復雜地形下褐飛虱遷飛的數值模擬:個例研究

劉　垚,包云軒,*,魏　巍,陸明紅,劉萬才

1 南京信息工程大學江蘇省農業氣象重點實驗室,南京　210044 2 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心,南京　210044 3 寧夏雷電防護技術中心,銀川　750002 4 農業部全國農業技術推廣服務中心,北京　100125

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復雜地形下褐飛虱遷飛的數值模擬:個例研究

劉垚1,2,包云軒1,2,*,魏巍3,陸明紅4,劉萬才4

1 南京信息工程大學江蘇省農業氣象重點實驗室,南京210044 2 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心,南京210044 3 寧夏雷電防護技術中心,銀川750002 4 農業部全國農業技術推廣服務中心,北京100125

褐飛虱是影響我國水稻生產的重要遷飛性害蟲之一,它的爆發嚴重影響水稻的生長,并誘發水稻病害,導致水稻減產。研究復雜地形條件下褐飛虱的遷出蟲源地、空中遷飛軌跡、降落區,探明復雜地形對褐飛虱遷飛的影響機制,對害蟲測報與防治、農業防災減災和保障我國糧食安全具有重要的理論意義和實踐價值。為了分析覆蓋復雜地形的大氣動力場、溫度場、濕度場對褐飛虱遷入及降落分布的影響,采用WRF-Flexpart耦合軌跡計算模式和GIS空間分析等方法,對2008年9月30日—10月3日發生在廣東曲江、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程進行了數值模擬,以揭示復雜地形條件下褐飛虱種群降落和密度分布的時空變化結構。(1)廣東曲江、肇慶、梅縣三站的后向軌跡模擬結果顯示,遷入三站的蟲源均來自該站點的西北方向。地形較高且復雜多變時,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果顯示,當站點附近的山脈較低且有山谷通道,褐飛虱沿山脈順風方向遷飛,且遷飛距離較遠。當山脈地勢較高且沒有明顯的山谷,則褐飛虱遇到山脈阻擋而轉向造成種群滯留。(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,向遠離山體的方向遷飛。若山脈由多個山嶺構成,則褐飛虱可從其峽谷穿越,密度分布較為分散。(4)強水平氣流有利于褐飛虱的遠距離遷飛,下沉氣流對褐飛虱降落起著重要的作用,當有強下沉氣流且氣溫較高時,有利于褐飛虱種群的降落,并聚集形成高密度遷入區。(5)垂直方向上,在一定的溫度范圍內,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多分布在較溫暖的地區。秋季,褐飛虱降落區多分布在相對濕度50%左右的區域。模擬的褐飛虱遷飛軌跡、遷飛方位角和遷飛距離等與實際發生的褐飛虱遷飛路徑和降蟲區之間偏差較小,該模擬方法較大程度地提高了我國遷飛性害蟲的業務預報水平。未來擬提高測報褐飛虱蟲情數據的時空分辨率,以為得到較高準度和精度的模擬結果。

