包云軒，尚 潔，孫思思，謝曉金，陸明紅，劉萬(wàn)才

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)和評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/南京信息工程大學(xué)，南京 210044 2 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南京信息工程大學(xué)，南京 210044 3 農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與服務(wù)中心，北京 100125

褐飛虱，Nilaparvatalugens(st?l)，是東亞和東南亞地區(qū)水稻生產(chǎn)上危害性最強(qiáng)的害蟲(chóng)之一，通過(guò)直接吸取水稻的液態(tài)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和傳播水稻草叢狀矮縮病、鋸齒矮縮病等病毒而導(dǎo)致水稻嚴(yán)重減產(chǎn)[1]，具有群聚性、遠(yuǎn)距離遷飛性和災(zāi)變突發(fā)性等特點(diǎn)[2]。褐飛虱的生存和繁殖需要合適的溫度和水稻寄主，為了尋找合適的棲息地，褐飛虱每年在東南亞和東亞地區(qū)進(jìn)行季節(jié)性的南北往返遷飛[3- 5]。每年3月—5月褐飛虱從東南亞地區(qū)開(kāi)始北遷進(jìn)入中國(guó)境內(nèi)的華南和西南稻區(qū)，繁殖一代后繼續(xù)向北遷飛擴(kuò)散，從南向北每增加兩個(gè)地理緯度，褐飛虱的年發(fā)生減少一個(gè)世代，其中云南地區(qū)的褐飛虱可繁殖8—9代。從4月下旬到8月上旬，褐飛虱約發(fā)生5次重大北遷過(guò)程，繁殖的后代可覆蓋中國(guó)乃至日本和朝鮮半島的整個(gè)東亞水稻生長(zhǎng)區(qū)。8月底9月初，褐飛虱開(kāi)始向南回遷至溫度較高的地區(qū)，發(fā)生2次重大南遷過(guò)程；10月底，大多數(shù)褐飛虱種群遷飛至境外可以安全越冬的地域[3,6- 9]。

中國(guó)的溫帶、亞熱帶和熱帶大部分地區(qū)無(wú)法為褐飛虱提供合適的越冬條件，每年的初始褐飛虱遷入種群大多為3月底從中南半島北遷進(jìn)來(lái)的境外蟲(chóng)源。云南省地處低緯度高原地區(qū)，與越南、老撾、緬甸等地接壤(圖1)，錯(cuò)綜復(fù)雜的地形地貌使得省內(nèi)溫度的水平、垂直分布差異較大，也造就了云南水稻種植制度的多樣化。云南中部和東北部為一季中稻區(qū)，西南部和南部是雙季稻區(qū)，早中晚稻混栽，終年有水稻生長(zhǎng)[10]，這為褐飛虱的北遷提供了棲息地，每年3月開(kāi)始褐飛虱陸續(xù)遷入云南南部和東南部地區(qū)，趨集于當(dāng)?shù)氐脑绲竞驮缭灾械旧戏敝碁楹?，?duì)云南本地的水稻生長(zhǎng)造成嚴(yán)重危害，并為當(dāng)年更北緯度的中國(guó)境內(nèi)褐飛虱的爆發(fā)成災(zāi)積累了初始蟲(chóng)源[11]。云南因其特殊的地理位置，與廣西并列東南亞境外蟲(chóng)源北遷進(jìn)入中國(guó)的第一站，但是由于地形復(fù)雜、科研力量薄弱、測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)缺乏等原因，對(duì)云南省褐飛虱遷飛路徑尚未有系統(tǒng)的研究，本文根據(jù)云南省現(xiàn)有的褐飛虱燈誘數(shù)據(jù)記錄，對(duì)云南省早期遷入種群的遷飛路徑進(jìn)行分析，追溯境外蟲(chóng)源地，可以根據(jù)蟲(chóng)源地褐飛虱生物型和抗藥性實(shí)現(xiàn)褐飛虱的源頭治理，對(duì)當(dāng)年中國(guó)褐飛虱的爆發(fā)預(yù)警具有重要意義[11]。

