劉　垚,包云軒,*,魏　巍,陸明紅,劉萬(wàn)才

1 南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京　210044 2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京　210044 3 寧夏雷電防護(hù)技術(shù)中心,銀川　750002 4 農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,北京　100125

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復(fù)雜地形下褐飛虱遷飛的數(shù)值模擬:個(gè)例研究

劉垚1,2,包云軒1,2,*,魏巍3,陸明紅4,劉萬(wàn)才4

1 南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210044 2 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京210044 3 寧夏雷電防護(hù)技術(shù)中心,銀川750002 4 農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,北京100125

褐飛虱是影響我國(guó)水稻生產(chǎn)的重要遷飛性害蟲(chóng)之一,它的爆發(fā)嚴(yán)重影響水稻的生長(zhǎng),并誘發(fā)水稻病害,導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。研究復(fù)雜地形條件下褐飛虱的遷出蟲(chóng)源地、空中遷飛軌跡、降落區(qū),探明復(fù)雜地形對(duì)褐飛虱遷飛的影響機(jī)制,對(duì)害蟲(chóng)測(cè)報(bào)與防治、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)和保障我國(guó)糧食安全具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。為了分析覆蓋復(fù)雜地形的大氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)對(duì)褐飛虱遷入及降落分布的影響,采用WRF-Flexpart耦合軌跡計(jì)算模式和GIS空間分析等方法,對(duì)2008年9月30日—10月3日發(fā)生在廣東曲江、肇慶、梅縣三站和湖北宜昌、安徽東至、江西吉安三站的褐飛虱遷入和降落過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,以揭示復(fù)雜地形條件下褐飛虱種群降落和密度分布的時(shí)空變化結(jié)構(gòu)。(1)廣東曲江、肇慶、梅縣三站的后向軌跡模擬結(jié)果顯示,遷入三站的蟲(chóng)源均來(lái)自該站點(diǎn)的西北方向。地形較高且復(fù)雜多變時(shí),褐飛虱難以穿越且遷飛距離較短、方向多變。(2)湖北宜昌、安徽東至、江西吉安三站的前向軌跡模擬結(jié)果顯示,當(dāng)站點(diǎn)附近的山脈較低且有山谷通道,褐飛虱沿山脈順風(fēng)方向遷飛,且遷飛距離較遠(yuǎn)。當(dāng)山脈地勢(shì)較高且沒(méi)有明顯的山谷,則褐飛虱遇到山脈阻擋而轉(zhuǎn)向造成種群滯留。(3)褐飛虱遷飛種群的密度沿山脈走向呈帶狀分布,山坡較為陡峭、斷崖顯著時(shí),向遠(yuǎn)離山體的方向遷飛。若山脈由多個(gè)山嶺構(gòu)成,則褐飛虱可從其峽谷穿越,密度分布較為分散。(4)強(qiáng)水平氣流有利于褐飛虱的遠(yuǎn)距離遷飛,下沉氣流對(duì)褐飛虱降落起著重要的作用,當(dāng)有強(qiáng)下沉氣流且氣溫較高時(shí),有利于褐飛虱種群的降落,并聚集形成高密度遷入?yún)^(qū)。(5)垂直方向上,在一定的溫度范圍內(nèi),褐飛虱趨向于在暖層中遷飛。褐飛虱密度沿河谷地帶呈帶狀分布且密度高值區(qū)多分布在較溫暖的地區(qū)。秋季,褐飛虱降落區(qū)多分布在相對(duì)濕度50%左右的區(qū)域。模擬的褐飛虱遷飛軌跡、遷飛方位角和遷飛距離等與實(shí)際發(fā)生的褐飛虱遷飛路徑和降蟲(chóng)區(qū)之間偏差較小,該模擬方法較大程度地提高了我國(guó)遷飛性害蟲(chóng)的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)水平。未來(lái)擬提高測(cè)報(bào)褐飛虱蟲(chóng)情數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率,以為得到較高準(zhǔn)度和精度的模擬結(jié)果。