褐飛虱;地形;Flexpart;WRF;軌跡

褐飛虱,Nilaparvatalugens(St?l),是我國主要的水稻害蟲之一,具群聚性、遠距離遷飛性和危害突發性。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,誘發水稻病害的發生,嚴重感染時,使得水稻干枯、“冒穿”,造成明顯的減產[1]。每年春夏時節,褐飛虱可以借助西南暖濕氣流向北長距離遷飛和擴散,尋找合適的環境以便生存和繁殖。當秋季來臨,冬季風開始南下,寒冷而干燥的偏北風迫使褐飛虱向溫暖濕潤的南方回遷[2- 4]。昆蟲遷飛研究從早期的人工觀測、觸發遷飛的條件分析、影響遷飛的生理生態因素探討等,到現在的昆蟲雷達觀測、遷飛軌跡模擬等經歷了一個較長的時期。目前對昆蟲遷飛的研究仍然是個比較困難的課題。1987年Rosenberg和Magor[5]利用天氣圖和氣象探空數據對秋季褐飛虱回遷進行了研究,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]通過劃分低空急流的風速和范圍特征,利用軌跡模擬分析中國北方稻區稻飛虱大發生的蟲源地和觸發成災的動力機制。而三維軌跡較之二維軌跡能更真實地反應出褐飛虱遷飛的實際動態,胡繼超等[7]利用數值天氣預報模式輸出的風溫場模擬結果計算褐飛虱秋季回遷的三維軌跡,并采用不同高度的實測風計算所得的三維軌跡對模擬結果進行檢驗,檢驗效果顯示褐飛虱遷飛的源匯區域大體上與真實情況是一致的,但在遷飛距離和方位角上存在偏差。20世紀90年代后期,隨著數值天氣預報模式的發展,褐飛虱遷飛的大氣環流形勢和天氣背景相關研究也越來越多,取得了許多進展,如褐飛虱遷飛的有利氣流場、溫度場和位勢高度場等。包云軒等[8- 10]利用中尺度數值模式輸出的氣象場,加入軌跡模擬起點、高度和時間等參數模擬出褐飛虱的遷飛軌跡,在此基礎上對我國褐飛虱北遷、南遷的過程分別進行了數值模擬,采用三維軌跡分析方法,推算了褐飛虱的遷飛參數,其結果與蟲情田間實況普查、雷達觀測資料相吻合,闡明了褐飛虱遷飛行為的動力學機制。復雜地形條件下的大氣邊界層特征和物質的輸送與擴散規律一直是邊界層氣象學研究的難點與熱點。不同地區由于復雜的下墊面條件,其邊界層特征及物質輸送過程也不同,地形起伏會在其上方形成特殊的風溫場和湍流場,影響物質的輸送和擴散[11]。由于風載昆蟲與氣溶膠粒子具相似性,大氣擴散模型被許多學者用于模擬昆蟲遷飛軌跡與擴散分布。拉格朗日混合單粒子軌跡模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT)計算在平流層受到平均風場和氣流擴散的情況下固定數量粒子的運動軌跡。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散模式——FLEXPART模式,研究復雜地形條件下褐飛虱的遷出蟲源地、空中遷飛軌跡、降落區,分析覆蓋復雜地形的大氣背景對褐飛虱遷飛及降落分布的影響,探明復雜地形對褐飛虱遷飛的影響機制,對害蟲測報與防治、農業防災減災和保障我國糧食安全具有重要的理論意義和實踐價值。

1　資料與方法

1.1研究區域

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

我國長江以南水稻主產區的地形以山地、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。本文研究區域位于廣東省、江西省、安徽省和湖北省,屬于我國南方稻區。該地區主要以亞熱帶季風氣候為主,夏季炎熱多雨,最熱月平均氣溫大于22℃,冬季溫和濕潤,最冷月平均氣溫為0℃,氣溫隨季節的變化顯著,四季分明。年降水量在1000—1500 mm,降水量隨季節的變化相似,夏季降水較多,無明顯干季,而冬天降水量也較大。充足的雨量和日照時數對我國南方水稻生長有利。

研究區域的地形較為復雜,南嶺位于閩、粵、桂、贛四省交界,是一條東西走向的山脈,由五個主要山嶺組成,地勢不高,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,東西兩坡呈現明顯的不對稱性,東坡舒緩,有層級地形發育;西坡陡峻,斷崖顯著。羅霄山脈是萬洋山、諸廣山和武功山的統稱,位于中國湖南和江西的交界。羅霄山脈長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。鄱陽湖位于江西省的北部,長江中下游南岸。鄱陽湖以松門山為界,分為南北兩部分,北面為入江水道,南面為主湖體。

1.2數據及個例概況

廣東、廣西兩省區水稻種植面積廣,水稻安全生育期多數地方為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,也是我國的水稻產量大省。褐飛虱常年在這些省、區活動,發生面積大,危害嚴重,造成嚴重的經濟損失[14]。

