梁 麗 馬舒慶 滕玉鵬 胡 程 崔 鎧 吳東麗 吳 蕾 胡 姮 朱永超 張光磊

1)(中國氣象局氣象探測中心, 北京 100081) 2)(中國科學(xué)院大氣物理研究所, 北京 100029) 3)(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所, 北京 100081) 4)(北京華云東方探測技術(shù)公司, 北京 100081)

引 言

全球氣候變化加劇,沙漠飛蝗、草地貪夜蛾等大規(guī)模的蟲害與日俱增,蟲害會造成重大農(nóng)業(yè)損失,同時(shí)也嚴(yán)重威脅糧食安全。據(jù)全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心預(yù)測,2022年我國主要糧食作物重大病蟲害呈重發(fā)態(tài)勢,較2016—2020年平均值增長10.1%,蟲害可對70%以上的糧食作物產(chǎn)區(qū)構(gòu)成威脅[1]。傳統(tǒng)藥物防治蟲害的方式已不能滿足當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)需求,過多使用化學(xué)農(nóng)藥將嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[2],實(shí)現(xiàn)蟲害精準(zhǔn)監(jiān)測和防治已迫在眉睫。傳統(tǒng)生物活動監(jiān)測采用定點(diǎn)調(diào)查、誘捕、卵巢解剖、分子遺傳標(biāo)記等方式[3-6],這些方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力且監(jiān)測覆蓋范圍有限、時(shí)空分辨率較低,難以滿足現(xiàn)代化蟲害監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警需求[7]。

天氣雷達(dá)可大范圍探測空中生物遷飛活動。Martin等[8]利用美國S波段、X波段、W波段天氣雷達(dá)發(fā)現(xiàn)夜間晴空回波基本由昆蟲引起。Van Den Broeke[9]發(fā)現(xiàn)鳥類和昆蟲在熱帶氣旋環(huán)流中心活動時(shí)會產(chǎn)生雷達(dá)回波。Westbrook等[10]使用WSR88D雷達(dá)成功監(jiān)測了玉米螟的遷飛過程。Park等[11]利用雙偏振(極化)天氣雷達(dá)得到昆蟲回波和鳥類回波的偏振特征。天氣雷達(dá)觀測技術(shù)逐步應(yīng)用于空中生物監(jiān)測[12-13],歐洲的氣象雷達(dá)信息交換運(yùn)行計(jì)劃(Operational Program on the Exchange of Weather Radar Information,OPERA)建成了歐洲動物活動雷達(dá)監(jiān)視網(wǎng)(European Network for the Radar Surveillance of Animal Movement,ENRAM),實(shí)現(xiàn)了大陸尺度動物遷徙遙感監(jiān)測[14]。美國利用氣象雷達(dá)(next-generation weather radar,NEXRAD)的觀測結(jié)果獲得大陸鳥類遷徙數(shù)據(jù),為鳥類棲息地保護(hù)以及其他生物學(xué)觀測提供數(shù)據(jù)支撐[15-16]。天氣雷達(dá)網(wǎng)已逐步成為空中生物活動大范圍監(jiān)測的重要工具,可為生態(tài)學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù)[17]。

自20世紀(jì)90年代我國逐步建立了以S波段和C波段多普勒天氣雷達(dá)為主的天氣雷達(dá)網(wǎng),但利用天氣雷達(dá)對空中生物活動監(jiān)測的研究尚處于起步階段。生物回波與氣象回波特征不同,業(yè)務(wù)上生物回波常被作為雜波濾除[18-19],陶法等[20]分析了Ka波段云雷達(dá)晴空回波特征,滕玉鵬等[21]和張林等[22]分析了天氣雷達(dá)夜間晴空回波產(chǎn)生原因,曾正茂等[23]研究了Ka波段毫米波云雷達(dá)觀測的非云回波特征。隨著晴空回波特征的深入研究,人們逐步開展空中生態(tài)目標(biāo)物的特征研究,并設(shè)計(jì)開發(fā)生物回波識別算法,研制天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全國范圍空中生物活動實(shí)時(shí)監(jiān)測。2022年5月天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)投入試運(yùn)行。

圖1 天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Layout of Weather Radar Aerial Ecological Monitoring System

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

天氣雷達(dá)回波信號包括降水回波信號、地物回波信號、湍流回波信號、生態(tài)(昆蟲、鳥類)回波信號等。氣象應(yīng)用通常只關(guān)注降水回波信號,其他回波信號作為雜波濾除,天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測是將回波信號中的生態(tài)回波提取出來。我國擁有世界上最大的多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng),為開展全國空中生態(tài)監(jiān)測提供了條件。天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)利用生物回波識別算法,從天氣雷達(dá)網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)中識別生物回波并進(jìn)行展示,實(shí)現(xiàn)空中生物活動的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測,為精準(zhǔn)防治蟲災(zāi)提供監(jiān)測技術(shù)與數(shù)據(jù)支持。

天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化要求,設(shè)計(jì)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口、生物回波識別模型和生物活動監(jiān)測產(chǎn)品,系統(tǒng)框架如圖2所示?？梢暬故緦訉?shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)可視化,包括地圖展示、消息接收、數(shù)據(jù)可視化等。面向服務(wù)的架構(gòu)平臺提供可擴(kuò)展性和開放性的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)平臺,包括服務(wù)注冊、業(yè)務(wù)聚合、中介策略、服務(wù)授權(quán)等。應(yīng)用服務(wù)層是系統(tǒng)核心,包括數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、氣象要素分析、生物回波識別、組網(wǎng)分析產(chǎn)品和綜合應(yīng)用產(chǎn)品等。數(shù)據(jù)支撐層提供數(shù)據(jù)服務(wù),包括高速共享盤、數(shù)據(jù)庫、文件存儲器等?？蚣芊?wù)層支撐業(yè)務(wù)系統(tǒng),包括消息引擎、工作流引擎、渲染地圖服務(wù)、高速存儲、容器化技術(shù)、開源框架編程等。