褐飛虱;地形;Flexpart;WRF;軌跡

褐飛虱,Nilaparvatalugens(St?l),是我國(guó)主要的水稻害蟲(chóng)之一,具群聚性、遠(yuǎn)距離遷飛性和危害突發(fā)性。僅以栽培水稻和野生稻為寄主,主要棲息于水稻近水面的莖底部分,以葉片和葉鞘汁液為食,能夠傳播水稻草狀叢矮病毒和水稻齒葉矮縮病毒,誘發(fā)水稻病害的發(fā)生,嚴(yán)重感染時(shí),使得水稻干枯、“冒穿”,造成明顯的減產(chǎn)[1]。每年春夏時(shí)節(jié),褐飛虱可以借助西南暖濕氣流向北長(zhǎng)距離遷飛和擴(kuò)散,尋找合適的環(huán)境以便生存和繁殖。當(dāng)秋季來(lái)臨,冬季風(fēng)開(kāi)始南下,寒冷而干燥的偏北風(fēng)迫使褐飛虱向溫暖濕潤(rùn)的南方回遷[2- 4]。昆蟲(chóng)遷飛研究從早期的人工觀(guān)測(cè)、觸發(fā)遷飛的條件分析、影響遷飛的生理生態(tài)因素探討等,到現(xiàn)在的昆蟲(chóng)雷達(dá)觀(guān)測(cè)、遷飛軌跡模擬等經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期。目前對(duì)昆蟲(chóng)遷飛的研究仍然是個(gè)比較困難的課題。1987年Rosenberg和Magor[5]利用天氣圖和氣象探空數(shù)據(jù)對(duì)秋季褐飛虱回遷進(jìn)行了研究,分析了不同遷飛距離和≥17℃等溫層高度等的遷飛特征。封傳紅等[6]通過(guò)劃分低空急流的風(fēng)速和范圍特征,利用軌跡模擬分析中國(guó)北方稻區(qū)稻飛虱大發(fā)生的蟲(chóng)源地和觸發(fā)成災(zāi)的動(dòng)力機(jī)制。而三維軌跡較之二維軌跡能更真實(shí)地反應(yīng)出褐飛虱遷飛的實(shí)際動(dòng)態(tài),胡繼超等[7]利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式輸出的風(fēng)溫場(chǎng)模擬結(jié)果計(jì)算褐飛虱秋季回遷的三維軌跡,并采用不同高度的實(shí)測(cè)風(fēng)計(jì)算所得的三維軌跡對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)效果顯示褐飛虱遷飛的源匯區(qū)域大體上與真實(shí)情況是一致的,但在遷飛距離和方位角上存在偏差。20世紀(jì)90年代后期,隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展,褐飛虱遷飛的大氣環(huán)流形勢(shì)和天氣背景相關(guān)研究也越來(lái)越多,取得了許多進(jìn)展,如褐飛虱遷飛的有利氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)等。包云軒等[8- 10]利用中尺度數(shù)值模式輸出的氣象場(chǎng),加入軌跡模擬起點(diǎn)、高度和時(shí)間等參數(shù)模擬出褐飛虱的遷飛軌跡,在此基礎(chǔ)上對(duì)我國(guó)褐飛虱北遷、南遷的過(guò)程分別進(jìn)行了數(shù)值模擬,采用三維軌跡分析方法,推算了褐飛虱的遷飛參數(shù),其結(jié)果與蟲(chóng)情田間實(shí)況普查、雷達(dá)觀(guān)測(cè)資料相吻合,闡明了褐飛虱遷飛行為的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。復(fù)雜地形條件下的大氣邊界層特征和物質(zhì)的輸送與擴(kuò)散規(guī)律一直是邊界層氣象學(xué)研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。不同地區(qū)由于復(fù)雜的下墊面條件,其邊界層特征及物質(zhì)輸送過(guò)程也不同,地形起伏會(huì)在其上方形成特殊的風(fēng)溫場(chǎng)和湍流場(chǎng),影響物質(zhì)的輸送和擴(kuò)散[11]。由于風(fēng)載昆蟲(chóng)與氣溶膠粒子具相似性,大氣擴(kuò)散模型被許多學(xué)者用于模擬昆蟲(chóng)遷飛軌跡與擴(kuò)散分布。拉格朗日混合單粒子軌跡模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT)計(jì)算在平流層受到平均風(fēng)場(chǎng)和氣流擴(kuò)散的情況下固定數(shù)量粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。而HYSPLIT模型也被用于模擬蝴蝶的遷飛軌跡,分析了蝴蝶遷飛的密度分布[12],以及蛾子隨氣流遠(yuǎn)距離遷飛至地中海北部的遷飛軌跡[13]等。本文采用另一種拉格朗日粒子擴(kuò)散模式——FLEXPART模式,研究復(fù)雜地形條件下褐飛虱的遷出蟲(chóng)源地、空中遷飛軌跡、降落區(qū),分析覆蓋復(fù)雜地形的大氣背景對(duì)褐飛虱遷飛及降落分布的影響,探明復(fù)雜地形對(duì)褐飛虱遷飛的影響機(jī)制,對(duì)害蟲(chóng)測(cè)報(bào)與防治、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)和保障我國(guó)糧食安全具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1　資料與方法

1.1研究區(qū)域

圖1　研究區(qū)域地形概況Fig.1　The terrain of the research area

我國(guó)長(zhǎng)江以南水稻主產(chǎn)區(qū)的地形以山地、丘陵為主,以南嶺為界,以北是江南丘陵,以南是兩廣丘陵,東部以武夷山為界,以東是浙閩丘陵,以西是江南丘陵。本文研究區(qū)域位于廣東省、江西省、安徽省和湖北省,屬于我國(guó)南方稻區(qū)。該地區(qū)主要以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?夏季炎熱多雨,最熱月平均氣溫大于22℃,冬季溫和濕潤(rùn),最冷月平均氣溫為0℃,氣溫隨季節(jié)的變化顯著,四季分明。年降水量在1000—1500 mm,降水量隨季節(jié)的變化相似,夏季降水較多,無(wú)明顯干季,而冬天降水量也較大。充足的雨量和日照時(shí)數(shù)對(duì)我國(guó)南方水稻生長(zhǎng)有利。

