劉 垚,包云軒,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 2100442 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 2100443 中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 7500024 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

基于WRF-Flexpart的一次褐飛虱回遷過(guò)程模擬研究

劉 垚1,2,3,包云軒1,2,*,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 2100442 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 2100443 中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 7500024 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

褐飛虱是影響亞洲地區(qū)水稻生產(chǎn)的遷飛性害蟲(chóng),其遠(yuǎn)距離遷飛與種群分布會(huì)受到大氣環(huán)流和局地天氣條件的影響。采用WRF-Flexpart耦合模式、GIS空間分析和Vincenty方位角/距離估計(jì)等方法,選取2009年9月30日—10月7日發(fā)生在中國(guó)15個(gè)植保站的褐飛虱遷入過(guò)程,并根據(jù)模式輸出、GIS分析和軌跡計(jì)算結(jié)果探討了多種大氣物理脅迫共存下大氣動(dòng)力場(chǎng)、降水、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)對(duì)褐飛虱秋季回遷過(guò)程及其降落蟲(chóng)量分布的影響。研究結(jié)果表明：(1)此次重大遷飛過(guò)程中,大氣動(dòng)力場(chǎng)、降水、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)在不同地區(qū)、不同時(shí)間段對(duì)褐飛虱種群的遷入和降落起了不同的作用,因而造成了遷入蟲(chóng)量分布的時(shí)空差異。(2)從各蟲(chóng)源地遷出的褐飛虱種群是向著溫暖而濕潤(rùn)的地方遷飛的,遷飛方向主要受所經(jīng)區(qū)域盛行風(fēng)向的影響,遷飛距離由途徑區(qū)的風(fēng)速所決定。(3)當(dāng)遷飛種群途徑局地降水較多的區(qū)域時(shí),初期遷入量并不多,經(jīng)過(guò)短暫的一段時(shí)間后降蟲(chóng)量會(huì)突然增加。(4)在一定的溫度范圍內(nèi),大氣濕度條件會(huì)影響褐飛虱的遷入蟲(chóng)量：褐飛虱遷入蟲(chóng)量在近地面溫度高于26℃、相對(duì)濕度(925 hPa)大于70%且下沉氣流較強(qiáng)的地區(qū)分布最多,而在近地面溫度低于24℃、相對(duì)濕度(925 hPa)小于50%、無(wú)明顯下沉氣流的地區(qū)未發(fā)現(xiàn)有褐飛虱的遷入。

褐飛虱；天氣條件；WRF-Flexpart模式；遷飛軌跡；遷入蟲(chóng)量分布

褐飛虱,Nilaparvatalugens(St?l),具有遠(yuǎn)距離遷飛的習(xí)性,是我國(guó)主要的水稻害蟲(chóng)之一[1],其遷飛過(guò)程和遷入量與大氣環(huán)流形勢(shì)、天氣系統(tǒng)密切相關(guān)。通常,大尺度天氣形勢(shì)的變化為褐飛虱遠(yuǎn)距離遷飛提供了一定的物理?xiàng)l件；中小尺度天氣系統(tǒng)的演變則決定了種群動(dòng)態(tài)和分布特征[2]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)褐飛虱北遷過(guò)程已有大量的研究成果。當(dāng)溫度在20℃左右時(shí)起飛頻繁,低于17℃時(shí)起飛受到抑制,小于10℃極少發(fā)生起飛現(xiàn)象[3]。褐飛虱最佳成層飛行的溫度在17℃左右,15℃等溫線限定了褐飛虱成層遠(yuǎn)距離遷飛的上限高度,隨著空中溫度的升降,褐飛虱遷飛的高度也隨之升降[4]。氣流場(chǎng)對(duì)褐飛虱的起飛與降落有影響,決定著褐飛虱的遠(yuǎn)距離遷飛特征[5- 7]。在我國(guó),低空急流多盛行偏南風(fēng),對(duì)于主降區(qū)的褐飛虱有輸送作用,急流內(nèi)存在適宜褐飛虱北遷的溫濕環(huán)境,并且其氣流內(nèi)的下沉氣流決定了降蟲(chóng)區(qū)的分布[4, 8- 9]。沈慧梅等[10]對(duì)云南稻飛虱北遷過(guò)程分析發(fā)現(xiàn),低溫脅迫是影響稻飛虱集中降落的外在條件,溫度是稻飛虱遷入的重要因子。吳秋琳等[11]通過(guò)研究湖南白背飛虱前期遷入過(guò)程,得出降雨、低溫和下沉氣流是導(dǎo)致白背飛虱集中降落的直接原因。Turner[12]和Zhu等[13]采用BLAYER模型模擬褐飛虱從我國(guó)遷飛至韓國(guó)的遷飛軌跡,并分析了褐飛虱起飛、降落和飛行高度等參數(shù)以及不同飛行高度種群密度分布的狀況。Furuno等[14]利用GEARN模型對(duì)日本10個(gè)站的褐飛虱蟲(chóng)情數(shù)據(jù)做后向模擬,分析了從中國(guó)遷飛至日本西部的褐飛虱的可能蟲(chóng)源地及其與氣象因子的關(guān)系。