目前，對(duì)于國(guó)內(nèi)外稻飛虱的軌跡模擬[11- 16]多采用HYSPLIT模式(the Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)，該模式依賴(lài)天氣預(yù)報(bào)模式提供的風(fēng)場(chǎng)，追溯遷飛昆蟲(chóng)的遷出蟲(chóng)源地、遷飛路徑和降落區(qū)。為了更全面地反應(yīng)不同尺度天氣過(guò)程對(duì)褐飛虱起飛、空中飛行和降落的動(dòng)力作用，本文采用WRF-Flexpart耦合模式對(duì)褐飛虱的遷飛軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬。包云軒等[14]對(duì)WRF- HYSPLIT和WRF-Flexpart兩種軌跡模式進(jìn)行了比較研究，表明WRF-Flexpart模式在計(jì)算軌跡的過(guò)程中較WRF-HYSPLIT多考慮了對(duì)流參數(shù)、地表脅迫和各種地形參數(shù)，能更客觀地反應(yīng)各軌跡參數(shù)的起伏變化；劉垚等[17- 18]利用WRF-Flexpart耦合模式對(duì)復(fù)雜地形條件下褐飛虱遷飛進(jìn)行了數(shù)值模擬，表明該模式適用于褐飛虱遷飛軌跡的模擬，并且能較好地反應(yīng)地表物理過(guò)程、大氣湍流結(jié)構(gòu)和地形起伏對(duì)褐飛虱種群遷飛的影響。

近年來(lái)，由于全球氣候變暖、水稻耕作制度變化和褐飛虱自身抗藥性増加，褐飛虱遷飛規(guī)律和區(qū)域性降落特征已發(fā)生明顯的變化，其遷出蟲(chóng)源地、遷飛路徑、降落區(qū)均變得更為復(fù)雜[19]。本文根據(jù)云南省褐飛虱燈誘逐日數(shù)據(jù)，通過(guò)分析選取合適的年份、站點(diǎn)，利用WRF-Flexpart耦合模式對(duì)選取的個(gè)例燈下高峰日進(jìn)行軌跡模擬，結(jié)合遷飛期間的大氣環(huán)流形勢(shì)和天氣背景分析，明確近年來(lái)云南早期褐飛虱遷入種群的蟲(chóng)源地分布狀況，探討種群遷入和降落的大氣背景，以期為褐飛虱的跨境監(jiān)測(cè)、源頭治理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

(1)蟲(chóng)情資料：褐飛虱蟲(chóng)情數(shù)據(jù)由全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心提供，整理可得到云南省褐飛虱逐日燈誘數(shù)據(jù)。

(2)氣象資料：為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的FNL氣象再分析資料，空間分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6 h。

(3)地理信息圖層：STRM90 m高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)。

1.2 研究方法

1.2.1 個(gè)例選取

圖1 研究區(qū)域地形概況及站點(diǎn)分布圖

褐飛虱在云南省南部極少數(shù)地區(qū)存在越冬蟲(chóng)源[20]，這些蟲(chóng)源不足以在廣大稻區(qū)內(nèi)爆發(fā)成災(zāi)，每年7月下旬主害代的發(fā)生情況取決于4—5月跨境遷入代的蟲(chóng)源基數(shù)，前期遷入峰早、遷入峰多、遷入量大往往會(huì)導(dǎo)致褐飛虱的大發(fā)生[21- 22]。

云南省地處中國(guó)西南地區(qū)，因地勢(shì)復(fù)雜、科研力量薄弱等原因?qū)е略颇鲜『诛w虱燈誘測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)缺乏，從1999開(kāi)始才陸續(xù)有站點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，2009年有記錄數(shù)據(jù)的站點(diǎn)增加至15個(gè)，2012年最多達(dá)到22個(gè)站點(diǎn)，且有站點(diǎn)缺測(cè)情況，所涉及的26個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的分布情況如圖1所示?？紤]到數(shù)據(jù)在時(shí)間上的完整性和空間上的代表性，根據(jù)2009年發(fā)布的《稻飛虱測(cè)報(bào)調(diào)查規(guī)范》[23]對(duì)燈下高峰期及高峰日的定義，結(jié)合實(shí)際蟲(chóng)情發(fā)生情況，以4—5月份期間褐飛虱單燈單日蟲(chóng)量過(guò)100頭、連續(xù)幾年有有效數(shù)據(jù)、站點(diǎn)基本覆蓋云南全省為標(biāo)準(zhǔn)，篩選出了勐海、芒市、江城、師宗、麻栗坡、廣南6個(gè)代表性站點(diǎn)。結(jié)合圖1可見(jiàn)，空間上，選取的站點(diǎn)分布在云南南部、東部以及西部，位于北部的站點(diǎn)每年的有效燈誘數(shù)據(jù)少于10頭，可以認(rèn)為對(duì)本省褐飛虱分布及其危害影響不大而不予考慮，因此所選站點(diǎn)基本覆蓋發(fā)生區(qū)每個(gè)方位，具有一定的代表性；時(shí)間上，因?yàn)?014年云南省褐飛虱早期蟲(chóng)量整體偏少，故選取2013年、2015年和2016年3年的數(shù)據(jù)，詳細(xì)的站點(diǎn)情況及個(gè)例蟲(chóng)情參見(jiàn)表1。