研究區(qū)域的地形較為復(fù)雜,南嶺位于閩、粵、桂、贛四省交界,是一條東西走向的山脈,由五個(gè)主要山嶺組成,地勢(shì)不高,僅有千余米(最高峰海拔約為2142m),地形較破碎。武夷山地處福建省與江西省的交界處,東北-西南走向,東西兩坡呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng)性,東坡舒緩,有層級(jí)地形發(fā)育;西坡陡峻,斷崖顯著。羅霄山脈是萬(wàn)洋山、諸廣山和武功山的統(tǒng)稱(chēng),位于中國(guó)湖南和江西的交界。羅霄山脈長(zhǎng)400km,主要山峰海拔多在1000m以上,組成羅霄山脈的幾座小山嶺則成東北-西南走向。鄱陽(yáng)湖位于江西省的北部,長(zhǎng)江中下游南岸。鄱陽(yáng)湖以松門(mén)山為界,分為南北兩部分,北面為入江水道,南面為主湖體。

1.2數(shù)據(jù)及個(gè)例概況

廣東、廣西兩省區(qū)水稻種植面積廣,水稻安全生育期多數(shù)地方為220—280d。以雙季稻為主,典型的晚稻品種一般在6月下旬播種,10月10日前后齊穗,11月中旬收獲。湖南、江西、福建、安徽、湖北5省的氣候均適宜水稻種植,也是我國(guó)的水稻產(chǎn)量大省。褐飛虱常年在這些省、區(qū)活動(dòng),發(fā)生面積大,危害嚴(yán)重,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[14]。

褐飛虱蟲(chóng)情資料為逐日褐飛虱燈誘資料,來(lái)源于農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心。氣象再分析資料由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)提供,空間分辨率為1°×1°,時(shí)間間隔為6h的FNL氣象再分析場(chǎng)資料?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括STRM 90m高程由國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供。

1.3方法1.3.1WRF模式及參數(shù)化方案

本研究中采用的WRF模式版本為3.6,設(shè)置雙向三重嵌套,模擬采用1°×1°的NCEP全球氣象再分析資料,水平范圍以點(diǎn)(113.84°E,26.90°N)為中心,模式垂直分為27層,模式積分初始時(shí)刻為2008年9月30日21:00(UTC,下同),結(jié)束時(shí)刻為10月3日00:00,積分時(shí)間步長(zhǎng)為180s,模式配置及參數(shù)化方案設(shè)置見(jiàn)表1,結(jié)果每小時(shí)輸出1次,以最內(nèi)層嵌套區(qū)域輸出的物理量場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。

表1　WRF模式配置及方案選擇

1.3.2FLEXPART模式及參數(shù)設(shè)置

FLEXPART模式是一種拉格朗日粒子擴(kuò)散模式,適用于模擬大范圍的大氣傳輸過(guò)程。該模式由挪威大氣研究所(Norwegian Institute for Air Research, NILU)開(kāi)發(fā)[15],可以計(jì)算不同釋放源(點(diǎn)、線(xiàn)、面或體積源)的軌跡,模擬不同粒子(或氣團(tuán)、示蹤物)在大氣中長(zhǎng)距離、中尺度的擴(kuò)散等過(guò)程。FLEXPART模式可以應(yīng)用前向運(yùn)算來(lái)模擬放射性物質(zhì)或空氣污染物等的擴(kuò)散,也可以通過(guò)后向運(yùn)算來(lái)確定對(duì)于測(cè)定排放源(如溫室氣體和火山灰)等有潛在影響的什么的分布區(qū)域,當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)的觀(guān)測(cè)站點(diǎn)比排放源的數(shù)量少時(shí),后向運(yùn)算更具有優(yōu)勢(shì)[16]。

本研究采用WRF-FLEXPART耦合模式,使用WRF輸出結(jié)果作為FLEXPART模式的氣象驅(qū)動(dòng)場(chǎng),采用前向和后向模擬,對(duì)比分析復(fù)雜地形條件下褐飛虱的遷飛特征及其密度分布。其中,后向模擬使用真實(shí)的褐飛虱測(cè)報(bào)數(shù)據(jù),即2008年9月30日至10月3日(北京時(shí))的累計(jì)蟲(chóng)量,設(shè)置廣東曲江站(24.68°N,113.68°E)、肇慶站(23.05°N,112.47°E)和梅縣站(24.28°N,116.05°E)作為釋放點(diǎn)源,即降蟲(chóng)地。前向模擬使用假設(shè)數(shù)據(jù)釋放,設(shè)置湖北宜昌站(30.42°N,111.18°E)、安徽東至站(30.06°N,117.01°E)和江西吉安站(27.07°N,114.58°E)作為釋放點(diǎn)源,即遷出蟲(chóng)源地。前向和后向模擬開(kāi)始釋放時(shí)間均為2008年10月1日18：00,模式模擬時(shí)長(zhǎng)均為2008年9月30日21：00至10月3日00：00,采樣率為1200s,同步間隔600s,結(jié)果每小時(shí)輸出1次。

1.3.3軌跡及密度計(jì)算方法

由FLEXPART模式獲得不同站點(diǎn)釋放褐飛虱的連續(xù)位置,利用GIS空間分析法對(duì)不同站點(diǎn)的各時(shí)刻褐飛虱位置點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合,可以得到褐飛虱遷飛的軌跡。同樣,對(duì)各時(shí)刻的褐飛虱做點(diǎn)密度分析,得到褐飛虱遷飛的密度分布。