目前,對(duì)褐飛虱南向回遷過(guò)程的研究還較少,對(duì)氣象條件影響褐飛虱南遷的定量化研究還相對(duì)缺乏。秋季冷空氣南下,偏北風(fēng)使得褐飛虱向著溫暖且濕潤(rùn)的南方地區(qū)遷飛[15]。而冷鋒南下時(shí),局部地區(qū)降溫或降水會(huì)促使褐飛虱向南回遷并且大量降落；地面冷鋒前溫度會(huì)降低3—4℃,迫使褐飛虱降低遷飛高度,且褐飛虱分布帶平行于冷鋒[16-17]。在褐飛虱秋季回遷的雷達(dá)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中,觀測(cè)到了褐飛虱起飛大多在傍晚到黃昏之間,起飛后在近地層逆溫層頂以上,大氣邊界層頂以下的高度水平飛行,平均遷飛層頂高度為800—1100 m,很少到1500 m,并且褐飛虱密度的垂直分布出現(xiàn)明顯的成層現(xiàn)象[18-19]。

褐飛虱遷飛并不是由單一的因素所決定,是由多個(gè)因素共同影響的,其中一種或兩種因素起主要作用,造成褐飛虱遠(yuǎn)距離的遷飛、不同種群動(dòng)態(tài)的變化和分布特征。由于風(fēng)媒昆蟲(chóng)與氣溶膠粒子具有相似的性質(zhì),本文將利用WRF-Flexpart耦合模式,采用Pender[20]歸納的褐飛虱遷飛參數(shù)(起飛時(shí)間、飛行溫度閾值、飛行高度和飛行持續(xù)時(shí)間等)來(lái)研究褐飛虱南遷過(guò)程中,復(fù)雜大氣物理脅迫條件對(duì)褐飛虱南遷的影響,以期該研究能對(duì)中國(guó)褐飛虱的測(cè)報(bào)與防治、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及糧食安全具有重要的參考價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)及個(gè)例概況

褐飛虱蟲(chóng)情資料選自我國(guó)南方稻區(qū)植保站的逐日褐飛虱燈誘數(shù)據(jù)匯總表,由農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心提供。褐飛虱燈誘數(shù)據(jù)的當(dāng)日記錄為前一日08:00時(shí)至當(dāng)日08:00時(shí)(北京時(shí)間,下同)的實(shí)際遷入蟲(chóng)量,模擬時(shí)間應(yīng)從前一日開(kāi)始。

2009年9月30日—10月7日,在我國(guó)南方地區(qū)出現(xiàn)了大范圍降水過(guò)程,期間,福建省沿海地區(qū)、江西南部和湖南省西南部地區(qū)降水較多且溫度較高,江西省中、北部降水量較少且溫度較低,而湖北省只有零星降水卻溫度較高。本文選取此次天氣過(guò)程對(duì)褐飛虱遷飛有明顯影響的重大遷飛事件,分析大氣動(dòng)力場(chǎng)、降水、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)對(duì)褐飛虱遷飛軌跡和降落蟲(chóng)量分布的影響,旨在對(duì)比分析褐飛虱南遷過(guò)程中不同時(shí)間段、不同區(qū)域復(fù)雜大氣物理背景對(duì)褐飛虱遷飛和降落的影響。