表1 用于云南省蟲(chóng)源地追溯的6個(gè)代表性站點(diǎn)的蟲(chóng)峰簡(jiǎn)況

1.2.2 WRF模式及參數(shù)化方案

WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式是由美國(guó)環(huán)境預(yù)測(cè)中心(National Center of Environmental Prediction in USA, NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center of Atmospheric Research in USA, NCAR)等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種統(tǒng)一的中尺度天氣預(yù)報(bào)與研究模式[24]。該模式為完全可壓縮及非靜力模式，采用Fortran90語(yǔ)言編寫(xiě)，模式水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格點(diǎn)(重點(diǎn)考慮1—10 km)，垂直方向采用地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo)，在時(shí)間積分方面采用三階或者四階的Runge-Kutta算法，是改進(jìn)從云尺度到各種不同天氣尺度的重要天氣特征預(yù)報(bào)精度的工具。本文應(yīng)用WRF V3.7 模式版本，設(shè)置雙向三重嵌套，模擬采用NECP提供的1°×1°分辨率的FNL全球氣象再分析格點(diǎn)數(shù)據(jù)作為初始場(chǎng)，積分時(shí)間步長(zhǎng)為180 s，結(jié)果每1 h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，模式配置及參數(shù)化方案見(jiàn)表2。

表2 WRF模式配置及方案選擇

1.2.3 Flexpart模式及參數(shù)設(shè)置

對(duì)于大氣流場(chǎng)的變化，大多數(shù)數(shù)值模式采用歐拉法來(lái)計(jì)算，但是歐拉法側(cè)重于整個(gè)流場(chǎng)的變化，忽視了其中流點(diǎn)的個(gè)體變化和移動(dòng)，因此只能不斷向前模擬，難以探究流點(diǎn)的起源。此外，當(dāng)研究的對(duì)象沒(méi)有足夠密集、足夠細(xì)小到能稱(chēng)之為微氣塊時(shí)(如：褐飛虱)，本身就是針對(duì)連續(xù)流體而設(shè)計(jì)的歐拉法更難勝任。Flexpart模式是一種拉格朗日粒子擴(kuò)散模式，由挪威大氣研究所(Norwegian Institute for Air Research，NIAR)開(kāi)發(fā)，適用于大范圍的大氣傳輸和擴(kuò)散過(guò)程[25- 27]，可以通過(guò)后向運(yùn)算來(lái)確定對(duì)于測(cè)定排放源有潛在影響的分布區(qū)域。不同于歐拉計(jì)算方法，拉格朗日法以研究單個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程作為基礎(chǔ)，綜合所有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，再去構(gòu)建整個(gè)流體的變化。Flexpart模式之所以有比較好的模擬效果，是因?yàn)樗](méi)有采用復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，而是使用數(shù)值模式中常用的參數(shù)化方案思想，結(jié)合拉格朗日法的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)示蹤物準(zhǔn)確、高效的模擬。最初的Flexpart模式采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)作為輸入場(chǎng)來(lái)構(gòu)建大氣環(huán)流背景，但是由于數(shù)據(jù)的分辨率較低。很多時(shí)候?qū)χ谐叨壬踔列〕叨确秶鷥?nèi)的研究并不適用，于是就有了WRF-Flexpart耦合模式。

WRF-Flexpart耦合模式使用WRF模式輸出的氣象背景場(chǎng)驅(qū)動(dòng)Flexpart模式，設(shè)置褐飛虱降蟲(chóng)地為起點(diǎn)，采用后向模擬，可以獲得不同站點(diǎn)釋放褐飛虱的連續(xù)位置，將輸出的聚類(lèi)軌跡導(dǎo)入ArcGIS中，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)行擬合，即可得到褐飛虱的遷飛軌跡，追溯到褐飛虱的蟲(chóng)源地[21]。本文采用Flexpart-WRF v3.7模式[28]，計(jì)算云南春季褐飛虱回推12、24 h和36 h的軌跡，模式釋放的起止時(shí)間、釋放點(diǎn)的經(jīng)緯度、釋放種群數(shù)量等參數(shù)由站點(diǎn)具體情況設(shè)定，模式參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表3 。褐飛虱春、夏季遷出高峰通常出現(xiàn)在日出前或日落后，呈現(xiàn)“晨昏雙峰型”[3,29- 30]。經(jīng)查詢(xún)，2013、2015和2016年6個(gè)站點(diǎn)在4—5月份的日出時(shí)刻介于06:13—7:08之間，日落時(shí)刻介于19:27—20:05之間，因此模式假設(shè)：(1)褐飛虱在日出前1 h內(nèi)和日落后1 h內(nèi)起飛，設(shè)置釋放時(shí)間為當(dāng)日05:00至前一日21:00之間，飛行時(shí)間持續(xù)36 h[29,31]；(2)褐飛虱遷飛高度因季節(jié)不同，夏季飛行高度集中在1500—2000 m[31]，最高高度不超過(guò)高空中15℃層所在高度，各站點(diǎn)的釋放高度結(jié)合該站點(diǎn)的海拔高度確定；(3)軌跡終止點(diǎn)必須在水稻種植區(qū)，且該稻區(qū)內(nèi)水稻生長(zhǎng)正處于生長(zhǎng)后期；(4)回推軌跡落點(diǎn)區(qū)的褐飛虱正值遷出高峰。