2　結(jié)果與分析2.1　褐飛虱蟲(chóng)量特征

2008年9月30日至10月3日褐飛虱蟲(chóng)量空間分布如圖2,褐飛虱由北向南遷入稻區(qū),該區(qū)域內(nèi)各站蟲(chóng)量都各有增減。在該時(shí)間內(nèi),褐飛虱蟲(chóng)量主要分布在安徽省南部、湖北省南部和廣東省。相對(duì)于廣東省褐飛虱蟲(chóng)量分布范圍廣而言,廣西壯族自治區(qū)、湖南省、江西省和福建省的褐飛虱蟲(chóng)量則非常少。9月30日褐飛虱主要分布在安徽省南部、湖北省南部和廣東省等地,安徽省南部的褐飛虱蟲(chóng)量持續(xù)高值(圖2)。湖北省中部和廣東省東部的褐飛虱降蟲(chóng)量也較多,達(dá)上萬(wàn)頭。10月1日安徽省南部的降蟲(chóng)量明顯增加,廣東省大部分地區(qū)蟲(chóng)量逐漸增加,而沿海的個(gè)別站點(diǎn)減少(圖2)。2日湖北省南部褐飛虱蟲(chóng)量依然很多,而安徽省南部蟲(chóng)量逐漸減少,廣東省北部蟲(chóng)量逐漸增加(圖2)。3日湖北省南部褐飛虱蟲(chóng)量急劇減少,廣東省北部褐飛虱蟲(chóng)量快速增加(圖2)。

圖2　中國(guó)南方稻區(qū)褐飛虱燈誘蟲(chóng)量分布Fig.2　Distribution of N. lugens′ light trap catches in the rice-growing regions of the south China

2.2局地大氣條件2.2.1風(fēng)溫場(chǎng)空間分析

從2008年10月1日18:00 925hPa風(fēng)溫場(chǎng)(圖3)可以看出,安徽南部、湖北東部、湖南東部、江西全省和廣東北部盛行東北風(fēng),風(fēng)速為2—10m/s;湖北西部以東風(fēng)為主,風(fēng)速均較小,為1—4 m/s。湖北西部山區(qū)(大巴山、巫山等)、南嶺、武夷山脈和羅霄山的氣溫很低,約在18℃以下,而山脈之間的谷地較為溫暖。兩廣地區(qū)氣溫較高均在20℃以上。10月1日22:00(圖3),我國(guó)東南地區(qū)逐漸降溫,風(fēng)速減小,湖北省、湖南省大部、江西省和廣東省北部保持東北風(fēng)且風(fēng)速降至2m/s。南嶺、武夷山脈和羅霄山氣溫降至16℃左右,兩廣地區(qū)氣溫也略有下降。10月2日8:00(圖3),我國(guó)南方氣溫急劇降低,風(fēng)速減小至2—6 m/s。長(zhǎng)江下游地區(qū)氣溫均在16℃以下,盛行北風(fēng)或東北風(fēng)。廣西、廣東氣溫也降至20℃以下。10月2日16:00(圖3),我國(guó)南方氣溫有所回升,風(fēng)向由北風(fēng)或東北風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng),風(fēng)速增加,約在4—8 m/s。廣西、廣東氣溫回升至20℃以上,且境內(nèi)多為偏東風(fēng),風(fēng)速較大約為6—8m/s。

圖3　華南地區(qū)925hPa風(fēng)溫場(chǎng)Fig.3　Wind field and temperature field on 925hPa isobaric surface

2.2.2風(fēng)溫場(chǎng)垂直分布

圖4是2008年10月1日18:00至2日16:00氣溫和垂直速度分別沿點(diǎn)(22°N,112°E)至點(diǎn)(32°N,118°E)的剖面圖。10月1日18:00(圖4),在點(diǎn)(28°N,115°E)附近高空有下沉氣流,其垂直速度約為-3×10-2m/s,低空氣溫約為20—22℃,這樣的條件有利于褐飛虱降落遷入本地。該區(qū)域以北地區(qū)氣溫較低,15℃等溫層約在900hPa,促使褐飛虱向南方遷飛。10月1日22:00(圖4),曲江站附近高空有下沉氣流,垂直速度-3×10-2m/s。10月2日08:00(圖4),曲江站附近有強(qiáng)烈的下沉氣流,垂直速度-6×10-2m/s,低空氣溫較高在24℃以上。10月2日16:00(圖4),曲江站附近下沉氣流仍然存在,垂直速度-2×10-2m/s,低空氣溫有所下降在20—24℃左右。在曲江站附近存在較為明顯的垂直對(duì)流,而且距其較近的區(qū)域有下沉氣流,對(duì)于褐飛虱降落提供了有利條件。氣溫的垂直分布一定程度上說(shuō)明了褐飛虱趨向于向著溫暖的地方遷飛。當(dāng)遇到強(qiáng)下沉氣流時(shí),會(huì)使稻飛虱迫降,降落區(qū)種群數(shù)量大增[17]。

圖4　 氣溫和垂直速度沿點(diǎn)(22°N,112°E)至點(diǎn)(32°N,118°E)剖面圖Fig.4　Pattern of temperature and vertical speed along(22°N,112°E)—(32°N,118°E)