褐飛虱蟲情資料為逐日褐飛虱燈誘資料,來源于農業部全國農業技術推廣服務中心。氣象再分析資料由美國國家環境預測中心(NCEP)提供,空間分辨率為1°×1°,時間間隔為6h的FNL氣象再分析場資料。基礎地理信息數據包括STRM 90m高程由國家基礎地理信息中心提供。

1.3方法1.3.1WRF模式及參數化方案

本研究中采用的WRF模式版本為3.6,設置雙向三重嵌套,模擬采用1°×1°的NCEP全球氣象再分析資料,水平范圍以點(113.84°E,26.90°N)為中心,模式垂直分為27層,模式積分初始時刻為2008年9月30日21:00(UTC,下同),結束時刻為10月3日00:00,積分時間步長為180s,模式配置及參數化方案設置見表1,結果每小時輸出1次,以最內層嵌套區域輸出的物理量場進行分析計算。

表1　WRF模式配置及方案選擇

1.3.2FLEXPART模式及參數設置

FLEXPART模式是一種拉格朗日粒子擴散模式,適用于模擬大范圍的大氣傳輸過程。該模式由挪威大氣研究所(Norwegian Institute for Air Research, NILU)開發[15],可以計算不同釋放源(點、線、面或體積源)的軌跡,模擬不同粒子(或氣團、示蹤物)在大氣中長距離、中尺度的擴散等過程。FLEXPART模式可以應用前向運算來模擬放射性物質或空氣污染物等的擴散,也可以通過后向運算來確定對于測定排放源(如溫室氣體和火山灰)等有潛在影響的什么的分布區域,當研究區域內的觀測站點比排放源的數量少時,后向運算更具有優勢[16]。

本研究采用WRF-FLEXPART耦合模式,使用WRF輸出結果作為FLEXPART模式的氣象驅動場,采用前向和后向模擬,對比分析復雜地形條件下褐飛虱的遷飛特征及其密度分布。其中,后向模擬使用真實的褐飛虱測報數據,即2008年9月30日至10月3日(北京時)的累計蟲量,設置廣東曲江站(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)作為釋放點源,即降蟲地。前向模擬使用假設數據釋放,設置湖北宜昌站(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)作為釋放點源,即遷出蟲源地。前向和后向模擬開始釋放時間均為2008年10月1日18：00,模式模擬時長均為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,結果每小時輸出1次。

1.3.3軌跡及密度計算方法

由FLEXPART模式獲得不同站點釋放褐飛虱的連續位置,利用GIS空間分析法對不同站點的各時刻褐飛虱位置點進行線性擬合,可以得到褐飛虱遷飛的軌跡。同樣,對各時刻的褐飛虱做點密度分析,得到褐飛虱遷飛的密度分布。

2　結果與分析2.1　褐飛虱蟲量特征

2008年9月30日至10月3日褐飛虱蟲量空間分布如圖2,褐飛虱由北向南遷入稻區,該區域內各站蟲量都各有增減。在該時間內,褐飛虱蟲量主要分布在安徽省南部、湖北省南部和廣東省。相對于廣東省褐飛虱蟲量分布范圍廣而言,廣西壯族自治區、湖南省、江西省和福建省的褐飛虱蟲量則非常少。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量持續高值(圖2)。湖北省中部和廣東省東部的褐飛虱降蟲量也較多,達上萬頭。10月1日安徽省南部的降蟲量明顯增加,廣東省大部分地區蟲量逐漸增加,而沿海的個別站點減少(圖2)。2日湖北省南部褐飛虱蟲量依然很多,而安徽省南部蟲量逐漸減少,廣東省北部蟲量逐漸增加(圖2)。3日湖北省南部褐飛虱蟲量急劇減少,廣東省北部褐飛虱蟲量快速增加(圖2)。