表3 WRF-Flexpart 模式耦合計(jì)算參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與分析

2.1 高峰日回推軌跡

根據(jù)云南省2013、2015和2016年3年的褐飛虱逐日燈誘數(shù)據(jù)，結(jié)合褐飛虱相關(guān)生物學(xué)和行為生態(tài)學(xué)特性，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，利用WRF-Flexpart耦合模式模擬了6個(gè)站點(diǎn)高峰日不同高度層的遷飛軌跡(圖2)。圖2中用不同顏色代表不同年份、不同釋放高度的遷飛軌跡，為了便于分析，每個(gè)站點(diǎn)同一年同一釋放高度線(xiàn)條顏色保持一致；根據(jù)各站點(diǎn)的海拔高度，芒市設(shè)置1000、1500 m和2000 m 3個(gè)釋放高度，師宗設(shè)置2000 m釋放高度，其余站點(diǎn)均設(shè)置1500 m和2000 m釋放高度；軌跡中的點(diǎn)從站點(diǎn)開(kāi)始依次每小時(shí)回推，累積回推出12、24 h和36 h前的蟲(chóng)源地，據(jù)此可得到各站點(diǎn)褐飛虱發(fā)生高峰日回推12、24、36 h的蟲(chóng)源地。6個(gè)代表性站點(diǎn)的高峰日蟲(chóng)源地基本可以代表當(dāng)年云南早期褐飛虱的來(lái)源，結(jié)合相應(yīng)時(shí)段的天氣背景，可以分析褐飛虱的降落機(jī)制。

圖2 2013年、2015年、2016年各站點(diǎn)高峰日褐飛虱回推36 h遷飛軌跡

芒市位于云南省西部，3年早期遷入的褐飛虱均來(lái)自緬甸西部，不同高度層從降蟲(chóng)區(qū)到蟲(chóng)源地之間軌跡走向基本重合，說(shuō)明褐飛虱遷飛基本上受氣流脅迫作用所致：12 h和24 h回推軌跡落點(diǎn)分別處于緬甸中部、西部，36 h的回推軌跡略有不同，其中2013年和2015年36 h軌跡回推至緬甸西部，2016年36 h軌跡回推落點(diǎn)在孟加拉國(guó)，從某種程度上孟加拉國(guó)存在直接為我國(guó)提供蟲(chóng)源的可能；勐海位于云南的南部，3年褐飛虱高峰日回推軌跡落點(diǎn)緬甸東部到西部均有，12 h的軌跡落點(diǎn)在緬甸東部，24 h和36 h蟲(chóng)源地顯示為緬甸中部、中部偏西，蟲(chóng)源軌跡基本一致；江城位于云南南部，褐飛虱軌跡隨釋放高度的變化基本不發(fā)生偏移，2013年12、24 h和36 h 3個(gè)時(shí)次的蟲(chóng)源地依次為緬甸東部、中部和中西部，2015年為緬甸東部、東南部和西南部，2016年分別為老撾北部、老撾西北部和泰國(guó)西北部，蟲(chóng)源地隨時(shí)間延長(zhǎng)向東南方向發(fā)生偏移。和江城類(lèi)似，位于云南東部的師宗3年高峰日回推12、24 h和36 h 3個(gè)時(shí)次的蟲(chóng)源地各不相同，2013年依次為云南中南部、緬甸東部偏北和緬甸中部，2015年為云南中南部、緬甸東部和和緬甸西南部，2016年分別為越南北部、老撾東北部和泰國(guó)東北部。麻栗坡蟲(chóng)源地隨時(shí)間延長(zhǎng)向西南方向發(fā)生偏移：2013年蟲(chóng)源來(lái)自越南，2015年12 h和24 h蟲(chóng)源來(lái)自越南北部、36 h蟲(chóng)源地落點(diǎn)為云南西南部，2016年12、24 h和36 h回推落點(diǎn)依次為越南北部、云南南部和緬甸東部。廣南2013年24、36 h蟲(chóng)源分別來(lái)自緬甸東部和中部，2015年36 h蟲(chóng)源落在緬甸東部，其余時(shí)段的蟲(chóng)源均來(lái)自云南省內(nèi)。綜上所述，近年來(lái)云南地區(qū)早期褐飛虱境外蟲(chóng)源主要來(lái)自緬甸，部分來(lái)自老撾和泰國(guó)，少數(shù)來(lái)自越南，還有極少量來(lái)自孟加拉國(guó)。