2.2.3相對(duì)濕度垂直分布

圖5是2008年10月1日13:00 至2日16:00 相對(duì)濕度沿點(diǎn)(22°N,112°E)至點(diǎn)(32°N,118°E)剖面圖。10月1日13:00 至22:00 (圖5),曲江站附近低層相對(duì)濕度較周?chē)?。?13.5°E—117°E范圍內(nèi)中低層大氣相對(duì)濕度較大在70%以上,在114°E—115°E區(qū)域大氣相對(duì)濕度可達(dá)到80%以上。點(diǎn)(30°N,117°E)東北方向高空相對(duì)濕度低于20%,褐飛虱是一種喜濕的遷飛性昆蟲(chóng),在遷飛過(guò)程中會(huì)趨向于濕度較大的地方遷飛。而且秋季相對(duì)濕度40%—50%有利于褐飛虱遷飛和降落,而40%—50%相對(duì)濕度帶的高度由115°E附近上空向西南逐漸降低,褐飛虱易于向西南遷飛而不易向地面降落。10月2日08:00 (圖5),東北方向濕度較低的空氣逐漸向西南擴(kuò)散,且點(diǎn)(23.5°N,113°E)附近高空相對(duì)濕度也低于30%,點(diǎn)(30°N,117°E)與點(diǎn)(23.5°N,113°E)之間區(qū)域相對(duì)濕度在50%左右,有利于秋季褐飛虱遷飛和降落。10月2日16:00 (圖5),干空氣繼續(xù)向西南方向移動(dòng),在113°E—117°E范圍內(nèi)中低層大氣相對(duì)濕度增加可達(dá)60%以上,而曲江站附近低層相對(duì)濕度較周?chē)?在60%以下,較之10月2日08:00，相對(duì)濕度明顯增加,將有利于褐飛虱遷入后繁殖生存。

圖5　相對(duì)濕度沿(22°N,112°E)—(32°N,118°E)剖面圖Fig.5　Pattern of relative humidity along(22°N,112°E)—(32°N,118°E)

2.3褐飛虱遷飛特征分析

氣溫的空間分布決定了褐飛虱遷飛的空間區(qū)域,15℃等溫線(xiàn)限定了褐飛虱成層遠(yuǎn)距離遷飛的上限高度,空中氣溫的變化決定褐飛虱遷飛高度[5,18]。

2.3.1褐飛虱遷飛軌跡特征

研究區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜,由于海拔、坡度等不同,接收到的太陽(yáng)輻射不同,導(dǎo)致氣溫變化差異明顯。地形對(duì)局地風(fēng)速風(fēng)向的影響也是很復(fù)雜的。褐飛虱的遷飛軌跡不僅受空中氣溫分布的影響,還受到飛行高度上風(fēng)速風(fēng)向的影響。由于復(fù)雜地形條件下,局地氣溫及風(fēng)速風(fēng)向是復(fù)雜而多變的,如山頂?shù)臍鉁厝蛰^差小于山谷,同一海波高度,陽(yáng)坡的氣溫高于陰坡等等。對(duì)2008年10月1日18:00 、22:00 、2日8:00 和16:00 的擬合軌跡曲線(xiàn)進(jìn)行分析,該時(shí)間段氣溫及風(fēng)速風(fēng)向隨時(shí)間的變化決定了褐飛虱的遷飛軌跡。后向模擬時(shí)間段內(nèi)(圖6),曲江站和肇慶站的褐飛虱主要來(lái)自于江西省北部,從江西省北部沿武夷山脈與羅霄山間的谷地向廣東中部遷飛。褐飛虱沿山脈走向,往低地勢(shì)遷飛,遷飛軌跡自東北—西南方向有一個(gè)向內(nèi)陸的微小弧度。而梅縣站西北方向?yàn)檎汩}丘陵,地勢(shì)普遍較高,不利于褐飛虱的遷飛與擴(kuò)散。從前向模擬結(jié)果(圖6)看出,湖北西部地形較高,宜昌站遷出的褐飛虱無(wú)法穿越此處山脈,其遷飛距離較近,對(duì)周?chē)貐^(qū)的蟲(chóng)量貢獻(xiàn)較大。而東至站遷出的褐飛虱向西南遷飛時(shí),遇到幕阜山和九嶺山的阻擋會(huì)轉(zhuǎn)向南遷入江西省中部,對(duì)該地區(qū)的蟲(chóng)源貢獻(xiàn)較大。吉安站遷出的褐飛虱借道羅霄山谷,沿南嶺南麓向西南方向遷入湖南境內(nèi)。

圖6　2008年10月1日18:00、22:00、2日8:00和16:00褐飛虱遷飛模擬軌跡 Fig.6　Trajectories of N. lugens′ populations at 18:00 and 22:00 on Oct 1st, at 08:00 and 16:00 on Oct 2nd in 2008