圖2　中國南方稻區褐飛虱燈誘蟲量分布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風溫場空間分析

從2008年10月1日18:00 925hPa風溫場(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,風速為2—10m/s;湖北西部以東風為主,風速均較小,為1—4 m/s。湖北西部山區(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。兩廣地區氣溫較高均在20℃以上。10月1日22:00(圖3),我國東南地區逐漸降溫,風速減小,湖北省、湖南省大部、江西省和廣東省北部保持東北風且風速降至2m/s。南嶺、武夷山脈和羅霄山氣溫降至16℃左右,兩廣地區氣溫也略有下降。10月2日8:00(圖3),我國南方氣溫急劇降低,風速減小至2—6 m/s。長江下游地區氣溫均在16℃以下,盛行北風或東北風。廣西、廣東氣溫也降至20℃以下。10月2日16:00(圖3),我國南方氣溫有所回升,風向由北風或東北風轉為東風,風速增加,約在4—8 m/s。廣西、廣東氣溫回升至20℃以上,且境內多為偏東風,風速較大約為6—8m/s。

圖3　華南地區925hPa風溫場Fig.3　Wind field and temperature field on 925hPa isobaric surface

2.2.2風溫場垂直分布

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(22°N,112°E)至點(32°N,118°E)的剖面圖。10月1日18:00(圖4),在點(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。該區域以北地區氣溫較低,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流,而且距其較近的區域有下沉氣流,對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明了褐飛虱趨向于向著溫暖的地方遷飛。當遇到強下沉氣流時,會使稻飛虱迫降,降落區種群數量大增[17]。

圖4　 氣溫和垂直速度沿點(22°N,112°E)至點(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相對濕度垂直分布

圖5是2008年10月1日13:00 至2日16:00 相對濕度沿點(22°N,112°E)至點(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濕度較周圍低。在113.5°E—117°E范圍內中低層大氣相對濕度較大在70%以上,在114°E—115°E區域大氣相對濕度可達到80%以上。點(30°N,117°E)東北方向高空相對濕度低于20%,褐飛虱是一種喜濕的遷飛性昆蟲,在遷飛過程中會趨向于濕度較大的地方遷飛。而且秋季相對濕度40%—50%有利于褐飛虱遷飛和降落,而40%—50%相對濕度帶的高度由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散,且點(23.5°N,113°E)附近高空相對濕度也低于30%,點(30°N,117°E)與點(23.5°N,113°E)之間區域相對濕度在50%左右,有利于秋季褐飛虱遷飛和降落。10月2日16:00 (圖5),干空氣繼續向西南方向移動,在113°E—117°E范圍內中低層大氣相對濕度增加可達60%以上,而曲江站附近低層相對濕度較周圍低,在60%以下,較之10月2日08:00，相對濕度明顯增加,將有利于褐飛虱遷入后繁殖生存。

圖5　相對濕度沿(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域,15℃等溫線限定了褐飛虱成層遠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

研究區域內地形復雜,由于海拔、坡度等不同,接收到的太陽輻射不同,導致氣溫變化差異明顯。地形對局地風速風向的影響也是很復雜的。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速風向的影響。由于復雜地形條件下,局地氣溫及風速風向是復雜而多變的,如山頂的氣溫日較差小于山谷,同一海波高度,陽坡的氣溫高于陰坡等等。對2008年10月1日18:00 、22:00 、2日8:00 和16:00 的擬合軌跡曲線進行分析,該時間段氣溫及風速風向隨時間的變化決定了褐飛虱的遷飛軌跡。后向模擬時間段內(圖6),曲江站和肇慶站的褐飛虱主要來自于江西省北部,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,往低地勢遷飛,遷飛軌跡自東北—西南方向有一個向內陸的微小弧度。而梅縣站西北方向為浙閩丘陵,地勢普遍較高,不利于褐飛虱的遷飛與擴散。從前向模擬結果(圖6)看出,湖北西部地形較高,宜昌站遷出的褐飛虱無法穿越此處山脈,其遷飛距離較近,對周圍地區的蟲量貢獻較大。而東至站遷出的褐飛虱向西南遷飛時,遇到幕阜山和九嶺山的阻擋會轉向南遷入江西省中部,對該地區的蟲源貢獻較大。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。