1.2 方法

1.2.1 WRF模式及參數(shù)化方案

使用WRF 3.6雙向三重嵌套,模式初始場(chǎng)所用氣象資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP,National Centers for Environmental Prediction)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。模擬以(34.01°N,117.22°E)為中心點(diǎn),垂直方向分27層,積分初始時(shí)間為2009年9月30日08:00,終止時(shí)間為10月8日07:00,積分時(shí)間步長(zhǎng)是180 s,模式參數(shù)化方案見(jiàn)表1,每小時(shí)輸出1次模擬結(jié)果。

表1 WRF模式參數(shù)化方案

1.2.2 Flexpart模式及參數(shù)設(shè)置

Flexpart模式是挪威大氣研究所(Norwegian Institute for Air Research)研究開(kāi)發(fā)的大氣擴(kuò)散模式,該模式基于拉格朗日算法,適用于大范圍的大氣傳輸和擴(kuò)散過(guò)程。通過(guò)后向算法,Flexpart模式可以用來(lái)分析諸如溫室氣體和顆?；覊m等的潛在影響區(qū)域[21]。

采用WRF輸出的氣象場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)Flexpart模式計(jì)算褐飛虱遷飛軌跡,采用后向模擬分析大氣物理脅迫對(duì)褐飛虱遷飛及其密度分布的影響。模擬設(shè)置15個(gè)植保站作為釋放點(diǎn)源(即降蟲(chóng)地),采樣率為1200 s,同步間隔600 s。褐飛虱起飛大多發(fā)生在傍晚的日落前后,晚秋溫度較低時(shí),褐飛虱遷出高峰多出現(xiàn)在下午溫度較高時(shí)刻[22],且褐飛虱夜間降落的情況多于白天。故本文的后向模擬設(shè)置以降蟲(chóng)地為起點(diǎn),釋放開(kāi)始時(shí)間為每日18:30,釋放結(jié)束時(shí)間為前一日07:30,即假設(shè)當(dāng)日18:30至前一日7:30之間均有褐飛虱降落。由于秋季褐飛虱遷飛的最長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)約為35 h左右,故本文設(shè)置的模擬最大時(shí)長(zhǎng)為35 h(即后推35 h后褐飛虱的落點(diǎn)位置為軌跡的最遠(yuǎn)起點(diǎn)),如18:30釋放的軌跡群,最長(zhǎng)后推35 h,則褐飛虱種群應(yīng)當(dāng)是前一日7:30起飛的；而該軌跡群中包括了遷飛歷時(shí)分別為1—35 h不等的各種軌跡；以此類推,可通過(guò)釋放不同時(shí)間間隔的設(shè)置(如每隔3 h、1.5 h、1 h、0.5 h、10 min、5 min甚至1 s,本文中以1.5 h為間隔)計(jì)算出當(dāng)日18:30至前一日7:30之間后推最大時(shí)長(zhǎng)35 h或1—35 h不同時(shí)長(zhǎng)的褐飛虱遷飛軌跡群,將這些軌跡群的后推終點(diǎn)位置導(dǎo)入ArcGIS中制成空間分布圖。分別對(duì)2009年10月2—7日中每日褐飛虱的遷入進(jìn)行一次后向模擬,則得到遷飛過(guò)程N(yùn)o.1—No.6,將這些過(guò)程的軌跡群落點(diǎn)分布圖連續(xù)排列則得到如圖3所示的遷入蟲(chóng)量模擬分布圖。

1.2.3 遷飛軌跡和蟲(chóng)量分布的計(jì)算方法

由WRF-Flexpart模式得到褐飛虱遷飛的相關(guān)數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高度和該位置的氣象要素等)。有效數(shù)據(jù)判定：后向模擬釋放點(diǎn)(起點(diǎn))為植保站測(cè)點(diǎn),終止點(diǎn)為褐飛虱的可能蟲(chóng)源地且有水稻生長(zhǎng)的地區(qū)；空中飛行期間,其飛行高度不低于16℃溫度層的高度；褐飛虱遷飛過(guò)程中不能通過(guò)強(qiáng)降水區(qū)域或大范圍降水區(qū)域。