圖7　褐飛虱遷飛模擬方位角和距離Fig.7　Azimuth angle and distance of N. lugens′ migration

采用Vincenty方法計(jì)算褐飛虱遷飛的方位角和遷飛距離(圖7),以正北和正東方向?yàn)檎较?。廣東省內(nèi)后向模擬3個(gè)站,其蟲(chóng)源均來(lái)自東北方向。曲江站和肇慶站東北部有一山谷通道,褐飛虱可由該通道順風(fēng)遷飛和擴(kuò)散,蟲(chóng)量來(lái)源以東北偏北方向?yàn)橹?。而梅縣站的東北方向?yàn)檎汩}丘陵,地形較高且復(fù)雜多變,褐飛虱難以穿越且遷飛距離近、方向多變,所以蟲(chóng)量來(lái)源多以廣東省和福建省的交界處——地勢(shì)較低的區(qū)域?yàn)橹?。前向模擬結(jié)果中,東至站與吉安站附近的山脈較低且有山谷通道使得褐飛虱可以穿越,這兩個(gè)站點(diǎn)的褐飛虱是沿山脈順西南方向遷飛的,且遷飛距離也較為相近。宜昌站位于山腳下,該處山脈地勢(shì)高且沒(méi)有明顯的山谷,因此,宜昌站的褐飛虱向西南遷飛時(shí),會(huì)遇到山脈的阻擋而轉(zhuǎn)向西北偏西,造成褐飛虱滯留在本地的水稻種植區(qū)。

2.3.2褐飛虱遷飛密度特征

褐飛虱黃昏和黎明會(huì)有兩次起飛遷出[19],而Otuka等[20]認(rèn)為褐飛虱遷飛模擬最大時(shí)長(zhǎng)為59h較為合適。采用GIS空間分析法分析前向、后向模擬的褐飛虱遷飛密度分布,后向模擬時(shí)長(zhǎng)14h(圖8),曲江和肇慶的褐飛虱蟲(chóng)源地相同,主要來(lái)自于江西省境內(nèi),而梅縣的褐飛虱則來(lái)自于福建省東南部。在褐飛虱密度高值區(qū)附近高空有下沉氣流,低空氣溫在20—22℃左右(圖3,圖4),這樣的天氣條件有利于褐飛虱遷入。該區(qū)域以北地區(qū)氣溫較低,促使褐飛虱向較暖的南方遷飛。遷飛18h(圖8)和27h(圖8)的褐飛虱密度高值區(qū)位于江西與廣東兩省交界處和江西中部,褐飛虱密度分布沿武夷山和羅霄山之間的山谷分布呈東北-西南走向。曲江站附近高空有下沉氣流(圖4)。褐飛虱密度高值區(qū)附近高空無(wú)明顯的下沉氣流,其低空氣溫略高于周?chē)?約在16—18℃之間(圖3)。江西省中部(28.5°N,116.5°E)附近褐飛虱密度較高,范圍較大,而(26.5°N,115°E)附近褐飛虱密度也屬于高值區(qū),但其范圍很小。而曲江站附近有強(qiáng)烈的下沉氣流,低空氣溫較高(圖3,圖4)。遷飛36h(圖8)的褐飛虱密度分布范圍從江西北部至廣東曲江,在江西中部和西南部形成了密度較高的區(qū)域,高值區(qū)均處于300m以下的河谷地。梅縣的褐飛虱蟲(chóng)源則來(lái)自福建省,江西省的褐飛虱蟲(chóng)源極少翻越武夷山為當(dāng)?shù)刈髫暙I(xiàn)。曲江站附近有下沉氣流,低空氣溫約為20—24℃(圖3,圖4)。曲江站附近下沉氣流利于褐飛虱聚集形成密度的高值區(qū),當(dāng)有強(qiáng)烈的下沉氣流且氣溫較高時(shí),有利于褐飛虱向地面降落。

總體上,褐飛虱密度分布位于武夷山脈西側(cè),呈平行走向,武夷山脈西坡較為陡峭、斷崖顯著,褐飛虱遠(yuǎn)離山體從東北—西南方向遷飛,密度分布在武夷山西坡較為均勻。羅霄山由多個(gè)山嶺構(gòu)成,褐飛虱可沿其連接的、地勢(shì)低的地方穿越,密度分布較為分散。褐飛虱密度沿河谷地帶分布且高值區(qū)多分布在較溫暖的地區(qū)。同時(shí),南遷至廣東省曲江站的褐飛虱來(lái)源基本在江西省境內(nèi),極少數(shù)來(lái)自于湖北東南部和湖南東北部。

圖8　不同遷飛歷時(shí)的褐飛虱降落密度分布(后向模擬)Fig.8　Distribution of N. lugens′ land falling density in different migration directions (Backward simulation)

前向模擬時(shí)長(zhǎng)14h(圖9),宜昌站遷出的褐飛虱向周?chē)鷶U(kuò)散的密度分布較為一致,而東至和吉安站遷出的褐飛虱向西南方向擴(kuò)散的分布密度較大,密度較高的區(qū)域集中在該站點(diǎn)的西南方向。從東至和吉安站遷出18h和27 h(圖9)的褐飛虱種群隨著氣流的進(jìn)一步向西南方向擴(kuò)散,受山體和山谷走向的影響有不同程度的偏向。而宜昌站遷出的褐飛虱受到其西部山脈的阻擋,褐飛虱隨氣流折向西北偏西或向南部擴(kuò)散。從東至和吉安站遷出36 h的褐飛虱種群進(jìn)一步沿山勢(shì)地形向西南方向擴(kuò)散(圖9),而從宜昌站遷出的褐飛虱繞過(guò)山體向西或西南方向擴(kuò)散。對(duì)照褐飛虱擴(kuò)散密度分布圖(圖8,圖9)可以發(fā)現(xiàn),褐飛虱沿順風(fēng)方向遷飛,風(fēng)速較大時(shí)利于褐飛虱的水平輸送,當(dāng)風(fēng)速為3—8 m/s時(shí)褐飛虱遷飛很明顯,遷飛方向基本與風(fēng)向一致[21]。