云南地形起伏變化明顯，地表脅迫作用對(duì)褐飛虱遷飛高度有一定的影響，WRF-Flexpart模式考慮了低層大氣的湍流結(jié)構(gòu)、地表物理過(guò)程和地形環(huán)境對(duì)不同高度三維流場(chǎng)的影響。本文根據(jù)站點(diǎn)的海拔高度，分別模擬了1000、1500、2000 m 3個(gè)不同釋放高度的褐飛虱回推軌跡，并對(duì)遷飛高度的變化進(jìn)行了擬合(圖3)?？梢钥闯觯w飛高度隨釋放高度的增加而增加，在釋放高度分別為1500 m和2000 m時(shí)，褐飛虱遷飛高度的起伏趨勢(shì)表現(xiàn)出較好的一致性，這表明在1500 m至2000 m這個(gè)高度層內(nèi)，系統(tǒng)性垂直氣流對(duì)不同褐飛虱種群遷飛的影響得到了較一致的反映。值得注意的是，在芒市1000 m釋放高度的時(shí)候，遷飛高度的起伏變化較大，這說(shuō)明模式不僅較好地反映了系統(tǒng)性垂直氣流的影響，而且更客觀真實(shí)地反映了下墊面起伏對(duì)其上層三維流場(chǎng)和種群遷飛的影響。此外，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，當(dāng)釋放高度為1500 m時(shí)，褐飛虱遷飛的平均高度和盛行高度分別為2167.1 m和2216.3 m；而當(dāng)釋放高度為2000 m時(shí)，這兩個(gè)值分別為2454.5 m和2489 m，說(shuō)明WRF-Flexpart模式在計(jì)算遷飛軌跡的時(shí)候考慮了不同釋放高度的差異(圖3)。

2.2 降蟲(chóng)期大氣背景場(chǎng)分析

褐飛虱體積微小，自身飛行能力只有0.3 m/s左右，通過(guò)適應(yīng)和利用大氣環(huán)境來(lái)完成種群的遷移和繁殖[32]。在合適的大氣環(huán)流形勢(shì)和天氣條件下，褐飛虱能夠主動(dòng)升空、在高空隨氣流集群遠(yuǎn)距離遷飛，其遷飛活動(dòng)受到氣象條件的顯著影響。云南省地處青藏高原南麓，向南延伸為中南半島，西臨孟加拉灣，東望中國(guó)南海，特殊的海陸分布以及復(fù)雜的地貌形成了云南特殊的立體氣候背景，既受到東亞季風(fēng)的影響，也受到西南季風(fēng)的影響，還不時(shí)受到來(lái)自南海和孟加拉灣熱帶氣旋的侵?jǐn)_。

圖3 各站點(diǎn)高峰日當(dāng)日09:00開(kāi)始逆推36 h的不同時(shí)次褐飛虱遷飛高度的變化曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)2013、2015和2016年云南6個(gè)站點(diǎn)高峰日降蟲(chóng)的大氣背景進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)云南省早期褐飛虱遷入發(fā)生的降蟲(chóng)期的大氣背景大體相似，故本文選取2013年5月22日至26日的一次遷飛過(guò)程進(jìn)行大氣背景分析，背景場(chǎng)包括位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和相對(duì)濕度場(chǎng)。因云南屬高原地形，平均海拔在1000 m以上，地面氣壓接近850 hPa，因此，主要對(duì)850 hPa高度層進(jìn)行天氣背景分析。

2.2.1 位勢(shì)高度場(chǎng)

從大尺度大氣環(huán)流來(lái)看，中國(guó)地處亞洲季風(fēng)區(qū)，南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)的南北進(jìn)退為褐飛虱通過(guò)長(zhǎng)距離遷飛進(jìn)出中國(guó)和東亞其他地區(qū)提供了便利條件。結(jié)合2013年5月21日至26日的位勢(shì)高度場(chǎng)(圖4)可以看出，5月份東南亞地區(qū)主要受印緬低壓控制或影響，蟲(chóng)源區(qū)位于低壓系統(tǒng)的東部或東側(cè)，從地面到低層大氣均盛行強(qiáng)上升氣流，有利于褐飛虱種群的起飛遷出；同時(shí)高空有西南氣流盛行，有利于起飛后的褐飛虱種群從蟲(chóng)源區(qū)向東北方向的中國(guó)西南稻區(qū)輸送。

圖4 2013年5月21—26日850 hPa天氣形勢(shì)

2.2.2 風(fēng)溫場(chǎng)