首先,分別統(tǒng)計(jì)不同釋放地點(diǎn)、不同時(shí)刻的褐飛虱位置數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.0空間分析法[23]分別對(duì)各后向逆推時(shí)間段褐飛虱遷飛位置和路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,即可得到不同時(shí)間段褐飛虱的遷飛軌跡(回推軌跡)。其次,把褐飛虱的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)圖層,并且將模擬區(qū)域劃分成0.5°×0.5°網(wǎng)格,通過(guò)把褐飛虱點(diǎn)圖層與模擬區(qū)域的網(wǎng)格關(guān)聯(lián)來(lái)統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)的褐飛虱數(shù)量,從而得出模擬的褐飛虱蟲(chóng)量密度分布。

1.2.4 遷飛方位角及遷飛距離計(jì)算方法

Thaddeus Vincenty基于地球是一個(gè)橢球體的假設(shè),根據(jù)迭代算法計(jì)算已知的兩個(gè)球體表面點(diǎn)之間的方位角和橢球面距離(緯度以正北方向?yàn)檎唤?jīng)度以正東方向?yàn)檎?[24-25]。這種算法比基于地球是球形的假設(shè)計(jì)算得到的大圓距離更加精確。本文中,褐飛虱遷飛方位角和遷飛距離度量的起點(diǎn)為后推模擬的褐飛虱起飛點(diǎn)的位置,終點(diǎn)為模擬的釋放點(diǎn),即降蟲(chóng)站的位置。

2 結(jié)果與分析

2.1 褐飛虱燈誘蟲(chóng)量的分布特征

2009年10月1日—6日各植保站的褐飛虱燈誘蟲(chóng)量分布圖(圖1),褐飛虱向西南方向遷入各地稻區(qū),南方地區(qū)各站蟲(chóng)量均有增減。期間,褐飛虱主要分布于福建東部沿海地區(qū)、江西南部和湖南西南部稻區(qū),而10月1日—6日湖北東部、江西中部和北部各站褐飛虱遷入零星出現(xiàn)。2009年10月1日,江西南部(信豐縣)最多達(dá)到15000頭,福建褐飛虱遷入蟲(chóng)量也較多,其東部沿海地區(qū)單站日遷入量可達(dá)到千頭以上,湖南省西南部地區(qū)遷入量?jī)H次于福建稻區(qū),單站日遷入量也達(dá)千頭以上。2日,福建各站褐飛虱遷入蟲(chóng)量有所減少,均低于1000頭,浙江各站褐飛虱遷入蟲(chóng)量增加。3日,浙江和福建中部褐飛虱蟲(chóng)量開(kāi)始減少,福建沿海地區(qū)蟲(chóng)量較多。湖南西南部稻區(qū)褐飛虱蟲(chóng)量增加。4—5日,福建、浙江和湖南各站褐飛虱蟲(chóng)量均有不同程度的減少,福建沿海地區(qū)褐飛虱蟲(chóng)量仍較多。6日,除湖南西南部站點(diǎn)的褐飛虱蟲(chóng)量有所增加外,福建、浙江和湖南其他地區(qū)各站褐飛虱蟲(chóng)量均繼續(xù)減少。

圖1 2009年10月1日—10月6日中國(guó)南方水稻主產(chǎn)區(qū)各植保站褐飛虱燈誘蟲(chóng)量分布Fig.1 Distribution of N. lugens′ light trap catches in the main rice-growing regions of south China during 1st — 6th Oct. in 2009

2.2 氣象要素場(chǎng)對(duì)褐飛虱遷飛距離和方位角的影響

褐飛虱的空中遷飛因其主動(dòng)遷飛速度遠(yuǎn)小于空中水平氣流的速度而只能順風(fēng)遷飛,當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)有利于褐飛虱的遠(yuǎn)距離遷飛,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3—8 m/s時(shí),褐飛虱順風(fēng)遷飛很明顯,遷飛方向與風(fēng)向一致[4]。遷飛過(guò)程N(yùn)o.1期間(9月30日—10月2日,圖2),冷空氣由我國(guó)東北地區(qū)和朝鮮半島侵入我國(guó)山東省境內(nèi)。受冷空氣影響,浙江地區(qū)以東北風(fēng)為主,江蘇及其附近地區(qū)地面氣溫較低約在21℃左右。河南、湖北和湖南地面氣溫約24℃左右,湖南地區(qū)風(fēng)向以北風(fēng)和東北風(fēng)為主。福建、廣西和廣東地區(qū)以東北風(fēng)為主,氣溫均高于24℃。隨著冷空氣繼續(xù)向西南方向推進(jìn),南方各地區(qū)氣溫繼續(xù)下降。此時(shí),浙江南部比北部褐飛虱遷入蟲(chóng)量多(圖1)。福建沿海地區(qū)風(fēng)速較小,大量褐飛虱由江蘇和浙江北部向福建沿海地區(qū)遷入。湖南西部風(fēng)速較大,以東北風(fēng)為主,褐飛虱種群取東北—西南方向遷入湘西南。各站點(diǎn)褐飛虱遷飛距離和方向見(jiàn)表2,褐飛虱遷飛軌跡以偏北至偏南方向居多。