圖9　不同遷飛歷時(shí)的褐飛虱種群降落密度分布(前向模擬)Fig.9　Distribution of N. lugens′ land falling density in different migration directions (Forward simulation)

3　結(jié)論

本文利用2008年褐飛虱逐日燈誘數(shù)據(jù),選取軌跡計(jì)算相關(guān)參數(shù)如起飛、降落時(shí)間和遷飛高度等,通過(guò)WRF-Flexpart耦合模式模擬了2008年9月30日至10月3日褐飛虱南遷過(guò)程的遷飛軌跡,分析了種群降落密度的時(shí)空分布特征,并對(duì)復(fù)雜地形條件下褐飛虱遷飛的大氣條件進(jìn)行了探討,研究得到如下結(jié)論：從后向模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),褐飛虱種群多沿地勢(shì)較低的、順山脈走向的山谷飛行,遷飛軌跡沿從東北至西南方向降落有一個(gè)向內(nèi)陸的微小弧度。曲江站、梅縣站和肇慶站3個(gè)站褐飛虱的遷入蟲(chóng)源均來(lái)自站點(diǎn)的東北方向,若站點(diǎn)上游地區(qū)地勢(shì)較低,褐飛虱遷飛的距離則較長(zhǎng);若上游地區(qū)地形較高且復(fù)雜多變時(shí),褐飛虱難以穿越,則進(jìn)行距離較近、方向多變的遷飛。褐飛虱在平原地區(qū)擴(kuò)散較山區(qū)快,沿河谷地帶降落密度較高。褐飛虱降落區(qū)與山脈走向一致,當(dāng)山脈較為陡峭或斷崖較多時(shí),褐飛虱則向偏離山體的方向遷飛,降蟲(chóng)區(qū)帶狀分布在斷崖或陡峭的山坡西側(cè),形狀較為平整。若山脈由多個(gè)山嶺組成,褐飛虱可沿其地勢(shì)低的山谷穿越,其降蟲(chóng)區(qū)密度分布較為分散。前向模擬結(jié)果顯示,若站點(diǎn)附近的山脈較低且有山谷通道,褐飛虱沿山脈順風(fēng)方向遷飛,且遷飛距離較遠(yuǎn)。若山脈地勢(shì)高且沒(méi)有明顯的山谷,褐飛虱遇山脈阻擋而轉(zhuǎn)向造成種群滯留。褐飛虱遷飛軌跡會(huì)受山體和山谷走向的影響產(chǎn)生不同程度的偏向。若褐飛虱遷飛前進(jìn)方向上地形較為平坦或遇有山谷的地形時(shí),褐飛虱遷飛和擴(kuò)散較快,其降蟲(chóng)區(qū)密度在平原區(qū)分布較為一致,有山谷時(shí)會(huì)沿山谷走向平行分布。若其前進(jìn)方向上山峰較高且無(wú)山谷時(shí),褐飛虱會(huì)轉(zhuǎn)向或繞山體遷飛,不易擴(kuò)散。

4　討論

褐飛虱是一種喜溫濕的風(fēng)載遷飛性害蟲(chóng),其種群動(dòng)態(tài)變化和遷飛行為不僅與水稻生育期、地理?xiàng)l件以及天氣氣候條件有關(guān),還與病蟲(chóng)害管理與控制策略有關(guān)[22-23]。秋季,我國(guó)北方和中部稻區(qū)氣溫降低、水稻逐漸趨于黃熟,褐飛虱種群生境惡化,會(huì)迫使其向溫暖的南方遷飛,以獲得足夠的食物、熱量及適宜的生存環(huán)境。若遷飛地(或降蟲(chóng)區(qū))的條件(風(fēng)、溫度、濕度、食物和天敵等)有利,褐飛虱種群會(huì)快速的繁殖增長(zhǎng)并危害水稻生長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)此次褐飛虱南遷過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn),褐飛虱順風(fēng)遷飛,秋季東北風(fēng)有助于褐飛虱南遷。較強(qiáng)的水平氣流有利于褐飛虱的長(zhǎng)距離遷飛,強(qiáng)下沉氣流則對(duì)褐飛虱的遷飛起到重要的迫降作用。當(dāng)有強(qiáng)烈的下沉氣流且氣溫較高時(shí),有利于褐飛虱向地面降落,聚集形成高密度區(qū)。褐飛虱的起飛、水平飛行、降落都與局地溫度變化有關(guān),褐飛虱遷飛的閾值溫度約為16℃[23-24]。受氣溫的垂直分布影響,褐飛虱降蟲(chóng)密度沿河谷地帶分布且密度高值區(qū)多分布在較溫暖的地區(qū),這在一定程度上說(shuō)明了褐飛虱趨向于向著溫暖的區(qū)域遷飛,與胡高等[25]的研究結(jié)論一致。而遷飛場(chǎng)的濕度條件是影響褐飛虱空中遷飛的另一個(gè)決定因素,秋季褐飛虱遷飛種群多分布在濕度大的空中區(qū)域,本研究模擬的褐飛虱降落區(qū)多在相對(duì)濕度50%以上的地區(qū),這與秋季相對(duì)濕度40%—50%有利于褐飛虱遷飛和種群增長(zhǎng)的結(jié)論相吻合[26]。