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),以正北和正東方向為正方向。廣東省內后向模擬3個站,其蟲源均來自東北方向。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遷飛和擴散,蟲量來源以東北偏北方向為主。而梅縣站的東北方向為浙閩丘陵,地形較高且復雜多變,褐飛虱難以穿越且遷飛距離近、方向多變,所以蟲量來源多以廣東省和福建省的交界處——地勢較低的區域為主。前向模擬結果中,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,這兩個站點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,該處山脈地勢高且沒有明顯的山谷,因此,宜昌站的褐飛虱向西南遷飛時,會遇到山脈的阻擋而轉向西北偏西,造成褐飛虱滯留在本地的水稻種植區。

2.3.2褐飛虱遷飛密度特征

褐飛虱黃昏和黎明會有兩次起飛遷出[19],而Otuka等[20]認為褐飛虱遷飛模擬最大時長為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,后向模擬時長14h(圖8),曲江和肇慶的褐飛虱蟲源地相同,主要來自于江西省境內,而梅縣的褐飛虱則來自于福建省東南部。在褐飛虱密度高值區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。該區域以北地區氣溫較低,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)。褐飛虱密度高值區附近高空無明顯的下沉氣流,其低空氣溫略高于周圍,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,但其范圍很小。而曲江站附近有強烈的下沉氣流,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域,高值區均處于300m以下的河谷地。梅縣的褐飛虱蟲源則來自福建省,江西省的褐飛虱蟲源極少翻越武夷山為當地作貢獻。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,當有強烈的下沉氣流且氣溫較高時,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,呈平行走向,武夷山脈西坡較為陡峭、斷崖顯著,褐飛虱遠離山體從東北—西南方向遷飛,密度分布在武夷山西坡較為均勻。羅霄山由多個山嶺構成,褐飛虱可沿其連接的、地勢低的地方穿越,密度分布較為分散。褐飛虱密度沿河谷地帶分布且高值區多分布在較溫暖的地區。同時,南遷至廣東省曲江站的褐飛虱來源基本在江西省境內,極少數來自于湖北東南部和湖南東北部。

圖8　不同遷飛歷時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)

前向模擬時長14h(圖9),宜昌站遷出的褐飛虱向周圍擴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散的分布密度較大,密度較高的區域集中在該站點的西南方向。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一步向西南方向擴散,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散。從東至和吉安站遷出36 h的褐飛虱種群進一步沿山勢地形向西南方向擴散(圖9),而從宜昌站遷出的褐飛虱繞過山體向西或西南方向擴散。對照褐飛虱擴散密度分布圖(圖8,圖9)可以發現,褐飛虱沿順風方向遷飛,風速較大時利于褐飛虱的水平輸送,當風速為3—8 m/s時褐飛虱遷飛很明顯,遷飛方向基本與風向一致[21]。