同樣,遷飛過(guò)程N(yùn)o.2—No.6期間(10月1日—7日),隨著冷空氣的南下,我國(guó)中部和南部地區(qū)大范圍降溫,福建和廣東以西北風(fēng)-東北風(fēng)為主,地面氣溫約在20—24℃(圖2)。褐飛虱種群主要從東北方向遷入且遷飛距離較遠(yuǎn),最遠(yuǎn)可達(dá)600 km以上(表2)。而安徽、江蘇、浙江和江西東北部地面氣溫均低于22℃,浙江地區(qū)以西北風(fēng)-東風(fēng)為主,褐飛虱的主要遷入方向以偏西至偏南為主。湖南和湖北氣溫持續(xù)降低,約在22℃左右,以東北風(fēng)為主(圖2)。遷入湖南湘陰、洪江和東安的褐飛虱種群的遷飛距離大于200.0 km,而湖南龍山因受山地地形阻擋,風(fēng)速較小,褐飛虱遷飛距離較短,約為34.0—198.5 km(表2)。

2.3 氣象要素場(chǎng)對(duì)褐飛虱遷入蟲(chóng)量分布的影響

2009年9月30日至10月7日褐飛虱歷次遷飛過(guò)程中的遷入蟲(chóng)量密度分布如圖3。9月30日至10月3日,隨著冷鋒的推進(jìn),冷空氣影響我國(guó)長(zhǎng)江下游地區(qū),華東地區(qū)普遍開(kāi)始降溫。長(zhǎng)江下游地區(qū)盛行東北風(fēng)-東風(fēng),盛行風(fēng)促使褐飛虱種群從長(zhǎng)江中下游地區(qū)逐漸向西南至東南方向遷入湖南、浙江和福建等稻區(qū)。湖南省的蟲(chóng)源主要來(lái)自兩湖交界區(qū),最遠(yuǎn)可至湖北省東南部。浙江的蟲(chóng)源主要來(lái)自江蘇和上海稻區(qū)。降落在福建稻區(qū)的褐飛虱種群主要來(lái)自浙江北部稻區(qū)。10月4日冷鋒后的冷高壓主體南下且逐漸減弱,我國(guó)南方地區(qū)降溫持續(xù)但降溫幅度逐漸減小,東南沿海地區(qū)以北到東北風(fēng)為主且風(fēng)速較大。因此,福建和浙江地區(qū)的褐飛虱遷入量有所增加。10月6日,又一股弱冷空氣從西北方向侵入我國(guó)東南部地區(qū),該地區(qū)氣溫繼續(xù)降低,弱冷空氣對(duì)相對(duì)偏向西南的湖南等地的氣溫影響相對(duì)較小,但對(duì)東南部地區(qū)影響較大。東南沿海部分地區(qū)依舊盛行東南風(fēng),但湖南(因盛行風(fēng)向轉(zhuǎn)變)、福建和浙江各地褐飛虱遷入量明顯減少。

圖2 地面氣溫場(chǎng)和925 hPa風(fēng)場(chǎng)Fig.2 Temperature field on the surface and wind field on 925 hPa

