毫米波掃描昆蟲雷達空中昆蟲監測的初步應用

摘要 2007年6～10月，利用毫米波掃描昆蟲雷達在廣西興安縣植保站進行了空中昆蟲的初步監測，結合地面燈和高空燈誘集，分析了地面和高空昆蟲種群動態變化。結果表明:空中昆蟲種群數量、種類季節性變化明顯，6～9月夜間昆蟲蟲口密度相對較高，進入10月份夜間昆蟲相對減少，雷達回波點密度和燈下誘集蟲量有很高的一致性。夏季，19:00～22:00與05:30～07:00雷達回波密度各有一明顯高峰期；秋季，只在20:00～21:00有一明顯回波密度高峰期。昆蟲飛行高度主要集中在2 000 m以下，大部分集中在500～1 000 m。姊妹燈誘捕表明，稻飛虱和稻縱卷葉螟為優勢遷飛種類。昆蟲飛行受氣象條件影響較大。

關鍵詞 毫米波掃描昆蟲雷達；昆蟲遷飛；雷達監測

中圖分類號 S431.9

遷飛是昆蟲為了減少競爭、躲避周圍的不良環境或逃避天敵等而離開原來的生境，為了開拓新的資源而到達另一個生境的行為，使該蟲種得以繁衍，也是導致大范圍暴發成災的主要原因之一。雷達昆蟲學作為一門新的學科分支，為研究昆蟲遷飛過程提供了一種革命性的工具。近年來，我國使用昆蟲雷達在研究昆蟲的遷飛行為和規律上取得了很多成果，尤其是厘米波掃描昆蟲雷達和垂直波束昆蟲雷達的研究及應用。

20世紀80年代，英國自然資源研究所(NRI)的研究人員認識到:昆蟲雷達的目標截面積(RCS)同昆蟲目標個體大小存在一定的函數關系，使用3 cm的雷達系統在有效的范圍內無法檢測到微小昆蟲。因為在瑞利散射區域里，個體越小的昆蟲，RCS越小，但是RCS同雷達波長的四次冪成反比，因此通過降低雷達波長可以實現雷達對微小昆蟲的遠距離飛行的觀測。1988～1992年英國自然資源研究所和南京農業大學合作使用了8.8 mm的毫米波昆蟲雷達觀測稻飛虱等水稻害蟲的秋季回遷。2007年6月，中國農業科學院植物保護研究所農作物有害生物監測預警研究室與成都錦江電子系統工程公司合作研制了我國第一臺毫米波掃描昆蟲雷達(世界上第二臺毫米波昆蟲雷達)。利用這臺雷達在廣西壯族自治區興安縣進行了空中昆蟲種群動態的初步觀測，結果報道如下。

1 材料與方法

1．1 觀測地點和時間

觀測地點位于廣西興安縣植保站(地理位置110°40'E，25°37'N；海拔高度210 m)，周圍是農田和村莊，雷達觀測點周圍地勢開闊，500 m以內無障礙物。于2007年6月10日至10月10日進行雷達觀測，昆蟲活動高峰期，觀測時間為17:30～07:00，其他觀測多集中在18:30至次日02:00。

1．2 試驗材料

1．2．1 毫米波掃描昆蟲雷達

毫米波掃描昆蟲雷達波長為8.0 mm，具直徑1.2 m、焦距長為405 mm的旋轉拋物面天線，峰值功率10 kW，發射頻率3 500 MHz。天線掃描和信號采集由工控計算機控制，其回波信號同時在計算機顯示器上顯示并定時存儲為圖像和數據文件供分析用。

1．2．2 姊妹誘蟲燈

地面誘蟲燈采用佳多頻振式誘蟲燈；高空探照燈由GT75型探照燈制作而成，燈內裝備ZJD1000W金屬鹵化物燈泡，鐵圈將其固定在一個大漏斗內，光束垂直向上照射。漏斗下方系一密閉的塑料袋作為外層，放置乙酸乙酯溶液，內層用紗網收集昆蟲，下雨時使用裝有深10 cm、5％洗衣粉溶液的塑料盆收集昆蟲。