風(fēng)和溫度是影響褐飛虱遷飛活動(dòng)的兩個(gè)主要因素，褐飛虱因其主動(dòng)遷飛速度遠(yuǎn)小于空中水平氣流的速度，因而只能順風(fēng)遷飛，遷飛方向與風(fēng)向保持一致。溫度是決定褐飛虱能否起飛的關(guān)鍵因子，一般來(lái)說(shuō)，褐飛虱在溫度處于15—25℃左右最有可能起飛，上升到一定的溫度層(18℃層所在髙度)之后開(kāi)始進(jìn)入平飛階段，空中飛行的最低氣溫閾值為15℃，低于此溫度便可能迫降或降低飛行速度，甚至直接降落[31]。

圖5給出了2013年5月22日—26日850 hPa云南地區(qū)20：00的風(fēng)溫場(chǎng)分布，從風(fēng)向上來(lái)看，850 hPa高度上東南亞地區(qū)主要盛行西南風(fēng)和東南風(fēng)，緬甸地區(qū)主要盛行西南風(fēng)，可以為蟲(chóng)源輸送至云南南部提供動(dòng)力，這與蟲(chóng)源地回推軌跡(圖2)的模擬結(jié)果相吻合。從溫度條件上看，22日、24日、26日主遷峰期間云南全省溫度高于20℃，而西南地區(qū)的四川西南部、貴州大部等地受低溫脅迫，形成水平方向以東北或偏東風(fēng)為主、垂直方向以下沉氣流為主的“低溫屏障墻”，使得空中遷飛種群遇“墻”降落或“反彈”降落。因此，此次遷飛過(guò)程的主要遷入地為云南地區(qū)。26日之后，隨著低溫區(qū)逐漸向南、向西加強(qiáng)擴(kuò)展，云南東南部和中部等地區(qū)逐漸受到低溫脅迫作用，不太有利于褐飛虱的遷入，本次遷飛過(guò)程基本結(jié)束(圖5)。

圖5 2013年5月21—26日20時(shí)云南850 hPa風(fēng)溫場(chǎng)

2.2.3 氣溫、垂直速度和相對(duì)濕度的垂直分布

褐飛虱的降落行為是主觀和客觀因素綜合作用的結(jié)果，如果能尋找到適合取食和繁衍的水稻田，褐飛虱將主動(dòng)降落；如果蟲(chóng)匯區(qū)遷飛層至地表有下沉氣流存在，或者有降雨的沖刷，或者種群飛行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且蟲(chóng)體脂肪能消耗將盡，或者種群飛行所經(jīng)區(qū)域的溫度低于15℃等褐飛虱則容易產(chǎn)生迫降[29]。

從圖6、圖7中可以看出，850 hPa(約1500 m)褐飛虱最適宜遷飛層的溫度都不存在低溫脅迫。3個(gè)遷入高峰期遷飛過(guò)程發(fā)生區(qū)內(nèi)，種群能遷飛的溫度層上限(15℃層)變化于940—2500 m，平均高度為2000 m；最適宜遷飛層(18℃層)變化于950—2080 m，平均高度為1462 m；遷飛層下限(21℃層)變化于150—1800 m，平均高度為987 m。從蟲(chóng)源區(qū)到降蟲(chóng)區(qū)。雖然遷飛層頂、最適宜遷飛層和遷飛層底高度在中途有一些起伏變化，但總體趨勢(shì)是遷飛高度在逐漸由高走低并最終降至300 m以下，直至迫降地面。

從圖6、圖7中還可以看出，垂直速度場(chǎng)上，在(16—22°N，94—102°E)范圍內(nèi)，先后存在著不同強(qiáng)度的上升氣流(圖中虛線(xiàn))；在(23—25°N，100—105°E)范圍內(nèi)，先后存在著不同強(qiáng)度的下沉氣流(圖中實(shí)線(xiàn))。而前者對(duì)應(yīng)著蟲(chóng)源區(qū)，后者對(duì)應(yīng)著降蟲(chóng)區(qū)，這表明蟲(chóng)源區(qū)的上升氣流促使了蟲(chóng)源的遷出、而降蟲(chóng)區(qū)的下沉氣流促使了種群的降落，垂直氣流在此次遷飛過(guò)程中起了明顯的正向促進(jìn)作用。

圖6 沿25°N氣溫(℃)和垂直速度(cm/s)的緯向剖面圖

圖7 沿105°E氣溫(℃)和垂直速度(cm/s)的經(jīng)向剖面圖

有研究表明：當(dāng)夏季稻田相對(duì)濕度在75%以上或春秋季稻田相對(duì)濕度在40%以上時(shí)，有利于褐飛虱種群的增長(zhǎng)[3]；而空中夏季相對(duì)濕度在60%以上或春秋季相對(duì)濕度在40%以上時(shí)，均有利于褐飛虱種群的遷飛[33]。從圖8、圖9所示的相對(duì)濕度場(chǎng)上來(lái)看，此次遷飛過(guò)程中，以溫度場(chǎng)15℃層作為遷飛頂層向下至地表的各時(shí)次各區(qū)域(圖6、圖7)三維空間內(nèi)，相對(duì)濕度均大于50%，因此，相對(duì)濕度對(duì)此次過(guò)程褐飛虱種群的遷飛不構(gòu)成水分脅迫。