站點(diǎn)StationNo.1No.2No.3No.4No.5No.6距離Dis.方向Dir.距離Dis.方向Dir.距離Dis.方向Dir.距離Dis.方向Dir.距離Dis.方向Dir.距離Dis.方向Dir.福清75.8S79.3S479.4SSW518.1SW555.1SW531.4SSW同安74.2S107.8SW492.3SW577.8WSW524.5SW618.5SW霞浦61.1ESE74.9SE323.6SSW331.7WSW264.7SW419.5SW龍海49.0SW28.5SSE463.3SSW527.8SW384.7SW400.1SW新羅74.7SSE113.3SSW294.3SW396.7SW476.3SW451.9SW永安68.4SSE44.2SE216.1SW259.6WSW508.1SW374.2SW仙游73.7SW92.2SW104.3SSW479.6WSW402.9WSW571.7SW湘陰217.2SW237.8SW231.6SW198.0SW277.0SW225.7SW龍山87.8S198.5SW111.1SSW34.0SSW139.8S50.4WSW洪江220.0SW256.3SW249.3SW238.3SW344.0SW231.6WSW東安243.6WSW281.8SW295.8SW248.6SW383.3SW301.3WSW蕭山460.3SE303.2SSW303.0SSW213.8WSW246.0WSW241.6SW溫州124.8SSE274.8S390.4SSW389.6SW415.1SW397.5SW龍游387.4WSW274.0S324.2SSW242.9WSW352.0SW--宣州373.0WSW250.2SSW220.1SSW196.3SW176.9SW118.9WSW

圖3 不同遷飛期褐飛虱遷入蟲(chóng)量的模擬分布Fig.3 Spatial distribution of N. lugens′ simulated immigrating populations in different migration periods

對(duì)褐飛虱遷飛過(guò)程N(yùn)o.1(9月30日—10月2日,如圖3)進(jìn)行了詳細(xì)分析,從沿Line01方向的溫度、垂直速度和相對(duì)濕度剖面圖(圖4,圖5)上可以看出,福建沿海地區(qū)近地面至925 hPa氣溫約在22℃以上,850 hPa氣溫約在16—18℃。該地區(qū)有較適宜的溫度和相對(duì)濕度條件,尤其在高空925 hPa高度上相對(duì)濕度大于70%,更宜于褐飛虱向該地區(qū)的遷入。在(117.5°E,24.0°N)至(119.5°E,26.3°N)剖面附近,有較強(qiáng)的下沉氣流,非常有利于褐飛虱的降落,且福建沿海地區(qū)降水明顯,降水脅迫的動(dòng)力拖曳作用也是此次福建地區(qū)褐飛虱集中降落的主要原因。而實(shí)際上這一時(shí)段福建沿海地區(qū)各植保站均有較多的褐飛虱降落。從沿Line02方向的溫度、垂直速度和相對(duì)濕度剖面圖(圖4,圖5)上可以看出,江西中部和北部稻區(qū)近地面氣溫低于24℃,925 hPa溫度低于20℃。該地區(qū)相對(duì)濕度較小,除中部略偏南的小范圍區(qū)域925 hPa相對(duì)濕度大于60%以外,其它區(qū)域均小于50%,溫度和相對(duì)濕度條件都不是很好,不適宜于褐飛虱的遷入。雖然江西中部16℃層(遷飛層頂)可達(dá)1750 m(即825 hPa),并有一片弱下沉氣流區(qū),但由于其溫度和下沉氣流條件均不如Line01、Line03所經(jīng)地區(qū),因此,褐飛虱降落的熱力和動(dòng)力條件不如福建沿海稻區(qū)和湘西南地區(qū)。從沿Line03的溫度、垂直速度和相對(duì)濕度剖面圖(圖4,圖5)上可以看出,湖南西南部稻區(qū)近地面至925 hPa氣溫均在20℃以上,925 hPa(最適遷飛層)氣溫約在20—22℃,且相對(duì)濕度約為50%—70%,溫濕條件非常適宜于褐飛虱的遷入；(111.0°E,26.1°N)附近剖面有較強(qiáng)的下沉氣流區(qū)。較之湖南東部地區(qū),湖南西部近地面和925 hPa的氣溫更適宜,下沉氣流更強(qiáng),更適宜于褐飛虱的降落。其它遷飛過(guò)程也能得到類似的結(jié)論(其溫度、垂直速度和相對(duì)濕度的剖面圖略)。

圖4 遷飛過(guò)程N(yùn)o.1的溫度和垂直速度剖面圖(9月30日—10月2日,剖線如圖3所示)Fig.4 Patterns of temperature and vertical velocity during 30th Sep. — 2nd Oct. (Section line as shown in Fig.3)

圖5 遷飛過(guò)程N(yùn)o.1的相對(duì)濕度剖面圖(9月30日—10月2日,剖線如圖3所示)Fig.5 Pattern of relative humidity during 30th Sep. — 2nd Oct. (Section line as shown in Fig.3)