本研究模擬的2008年9月30日至10月3日的褐飛虱南遷過(guò)程與同期實(shí)際的蟲(chóng)情燈誘數(shù)據(jù)分析結(jié)果較為一致。但由于模型初始設(shè)計(jì)為非生物粒子擴(kuò)散,并未考慮褐飛虱遷飛過(guò)程中的主動(dòng)性,因此,模擬所得的遷飛軌跡、遷飛方位角和遷飛距離等與實(shí)際發(fā)生的褐飛虱遷飛路徑和降蟲(chóng)區(qū)之間還存在一定程度的偏差。由于實(shí)際測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)中,褐飛虱燈誘和田間普查時(shí)次少、空間密度稀、缺乏時(shí)空連續(xù)的蟲(chóng)情數(shù)據(jù),且目前用于定點(diǎn)遷飛動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的昆蟲(chóng)雷達(dá)使用較少,且沒(méi)有可行的四維動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工具,因此,這一偏差的糾正需要較長(zhǎng)時(shí)間的等待。

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Simulations of the migration of the brown planthopper,Nilaparvatalugens(St?l), across the complex terrain of China: a case study

LIU Yao1,2, BAO Yunxuan1,2,*, WEI Wei3, LU Minghong4, LIU Wancai4

1KeyLaboratoryofAgriculturalMeteorologyinJiangsuProvince,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China2CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China3NingxiaLightningProtectionTechniqueCentre,Yinchuan750002,China4NationalAgriculturalTechnologyExtensionandServiceCenter,MinistryofAgricultural,Beijing100125,China

The brown planthopper,Nilaparvatalugens(St?l), is one of the most damaging pests affecting rice production in China. An outbreak ofN.lugenscan increase the incidence of disease and insect pest damage, both of which seriously affect the growth and the yield of rice. In order to analyze the influence of atmospheric dynamics, temperature, humidity, and other meteorological factors on the migration and density distribution ofN.lugensover complex terrain, numerical simulations were performed. These simulations coupled the Flexpart model with the Weather Research and Forecast Model and the spatial analysis functions of GIS. These models and programs were used to simulate theN.lugensimmigration and landing event that occurred at 6 plant protection stations, including Qujiang, Zhaoqing, Meixian in the Guangdong Province and Yichang in the Hubei Province, Ji′an in the Jiangxi Province, and Dongzhi in the Anhui Province, from September 30thto October 3rdin 2008 (BST). The simulation was in turn used to investigate the spatio-temporal distribution of theN.lugens′ landing and density patterns as they passed through the complex terrain of China. (1) The simulation of the reverse trajectory of the insects showed that theN.lugensat all three stations all originated from sites in the northwest. As the site of origin was in an area of complex terrain, the migration distances of theN.lugenswere much shorter, and the direction was changeable and unpredictable. (2) According to the results of simulations of forward trajectories, if the mountains were low and were with a valley as channel forN.lugens′ migration,N.lugenscould migrate along two mountainsides, lengthening their travel distance. If the mountains were high and there were no obvious valleys, migratingN.lugenscould would directions and stay in their location of origin, because their route was blocked by the mountains. (3) When the slope of the mountains was steep, the density of theN.lugenswas distributed along the mountains, becauseN.lugenscould migrate along the mountain range. If the mountains consisted of multiple hills and peaks,N.lugenscould pass through the areas of lower elevation, leading the density ofN.lugensto be sporadically distributed. (4) The northeast wind allowedN.lugensto migrate further. Downdrafts coupled with high temperatures in this area, were conducive toN.lugensmaking landfall in higher densities. (5) To a certain extent, the result of the analysis of temperature distribution showed thatN.lugensmigrated towards warm areas. Ultimately, this led to the result that a higher density ofN.lugensmade landfall in warmer areas and along river valleys. In autumn,N.lugenslanded in regions where the relative humidity was over 50%. There are some deviations fromN.lugens′ immigration trajectories, azimuth angles, and differences between simulated results and actual observations. These results indicate that this simulation can considerably enhance the ability of various operations to forecast of the movements of migratory pests in China. In future, we plan to improve the spatial and temporal resolution of the observational data ofN.lugens, which will allow us to achieve more robust simulated results.

Nilaparvatalugens(St?l); terrain; Flexpart Model; WRF Model; trajectory

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41475106, 41075086);江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX(12)3056);江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(14KJA170003);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXLX13_496);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(IRT1147)

2015- 01- 21;

2016- 03- 21

Corresponding author.E-mail: baoyx@nuist.edu.cn

10.5846/stxb201501210173

劉垚,包云軒,魏巍,陸明紅,劉萬(wàn)才.復(fù)雜地形下褐飛虱遷飛的數(shù)值模擬:個(gè)例研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(16):5263- 5275.

Liu Y, Bao Y X, Wei W, Lu M H, Liu W C.Simulations of the migration of the brown planthopper,Nilaparvatalugens(St?l), across the complex terrain of China: a case study.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5263- 5275.