圖8 沿25°N相對(duì)濕度(%)的緯向剖面圖

2.3 蟲(chóng)源地水稻生育期狀況

云南地處青藏高原的東南側(cè)，西部接壤緬甸地區(qū)，東部和南部緊靠老撾、越南，常年受東亞季風(fēng)和西南季風(fēng)的雙重影響，獨(dú)特的地理位置和氣候條件，使得云南早期遷入蟲(chóng)源主要來(lái)自緬甸和金三角地區(qū)，緬甸是云南春季褐飛虱遷入的主要蟲(chóng)源區(qū)。

圖9 沿105°E相對(duì)濕度(%)的經(jīng)向剖面圖

素有“稻米之國(guó)”美譽(yù)的緬甸，是世界上第7大水稻生產(chǎn)國(guó)，土地肥沃，地形平坦，大部分地區(qū)屬熱帶熱帶季風(fēng)氣候。就氣候條件來(lái)說(shuō)，緬甸水稻可周年生長(zhǎng)，能栽植三熟稻，但因雨水分布和水利設(shè)施等原因，多數(shù)地區(qū)每年只栽植一季稻，在灌溉水源良好或雨季后有積水存在的地方栽植二季稻，有較好人工灌溉設(shè)施的地方才栽植三季稻。歷史上，緬甸水稻主要種植一季，生產(chǎn)季節(jié)從5月至11月，稱(chēng)為“雨季稻”，自1992年以來(lái)，緬甸政府采取興修水利、減輕田稅等多種措施，大力推廣夏季稻，以充分利用12月至次年4月較好的天氣進(jìn)行旱季稻的栽種。通過(guò)多年來(lái)緬甸政府對(duì)土地政策的調(diào)整和大力投資水利水庫(kù)建設(shè)，緬甸的旱季稻實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的質(zhì)的飛躍，每年1月份播種，5月份收割，2007年旱季稻的種植面積達(dá)到23萬(wàn)hm2[34]。

每年4—5月為緬甸旱季稻的黃熟期，為了尋找新的取食環(huán)境和棲息地，褐飛虱種群會(huì)大規(guī)模地起飛遷出，而此時(shí)正是云南一季中稻的移栽時(shí)段，該時(shí)段的水稻可以為褐飛虱的北遷提供食料和棲息地。加上有利的大氣環(huán)流形勢(shì)和溫度條件，導(dǎo)致了每年4、5月份東南亞境外蟲(chóng)源北遷進(jìn)入云南為害，并為當(dāng)年褐飛虱的發(fā)生積累了初始蟲(chóng)源。

3 結(jié)論與討論

云南省毗鄰緬甸、老撾、越南，與水稻種植大國(guó)泰國(guó)距離也很近，是境外褐飛虱進(jìn)入中國(guó)西南稻區(qū)的第一站，研究云南褐飛虱的蟲(chóng)源地具有重要意義。近年來(lái)有些學(xué)者對(duì)云南稻飛虱發(fā)生規(guī)律和遷飛軌跡進(jìn)行了研究[9- 10,12,21- 22,35]，但研究多根據(jù)氣象再分析場(chǎng)資料，利用HYSPLIT模式進(jìn)行軌跡模擬，且研究對(duì)象大多為稻飛虱中的白背飛虱。隨著氣候變暖、水稻種植制度的改變和抗藥性的上升，褐飛虱的蟲(chóng)源分布和降落結(jié)構(gòu)相發(fā)生了復(fù)雜的變化，為了探明這些變化，本文采用WRF-Flexpart耦合模式模擬得到褐飛虱遷飛的相關(guān)參數(shù)，包括軌跡點(diǎn)所在經(jīng)緯度、高度和該點(diǎn)所處的大氣背景場(chǎng)等，將模式輸出的聚類(lèi)軌跡進(jìn)行整合，再利用ArcGIS空間分析功能對(duì)各后向逆推時(shí)間段褐飛虱的三維遷飛坐標(biāo)和路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到了不同時(shí)間段褐飛虱的聚類(lèi)遷飛軌跡及不同釋放高度上褐飛虱遷飛高度的變化特征，并根據(jù)褐飛虱的遷飛軌跡判斷出褐飛虱的境外蟲(chóng)源地。WRF-Flexpart耦合模式在計(jì)算遷飛軌跡的時(shí)候，考慮了地表物理過(guò)程、大氣湍流結(jié)構(gòu)和地形起伏對(duì)褐飛虱種群遷飛的影響，通過(guò)一系列模擬和分析得到如下結(jié)論：