研究發(fā)現(xiàn),褐飛虱遷入蟲(chóng)量在近地面溫度高于26℃、相對(duì)濕度(925 hPa)大于70%且下沉氣流較強(qiáng)的地區(qū)分布最多,其次是近地面溫度為24—26℃、相對(duì)濕度(925 hPa)介于70%和50%之間且下沉氣流較強(qiáng)的地區(qū)。而在近地面溫度低于24℃、相對(duì)濕度(925 hPa)小于50%、無(wú)明顯下沉氣流的地區(qū)未發(fā)現(xiàn)有褐飛虱種群的遷入。通過(guò)模擬2009年9月30日至10月7日的褐飛虱南遷過(guò)程,發(fā)現(xiàn)遷飛軌跡和遷入蟲(chóng)量的模擬結(jié)果與同期實(shí)際褐飛虱燈誘蟲(chóng)量的變化有較好的一致性(表3)。

表3 不同區(qū)域褐飛虱遷飛環(huán)境參數(shù)的對(duì)比

3 結(jié)論與討論

本研究選取2009年9月30日—10月7日在中國(guó)南方地區(qū)出現(xiàn)大范圍降水的一次褐飛虱重大南遷過(guò)程來(lái)研究氣象要素場(chǎng)對(duì)遷飛的影響。期間,福建省沿海地區(qū)、江西南部、湖南西南部降水較多且溫度較高,江西省中部和北部降水量較少且溫度較低,而湖北省只有零星降水卻溫度較高。利用WRF-Flexpart耦合模式模擬了此次天氣過(guò)程中褐飛虱遷飛軌跡及其遷入蟲(chóng)量的空間分布。在褐飛虱遷飛過(guò)程N(yùn)o.1—No.6(9月30日—10月7日),湖北地區(qū)主要受大氣動(dòng)力脅迫(無(wú)降水)和大氣熱力脅迫的共同作用,有一定量的褐飛虱種群向該地區(qū)遷飛和降落。福建沿海地區(qū)、江西南部地區(qū)和湖南西南部地區(qū)受大氣動(dòng)力脅迫(包括降水)、大氣熱力脅迫和大氣水分脅迫(相對(duì)濕度)的共同作用,有大量的褐飛虱種群向這些地區(qū)遷飛和降落。而整個(gè)遷飛過(guò)程中,江西中部和北部地區(qū)有利于褐飛虱種群遷入和降落的大氣動(dòng)力、大氣熱力和大氣水分條件均不是很適宜,雖然在遷飛過(guò)程N(yùn)o.1—No.2(9月30日—10月3日)中該地區(qū)有少量的降水,但在遷飛過(guò)程N(yùn)o.3—No.6(10月2日—10月7日)中該地區(qū)卻無(wú)降水,該地區(qū)的地面及低空(常規(guī)遷飛層)溫度一直較低、相對(duì)濕度一直較小,不利于褐飛虱種群向該地區(qū)的遷飛和降落。

研究結(jié)果表明,風(fēng)和垂直氣流為此次褐飛虱遷飛過(guò)程提供了必要的動(dòng)力條件,是褐飛虱南遷的主要?jiǎng)恿σ蛩?風(fēng)的盛行方向決定了中國(guó)褐飛虱秋季回遷的方向,下沉氣流是秋季南遷降蟲(chóng)的關(guān)鍵動(dòng)力因素。其次是濕度條件,由于福建、江西中北部和湖北三地緯度相近,一般無(wú)降水情況下低空和近地氣層相對(duì)濕度相差不大,而此次降水過(guò)程卻使得3個(gè)地區(qū)大氣濕度分布相差明顯,導(dǎo)致降蟲(chóng)分布差異明顯,表明大氣水分對(duì)褐飛虱南遷和降落有著重要的脅迫作用。溫度是在春秋過(guò)渡季影響褐飛虱遷入和降落的重要條件之一,無(wú)論是低空適宜遷飛層還是近地氣層,溫度在秋季回遷過(guò)程中的熱力脅迫作用不可忽視,本文的研究還表明：褐飛虱的秋季回遷總是向著溫暖而濕潤(rùn)的地方遷飛的,溫濕條件共同制約或影響著褐飛虱的遷飛行為,這與江廣恒等[17]、程極益等[26]、胡高等[27]和程遐年等[28]的研究結(jié)論一致。本文只選取了一個(gè)典型的秋季回遷個(gè)例,分析了大氣物理脅迫對(duì)褐飛虱遷飛和降落的影響,普遍的規(guī)律、可業(yè)務(wù)化的氣象預(yù)警預(yù)報(bào)指標(biāo)需要通過(guò)大量個(gè)例的綜合分析、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的驗(yàn)證等來(lái)總結(jié)、提取、歸納和推廣試用。

