项目外场试验期间采集的，背景场使用的是NCEP下发的预报场资料(gfs资料)，观测资料包括常规地面观测资料、高空观测资料、加密高空观测资料、SA、SB波段多普勒雷达基数据。本区域LAPS系统融合了包含武汉、宜昌、恩施、十堰、常德、长沙、南昌、九江8部雷达的基数据资料，汉中、安康、南阳、达县、恩施、宜昌、马坡岭、南昌、沙坪坝、怀化、武汉11个探空站的加密观测资料。参与本文检验评估的数据集为2008—2009年5—7月之间的LAPS分析场。

2 分析能力的体现 2.1 LAPS分析场对暴雨系统的统计

为了揭示LAPS分析场对中尺度系统的再现能力，本文统计华中区域内2008—2009年5—7月之间的暴雨日。暴雨日的标准为区域内单站24小时内常规观测站观测的降水量超过50 mm。对这些个例的LAPS分析场进行逐个分析，普查925 hPa、850 hPa及700 hPa上的中尺度系统，分析结果如下：

湖北省暴雨日共有50个，其中2008年27个、2009年23个。在这50个暴雨中，700 hPa上，LAPS能分析出49个影响系统(98%)，分别为辐合线8次，低涡13次，切变线15次，低槽6次，中气旋3次、中低压4次；850 hPa上，LAPS能分析出47个暴雨日的影响系统(94%)，分别为辐合线12次，低涡14次，切变线10次，低槽6次，中气旋4次，中低压1次；925 hPa上，LAPS能分析出46个暴雨日的影响系统(92%)，分别为辐合线20次，低涡10次，切变线9次，低槽1次，中气旋5次，中低压1次。

从这个统计结果来看，LAPS对大多数的暴雨日有较好的中尺度再现能力，对暴雨影响系统的分析在中低层达到90%以上，特别是对于那些暴雨范围较大、大雨或暴雨都是成片出现的个例具有很好的再现能力。

2.2 LAPS分析场与雷达回波、实况降水、TBB的对比

2008年7月21日到23日在华中区域发生了一次由西南涡东移造成的强降水过程。通过将LAPS分析场与雷达回波和实况降水进行对比来分析其对中尺度系统的再现能力。

从图 2看出，850 hPa的LAPS分析场上，西南急流位于湖南上空，实况雨带分布在该急流轴的左前方，在湖北、陕西、重庆三省交界处和四川东部分别存在一明显的风场辐合中心，湖北北部上空是一条明显的暖切变，这三个辐合区域与实况降水的三个中心有较好的对应关系，其对应关系为850 hPa上的辐合区域向南1~2个纬度的地方即是地面降水中心。LAPS分析的雷达反射率图 2c与实况雷达回波拼图 2b也对应的较好，图中两块反射率高值区的范围与实况降水的两片雨区的范围几乎是重合。

从图 3看出700 hPa西南涡的中心位于重庆、湖北交界处，雷达回波的高值区均匀分布在西南涡的东南方向，回波带的走向与西南涡的轴线一样呈西南—东北走向。在TBB的图上也可看到云带主要呈西南—东北向，并且在河南南部、安徽北部、江苏中部有一条TBB低于-55 ℃的低值区，该低值区在LAPS分析的回波反射率上没有表现是因为华中区域LAPS分析的雷达资料不包括河南、安徽、江苏的雷达数据。就湖北省来看，LAPS分析的雷达反射率和流场与TBB的对应还是不错的。

2.3 LAPS分析场刻画细致的中尺度特征

为了揭示LAPS系统的中尺度再现能力，对比分析华中区域的几个暴雨个例发现，925 hPa、850 hPa和700 hPa上，LAPS分析场均能再现中尺度系统的特征。如图 4所示，图 4b中鄂西北处有一较平直的辐合线，而在图 4a中相同位置处能够看到一个完整的涡旋，并且在涡旋的东面有35 dBz的回波与之对应；如图 5所示，图 5b中江汉平原至湖北北部一带处于弱的辐散气流中，而在图 5a中可以看到该区域是在两股气旋性气流的控制下，特别是江汉平原南部，位于这两支气流对垒的地方，有45 dBz的回波反射率与之对应。

通过大量暴雨个例的对比分析发现，LAPS能分析出较大尺度分析场更为精细的中尺度系统，LAPS分析出的中尺度涡旋或者辐合线其水平尺度较小，大致在200 km以下，并且这些中尺度系统均有雷达回波和降水与之配合，说明分析出的中尺度系统是合理可信的。

3 分析场的检验与评估 3.1 LAPS分析场的方差检验

本文利用均方根误差对LAPS中尺度分析场的质量进行定量检验评估。

$ RMSE = {\left[{\frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{x_i}-{x_o}} \right)}^2}} } \right]^{\frac{1}{2}}} $

均方根误差反映了该区域内误差幅度的平均状况，表示随机误差。公式中x_i为分析气象要素场，x_o为观测真值。N为样本数。

利用上述方法将1天4次的加密探空资料视为观测真值x_o，把LAPS分析场插值到各探空站上的值视为x_i。分别将LAPS融合观测资料前后的分析资料插值到各个探空观测站的11个等压面上，对比要素包括位势高度、温度、相对湿度、风向和风速，垂直方向11个层次分别为：1000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa、250 hPa、200 hPa、150 hPa、100 hPa。通过对比以期证实融合观测资料的重要作用。