(1)云南省4—5月份早期褐飛虱遷入的主要蟲(chóng)源區(qū)是緬甸，部分來(lái)自老撾和泰國(guó)，少數(shù)來(lái)自越南，還有極少量來(lái)自孟加拉國(guó)。沈慧梅等[12,34]分析了2009年云南省白背飛虱早期遷入種群的蟲(chóng)源地范圍，得到緬甸是云南春季白背飛虱遷入的蟲(chóng)源地的結(jié)論，這與本文中春季褐飛虱遷入主要蟲(chóng)源地為緬甸的結(jié)論是一致的。褐飛虱和白背飛虱均屬同翅目飛虱科，但是兩者在發(fā)生規(guī)律方面存在顯著差異。白背飛虱初代蟲(chóng)源由南方熱帶稻區(qū)隨氣流逐代逐區(qū)遷入，發(fā)生時(shí)間要早于褐飛虱；白背飛虱在水稻分蘗盛期、孕穗、抽穗期發(fā)生較嚴(yán)重，而褐飛虱在抽穗揚(yáng)花期發(fā)生最嚴(yán)重；最重要的是，褐飛虱的耐寒能力弱于白背飛虱，白背飛虱在我國(guó)海南南部和云南最南部地區(qū)終年繁殖，而褐飛虱在我國(guó)只有海南省南部可越冬，因此4—5月份云南省早期遷入褐飛虱大多數(shù)為境外直接進(jìn)入蟲(chóng)源。

(2)這一時(shí)期，當(dāng)釋放高度分別為1500、2000 m時(shí)，褐飛虱的遷飛高度分別集中在2216 m和2489 m，平均遷飛高度分別是2167、2454 m，不同釋放高度褐飛虱的回推遷飛高度的起伏趨勢(shì)具有較好的一致性。但在釋放高度較低的時(shí)候，遷飛高度的起伏變化較大，這表明模式不僅較好地反映了系統(tǒng)性垂直氣流的影響，而且客觀真實(shí)地反映了下墊面起伏對(duì)其上層三維流場(chǎng)和種群遷飛的影響。這與我們前期對(duì)國(guó)內(nèi)褐飛虱遷飛過(guò)程研究所得的結(jié)論相吻合[14]。

(3)風(fēng)場(chǎng)切變、低溫屏障、氣流垂直擾動(dòng)和降水等因素是造成褐飛虱集中降落的直接原因。本文選取2013年5月22—26日發(fā)生在云南勐海、麻栗坡和廣南的一次典型褐飛虱遷入過(guò)程，分析了大氣背景場(chǎng)對(duì)遷飛的影響，結(jié)果表明：受印緬低壓控制或影響，高空有從境外蟲(chóng)源區(qū)至云南降蟲(chóng)區(qū)有西南水平氣流作為種群輸送動(dòng)力；溫場(chǎng)在降蟲(chóng)區(qū)東北側(cè)有“低溫屏障墻”存在；垂直速度場(chǎng)上蟲(chóng)源區(qū)有上升氣流促使種群起飛遷出，降蟲(chóng)區(qū)有下沉氣流促使種群降落；弱降水形成的拖曳下沉氣流對(duì)降蟲(chóng)十分有利；相對(duì)濕度場(chǎng)對(duì)此次遷飛過(guò)程不形成任何脅迫。因此，此次過(guò)程的大氣動(dòng)力、熱力和水分條件都有利于云南稻區(qū)褐飛虱蟲(chóng)源的遷入和降落。

近年來(lái)隨著東南亞地區(qū)水稻灌溉條件的改善，老撾、緬甸等國(guó)家北部的一些地區(qū)在1—4月份的旱季也可以順利種植水稻，而5月份中下旬云南水稻處于一季中稻移栽階段和分蘗初期，為褐飛虱的北遷提供了豐富的食料和適合的棲息地，加上合適的大氣背景，為褐飛虱的早期遷入提供了有利條件。2013、2015和2016年云南地區(qū)早期(4—5月)褐飛虱遷入的蟲(chóng)源地與2009年相比發(fā)生了一些變化[31]，為了有效防治褐飛虱遷入在西南稻區(qū)第一站云南的危害，必須根據(jù)蟲(chóng)源地褐飛虱發(fā)生規(guī)律和種群遷出動(dòng)態(tài)，開(kāi)展行之有效的早期預(yù)警和短期異地預(yù)測(cè)，合理防控，以減輕褐飛虱種群遷入下游稻區(qū)為害水稻造成的減產(chǎn)。