1．2．3 氣象數據

低空風速風向數據利用70-I型測風經緯儀采集計算所得。

高空風場數據由美國國家環境預報中心(NCEP，其前身為美國國家氣象中心NMC)和美國國家大氣研究中心(NCAR)提供的再分析數據。

1．3 研究方法

雷達操作時采用Drake提出的經典仰角(3°、5°、8°、12°、18°、28°、45°和58°)進行觀測。計算機實時程序控制天線的轉速、噪聲門限、顯示即時觀測信息(目標物體的高度、距離、時間、回波強度)。人工或自動存儲觀測結果，通過非實時程序供以后查看分析。

距雷達觀測地點南面約100 m處放置高空探照燈誘捕空中昆蟲，東面放置佳多地面測報燈。誘捕時間為19:00～07:00。每日早上檢查誘捕的昆蟲種類和數量，并解剖目標昆蟲的雌成蟲，記錄卵巢發育進度和交配情況。昆蟲遷飛和擴散發生高峰期，每隔兩個小時取蟲檢查一次。

測風經緯儀跟蹤氣球每隔30 s測定一次氣球的方位和仰角，據此計算出每50 m的平均風向與風速，每日結合雷達觀測的情況即時放球。利用NCEP和NCAR提供的高空風場數據，經過GIS的再分析，采用標準時12時(北京時20時)850 hPa壓力層面u分量、v分量數據合成風場矢量圖，分析昆蟲發生高峰期的高空風場。

1．4 數據處理與統計分析

誘蟲燈內的蟲情數據和雷達采集數據用非實時程序輸出后，用SAS9113軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2．1 姊妹燈下蟲量動態

6月10日至9月30日雷達觀測期間，姊妹燈共誘集到昆蟲10目、48科、220多種(表1)。高空燈下誘蟲種類和數量以鱗翅目夜蛾科和螟蛾科的種類最多，稻飛虱(白背飛虱和褐飛虱)和稻縱卷葉螟的數量占有絕對優勢，但季節動態變化顯著，有明顯突增和突減現象。觀測期間，燈下誘捕稻飛虱發生7次蟲量高峰期，白背飛虱發生高峰期早于褐飛虱，8月20日，褐飛虱和白背飛虱同日達到蟲量高峰，與之數量相似的還有稻飛虱的天敵——黑肩綠盲蝽；稻縱卷葉螟誘蟲量在6月9日和9月6日具有兩次顯著高峰。6月至9月步甲科日誘捕量相對較少，9月11日至10月6日，步甲科日誘捕數量顯著增多。另外鞘翅目隱翅甲科數量也占一定的優勢(圖1)。

春、秋昆蟲活動高峰期，對誘捕的目標昆蟲雌蛾生殖系統進行解剖。圖2、3表明:5月23日姊妹燈下白背飛虱雌成蟲卵巢發育2級個體占81.5％，3級以上個體占19.0％；9月26日褐飛虱雌成蟲卵巢發育2級個體占82.0％，3級以上個體占11.9％。9月6日姊妹燈下稻縱卷葉螟雌蛾卵巢發育2級個體占83％，3級以上個體占8.5％，這幾日稻飛虱和稻縱卷葉螟的卵巢發育為1級的比例很低，具有典型的燈下遷入昆蟲生理特征。

2．2 毫米波掃描昆蟲雷達觀測結果

2．2．1 實時程序顯示結果

6月10日至8月23日從06:30開始觀測，結果顯示，雷達屏幕上回波點從20:00左右開始增多，至22:00左右達到高峰，之后回波數量逐漸降低，有時回波數量在18:30左右就迅速增多，持續時間可以達到40 min或幾個小時，第2天06:00左右開始增多，07:00左右后回波數量迅速降低。有時夜間回波數量高峰可以持續至第2天凌晨3:00左右。從圖4中看出，8月20日，18:40～20:22雷達顯示1.4～2.0 km回波密度一直相對較高，分層明顯。21:00以后，回波點高度下降至1.8 km，密度仍然很高，但各個高度分布均勻，分層不明顯，高密度回波一直持續至8月21日凌晨01:00，之后回波數量開始減少。9月下旬雷達觀測顯示一整夜的回波數量僅在20:30～21:30達到高峰，之后，回波量逐漸降低。雷達顯示屏上的回波點主要集中在高度2.0 km以下，有時可以達到2.2 km，大部分集中在1.2 km以下，0.4～0.8 km相對較多，凌晨回波數量高峰期，回波點高度主要分布在1.2 km以下(圖5和圖6)。