从表 1各要素均方根误差可见，LAPS中尺度分析场的温度、风向、风速较背景场有明显的改善。LAPS融合观测资料后温度、风向、风速的均方根误差至少能降低50%；高度场和相对湿度场误差略有增加；分析相对湿度场均方根误差随高度的分布(图 6)发现，背景场和LAPS分析场的均方根误差均随高度递增，且均方根误差主要是在高层增加，而在800 hPa以下，融合观测资料后的方差比未融合的方差是减小的，天气系统中中尺度对流系统多发生在中低层，并且中低层的水汽条件对降水的发生起重要作用；因此，融合观测资料后的LAPS分析场是适用于分析中尺度系统演变特征的。

3.2 雷达资料、探空资料、地面资料在LAPS分析中的作用

为了检验雷达资料、探空资料、地面资料分别在LAPS分析中的作用。本文设计4种试验方案，分别计算各方案中各要素的均方根误差。4种方案设计如下(表 4)：方案一，仅有背景场；方案二，背景场中融合雷达资料、地面观测资料；方案三，背景场中融合探空资料、地面观测资料；方案四，背景场中融合雷达资料、探空资料、地面观测资料。

从表 2看出，融合了雷达资料、探空资料以及地面观测资料后的方案四中温度场、风场的均方根误差小于其他3种方案，说明LAPS同化观测资料后能改善温度场及风场的分析。方案二、方案四中温度场、风场的均方根误差小于方案一，说明雷达资料和探空资料在LAPS系统中能改善温度场以及风场的分析。高度场和相对湿度的误差略为增加的原因已用图 6说明。

综合上述分析可知，同时融合雷达资料、探空资料、地面观测资料时的分析场是最优的，这也体现了综合处理和融合观测资料的优越性。雷达资料及探空资料对于改善风场以及温度场的分析具有正效果。相对湿度场上不论是单独融合雷达、探空资料，还是综合融合两种资料，其效果相对于仅融合背景场都是使误差增大，这可能与LAPS系统水汽分析模块所使用的方法密切相关，需要进一步修正该水汽分析模块算法。

3.3 LAPS的应用评估:TS评分

许多局地的强降水过程是由中小尺度系统引起，当大尺度的天气系统与中小尺度系统相互作用时产生的混合性(系统性、局地性)降水常常引发连续性的强降水过程。LAPS作为一种中尺度分析场，携带着大量中尺度系统特征的信息，如果能将这些中尺度的信息恰当地反馈给数值预报模式，将能提高数值模式对强降水预报的准确率。为了求证LAPS在业务数值预报模式中的应用价值，从2009年汛期开始，开展了AREM模式分别以两种初始场进行每日降水预报的平行试验，方案一采用的初始场为NCEP预报场经三维变分同化探空资料和地面资料形成的分析场、侧边界为NCEP的预报场，以下简称该方案为AREM-SY^[12]；方案二采用的初始场是NCEP预报场经LAPS融合探空资料、地面资料、雷达资料形成的分析场、侧边界仍为NCEP预报场，以下简称AREM-RUC。对2009年下半年两种初始场每天08时和20时预报的降水进行了全国范围内的TS评分，下面给出2009年下半年AREM-SY和AREM-RUC降水预报0~24小时和12~36小时的TS评分。

图 7a是两种方案0~24小时降水预报的评分结果，可以看到从小雨到大暴雨的各个量级，AREM-RUC的TS评分均高于AREM-SY，特别是降水量越大，AREM-RUC较AREM-SY的提高越多，在大暴雨的量级上AREM-RUC能在AREM-SY的评分上增加50%；随着时效的增加，在12~36小时的评分中在小雨量级上AREM-RUC略低于AREM-SY，但中雨、大雨、暴雨、大暴雨上AREM-RUC的评分均明显高于AREM-SY。从TS评分的结果看，经LAPS融合观测资料后能明显改善AREM模式的初始场，提高AREM模式降水预报的准确率，在实际业务工作中具有较强的应用价值。

4 结论

本文简要介绍了LAPS系统及其运行流程、初步分析了LAPS分析场对中尺度系统特征的刻画能力，对LAPS分析场进行了定量的误差分析、应用AREM模式分别使用两种初始场进行降水预报，鉴于本文初步的分析可得如下结论：

(1) 利用LAPS融合地面观测资料、探空资料、雷达回波反射率所形成的中尺度分析场对中尺度系统有更细致的再现能力。

(2) 设计了融合不同观测资料的试验方案并计算了各种试验方案的均方根误差，定量对比分析了各种观测资料在LAPS系统中的作用，试验发现LAPS融合所有观测资料后得到的分析场是最优的，这体现了LAPS综合处理分析观测资料的能力以及综合使用观测资料的重要性。

(3) AREM模式分别使用三维变分同化和LAPS融合形成的初始场进行降水预报的TS评分表明：LAPS融合各种观测资料后能有效地改善模式的初始场，提高模式降水的预报准确率。