圖9　不同遷飛歷時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　結論

本文利用2008年褐飛虱逐日燈誘數據,選取軌跡計算相關參數如起飛、降落時間和遷飛高度等,通過WRF-Flexpart耦合模式模擬了2008年9月30日至10月3日褐飛虱南遷過程的遷飛軌跡,分析了種群降落密度的時空分布特征,并對復雜地形條件下褐飛虱遷飛的大氣條件進行了探討,研究得到如下結論：從后向模擬結果可以發現,褐飛虱種群多沿地勢較低的、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向內陸的微小弧度。曲江站、梅縣站和肇慶站3個站褐飛虱的遷入蟲源均來自站點的東北方向,若站點上游地區地勢較低,褐飛虱遷飛的距離則較長;若上游地區地形較高且復雜多變時,褐飛虱難以穿越,則進行距離較近、方向多變的遷飛。褐飛虱在平原地區擴散較山區快,沿河谷地帶降落密度較高。褐飛虱降落區與山脈走向一致,當山脈較為陡峭或斷崖較多時,褐飛虱則向偏離山體的方向遷飛,降蟲區帶狀分布在斷崖或陡峭的山坡西側,形狀較為平整。若山脈由多個山嶺組成,褐飛虱可沿其地勢低的山谷穿越,其降蟲區密度分布較為分散。前向模擬結果顯示,若站點附近的山脈較低且有山谷通道,褐飛虱沿山脈順風方向遷飛,且遷飛距離較遠。若山脈地勢高且沒有明顯的山谷,褐飛虱遇山脈阻擋而轉向造成種群滯留。褐飛虱遷飛軌跡會受山體和山谷走向的影響產生不同程度的偏向。若褐飛虱遷飛前進方向上地形較為平坦或遇有山谷的地形時,褐飛虱遷飛和擴散較快,其降蟲區密度在平原區分布較為一致,有山谷時會沿山谷走向平行分布。若其前進方向上山峰較高且無山谷時,褐飛虱會轉向或繞山體遷飛,不易擴散。

4　討論

褐飛虱是一種喜溫濕的風載遷飛性害蟲,其種群動態變化和遷飛行為不僅與水稻生育期、地理條件以及天氣氣候條件有關,還與病蟲害管理與控制策略有關[22-23]。秋季,我國北方和中部稻區氣溫降低、水稻逐漸趨于黃熟,褐飛虱種群生境惡化,會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境。若遷飛地(或降蟲區)的條件(風、溫度、濕度、食物和天敵等)有利,褐飛虱種群會快速的繁殖增長并危害水稻生長。

通過對此次褐飛虱南遷過程的分析發現,褐飛虱順風遷飛,秋季東北風有助于褐飛虱南遷。較強的水平氣流有利于褐飛虱的長距離遷飛,強下沉氣流則對褐飛虱的遷飛起到重要的迫降作用。當有強烈的下沉氣流且氣溫較高時,有利于褐飛虱向地面降落,聚集形成高密度區。褐飛虱的起飛、水平飛行、降落都與局地溫度變化有關,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,褐飛虱降蟲密度沿河谷地帶分布且密度高值區多分布在較溫暖的地區,這在一定程度上說明了褐飛虱趨向于向著溫暖的區域遷飛,與胡高等[25]的研究結論一致。而遷飛場的濕度條件是影響褐飛虱空中遷飛的另一個決定因素,秋季褐飛虱遷飛種群多分布在濕度大的空中區域,本研究模擬的褐飛虱降落區多在相對濕度50%以上的地區,這與秋季相對濕度40%—50%有利于褐飛虱遷飛和種群增長的結論相吻合[26]。

本研究模擬的2008年9月30日至10月3日的褐飛虱南遷過程與同期實際的蟲情燈誘數據分析結果較為一致。但由于模型初始設計為非生物粒子擴散,并未考慮褐飛虱遷飛過程中的主動性,因此,模擬所得的遷飛軌跡、遷飛方位角和遷飛距離等與實際發生的褐飛虱遷飛路徑和降蟲區之間還存在一定程度的偏差。由于實際測報業務中,褐飛虱燈誘和田間普查時次少、空間密度稀、缺乏時空連續的蟲情數據,且目前用于定點遷飛動態監測的昆蟲雷達使用較少,且沒有可行的四維動態監測工具,因此,這一偏差的糾正需要較長時間的等待。

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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

國家自然科學基金資助項目(41475106, 41075086);江蘇省農業科技自主創新基金項目(CX(12)3056);江蘇省高校自然科學研究項目(14KJA170003);江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(CXLX13_496);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(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,劉萬才.復雜地形下褐飛虱遷飛的數值模擬:個例研究.生態學報,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.