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A modeling study ofNilaparvatalugens′ return migration by using WRF-Flexpart

LIU Yao1,2,3, BAO Yunxuan1,2,*, LU Minghong4, LIU Wancai4

1 Key Laboratory of Agricultural Meteorology in Jiangsu Province, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China2 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China3 Key Laboratory of Characteristic Agrometeorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management in Arid Regions, CMA, Yinchuan 750002, China4 National Agricultural Technology Extension and Service Center, Ministry of Agricultural, Beijing 100125, China

Nilaparvatalugens(N.Lugens) is one of the pests which have a large detrimental impact on rice production in Asia. Long-distance migration and population distribution are highly dependent on large-scale atmospheric circulation and local weather condition. The observational data of light-trapped pests from 1979 to 2015 were analyzed to quantify the impact of large-scale atmospheric circulation on southward migration ofN.Lugens. A typical heavy event of southward migration occurring in the major rice-growing regions of the southern China from September 30th to October 7th, 2009 was presented to discuss the impact of different weather conditions on immigration population ofN.Lugensin different rice-growing areas in South or Southeast China. The event was characterized by large-range precipitation in South China. A large amount of precipitation and high temperature were observed in the coastal regions of Fujian Province, South Jiangxi Province, and Southwest Hunan Province. In contrast, the rainfall was much less and temperature was relatively lower in the middle and north parts of Jiangxi Province compared to other regions and the rainfall was sporadic and the temperature was high in Hubei Province. As a result, the amount of light-trappedN.Lugenswas the largest in the coastal regions of Fujian Province, South Jiangxi Province, and Southwest Hunan Province, and the least in the middle and north parts of Jiangxi Province. The trapped amount in Hubei Province lied in between the two previous group regions. In this study, an online-coupling system of the Weather Research and Forecast Model (WRF) with FLEXible PARTicle dispersion model (FLEXPART) was utilized to simulate the meteorological conditions and to calculate the trajectories and the parameters associated withN.lugens′ migration. ArcGIS (a geographic information system software) was used to perform detailed spatial analysis and the Vincenty′s formula was applied to the calculation of azimuth and distance of migration. Several important results were identified from the study. First, meteorological factors including wind fields, rainfall, temperature, humidity conditions played vital and different roles in the immigration and land-falling ofN.lugensin different areas during different periods and contributed the discrepancy of temporal and spatial distributions ofN.lugens′ migration population. Second,N.lugenstended to immigrate toward the warm and humid areas. Migrating direction and migrating distance were determined by wind direction and wind speed of prevailing winds, respectively. Third, the immigrating amount ofN.lugenswas small at the beginning but can be accumulated to a significant level in a short time period. Fourth, within the certain range of air temperature, air humidity is the key parameters in determining migration population and temporal-spatial distribution. ImmigratingN.lugenswere concentrated in the regions with 2 m temperature higher than 26℃ and the relative humidity higher than 70% at the 925 hPa level whereas very few immigratingN.lugenscan be observed in the region with 2 m temperature lower than 24℃ and the relative humidity less than 50% at 925 hPa level.

Nilaparvatalugens(St?l); weather condition; WRF-FLEXPART model; migration trajectory; distribution of immigrating heads

國(guó)家自然科學(xué)基金(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- 12- 31; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201512312615

*通訊作者Corresponding author.E-mail: baoyx@nuist.edu.cn

劉垚,包云軒,陸明紅,劉萬(wàn)才.基于WRF-Flexpart的一次褐飛虱回遷過(guò)程模擬研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(13):4466- 4475.

Liu Y, Bao Y X, Lu M H, Liu W C.A modeling study ofNilaparvatalugens′ return migration by using WRF-Flexpart.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4466- 4475.