2．2．2 非實時程序顯示形式

雷達非實時程序將實時程序運行時存儲的數據重現在計算機上，存在3種顯示方式:PPI(平面顯示)、RHI(距一高顯示)和體掃顯示。PPI顯示單楨圖像和序列圖像(連續保存3幅單楨圖像的彩色疊加)；RHI顯示設定方位角時不同高度層的回波數量的分布；體積掃描是設定各個仰角時的平面顯示。顯示的參數有距標、仰角、方位角、高度、距離以及回波強度(圖7)。

2．3 氣流數據分析

華南地區處于斜壓流型季風區內，受海陸熱力差異影響形成典型的季風氣候。7月1 3日至10月1日，測風結果顯示，8月8日前低空風向主要盛行偏南或西南風，之后主要是東北或偏北風(圖8)。

7月24日和8月23日前后都是稻飛虱活動的高峰期，連續幾天風場矢量圖分別顯示:華南及以南地區、中南半島主要盛行西南風和偏南風；后者昆蟲活動高峰期華南、長江流域主要盛行東北風或偏北風，這為昆蟲的北遷南回遷入提供了高空運載氣流。也提供研究稻飛虱遷飛路徑的大氣環流依據(圖9)。

8月20日低空風速風向廓線圖顯示在不同的兩個高度0.4～0.5 m和1.8～2.1 km出現風速極值，而相對高度的風向變化穩定，空中昆蟲可能會選擇在極值風速帶中飛行，大尺度的低空急流為昆蟲短時間內長距離的運行提供了條件(圖10)。

3 討論

本文對我國首臺毫米波掃描昆蟲雷達進行了初步應用，通過雷達觀測及蟲情調查發現6～9月份夜間昆蟲蟲口密度相對較大，夏季，19:00～22:00與05:30～07:00各出現回波數量的高峰。稻飛虱發生高峰期，雷達顯示昆蟲飛行高度主要集中在2.0 km以下，最高達到2.2 km，通常在1.5～2.0 km雷達屏幕上出現回波集聚成層的現象，稻飛虱活動不明顯時期，雷達顯示昆蟲飛行高度明顯降低，主要集中在1.2 km以下，這證實了鄧望喜提出的稻飛虱夏季飛行最適高度在1.5～2.0 km的理論，也為進一步確定雷達目標昆蟲種類提供了證據。進入10月份，夜間蟲口密度減小，但是相對其他時期，個別昆蟲蟲量突然增多，如步甲科、燈蛾科。秋季，回波數量只在20:30～21:30有一明顯高峰，高度主要集中在1.5 km以下，大部分集中在0.3～0.7 km。稻飛虱發生期間，其天敵——黑肩綠盲蝽與稻飛虱的燈下數量動態趨勢一致，也證實了前者具有伴隨遷移的行為，其飛行高度還有待進一步的研究。

雷達距一高掃描顯示空中種群分布具有不同高度成層現象，這表明不同種類昆蟲對大氣風溫場環境有不同的適應與選擇。低空風向風速廓線圖顯示不同高度出現了極值風速，高空風場分析圖也顯示出高空的運載氣流是昆蟲空中飛行的重要條件。國內外的雷達昆蟲學研究已經證實，遷飛種群的大多數個體具有集聚在邊界層頂附近的最大風速帶或不同尺度的低空急流中成層運行的特征。

燈下蟲情顯示，昆蟲的活動受天氣環境影響很大，強降水和大風天氣前后蟲量變化明顯，尤其是2007年8月20日左右臺風“圣帕”給桂東北區帶來的一次強降雨天氣，使得水稻兩遷害蟲的誘蟲量發生突增。

近幾年水稻重大遷飛害蟲——稻飛虱和稻縱卷葉螟在廣西地區暴發頻率增高，危害嚴重，其在我國大部分稻區常年均無法越冬，隨東亞季風遷入我國。國內關于稻飛虱蟲源區、遷入路徑已經有了很多研究和成果，但并沒有定論。毫米波掃描昆蟲雷達的建成解決了常規厘米波雷達觀測微小昆蟲距離限制的問題，為進一步長期監測稻飛虱北遷南回、分析其遷飛規律和遷飛軌跡提供了有力的技術支持。本試驗檢驗了毫米波掃描雷達的運轉情況，收集了有效的雷達數據和蟲情數據，下一步從大尺度蟲情數據獲取、高空氣象資料、高空誘蟲等方面展開對優勢種群的遷飛規律和軌跡的分析，為我國農作物遷飛害蟲的及時預測預報提供有效的信息資料。