圖2 系統(tǒng)框架圖Fig.2 System framework diagram

1.2 功能模塊

系統(tǒng)功能框架如圖3所示。系統(tǒng)功能模塊分為數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、氣象要素分析、生物回波識別、組網(wǎng)分析產(chǎn)品和綜合應(yīng)用產(chǎn)品。各個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行,通過標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊,實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊間的交互和動態(tài)配置,實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的獨(dú)立測試、處理和替換升級。

圖3 功能框架圖Fig.3 Functional framework diagram

各個(gè)模塊的具體功能如下:①數(shù)據(jù)采集。定時(shí)獲取S波段天氣雷達(dá)、C波段天氣雷達(dá)、X波段天氣雷達(dá)、Ka波段云雷達(dá)的天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù),以及溫度、濕度、風(fēng)場數(shù)據(jù)。②質(zhì)量控制。通過地物雜波抑制、超折射回波抑制和中值濾波等算法,對天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。③氣象要素分析。實(shí)現(xiàn)風(fēng)場疊加分析、溫度疊加分析、濕度疊加分析等,與生物回波產(chǎn)品疊加顯示。④生物回波識別。通過雷達(dá)圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別、生物回波提取、生物密度提取等,獲取生物回波的識別。⑤組網(wǎng)分析產(chǎn)品?；谔崛〉膯握旧锘夭?生成全國范圍生物回波、生物密度、遷飛速度產(chǎn)品、降水回波產(chǎn)品。⑥綜合應(yīng)用產(chǎn)品?；诘乩硇畔⒔M件實(shí)現(xiàn)二維和三維地圖的數(shù)據(jù)可視化顯示框架,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可視化、監(jiān)測報(bào)告和監(jiān)測統(tǒng)計(jì)分析等綜合應(yīng)用產(chǎn)品。

2 技術(shù)方法

開展天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測的核心是從天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中有效識別出生物回波信號,生成生態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品。

2.1 生物回波識別算法

Wilson等[24]發(fā)現(xiàn)美國科羅拉多州和佛羅里達(dá)州邊界層晴空回波主要由生物散射產(chǎn)生,但大氣湍流擴(kuò)散也會產(chǎn)生晴空回波[25]。生物散射引起的晴空回波特征與大氣湍流擴(kuò)散引起的晴空回波特征不同,可以利用偏振特征識別生物回波。利用模糊邏輯方法[26],開發(fā)天氣雷達(dá)雙偏振量、強(qiáng)度值為輸入量的模糊邏輯識別算法,其流程如圖4所示。

圖4 生物回波識別流程Fig.4 Biological echo recognition process

模糊化處理是天氣雷達(dá)特征參數(shù)通過隸屬度函數(shù)處理,將具有物理意義的測量值轉(zhuǎn)化為0～1的隸屬度,隸屬度表征該特征參數(shù)屬于某種回波的可能性,梯形隸屬函數(shù)如圖5所示。對天氣雷達(dá)的差分反射率(單位:dB)、相關(guān)系數(shù)、反射率因子紋理(單位:dB)和差分相位紋理(單位:(°))共4個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行模糊化處理。表1為湍流回波、生物回波和降水回波不同特征參數(shù)的閾值。

圖5 梯形隸屬函數(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of trapezoidal membership function

表1 不同類型回波的指標(biāo)閾值Table 1 Characteristic parameters of different echoes

表1中f1,f2為變量值,與水平反射率因子有關(guān),參數(shù)與降水回波水平反射率因子Zh(單位:dBZ)的關(guān)系[27]為

(1)

(2)

規(guī)則推斷處理是對所有特征參量的隸屬度進(jìn)行加權(quán)求和,得到集成值Si,即為屬于該類回波的可能性。去模糊化處理是比較不同類型雷達(dá)回波的可能性,取可能性最大的回波類型為雷達(dá)數(shù)據(jù)的最后結(jié)果。集成值Si通過式(3)計(jì)算,其中Pi(xj)為第i類回波的第j類數(shù)據(jù)的隸屬度函數(shù),Wij為權(quán)重系數(shù)。

(3)

2.2 空中生物密度算法

與降水粒子類似,空中生物軀體富含水分,可以使電磁波產(chǎn)生散射或反射。但與降水粒子不同的是生物的體型比降水粒子大,產(chǎn)生的回波強(qiáng),且生物散射體表面外形和介電常數(shù)較為復(fù)雜,通常生物的散射截面可采用等效質(zhì)量的長球體建模[28-29]。根據(jù)反射率因子定義推導(dǎo)出生物密度N與天氣雷達(dá)反射率因子Z的關(guān)系:

(4)

式(4)中,N為空中生物密度(單位:km-3),Z為反射率因子(單位:dBZ),δ為生物體后向散射截面積(單位:m2),λ為雷達(dá)波長(單位:m)。

基于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的常見農(nóng)業(yè)害蟲體態(tài)參數(shù),通過FEKO仿真軟件對農(nóng)業(yè)害蟲的生物體后向散射截面積進(jìn)行仿真[30],結(jié)果見表2。

表2 常見昆蟲的體態(tài)參數(shù)及其等效仿真參數(shù)Table 2 Body parameters and equivalent simulation parameters of common insects

將表2仿真結(jié)果帶入式(4),得到農(nóng)業(yè)害蟲密度與天氣雷達(dá)反射率因子的關(guān)系(圖6),結(jié)合我國天氣雷達(dá)靈敏度指標(biāo),可以看到我國天氣雷達(dá)能夠?qū)罩欣ハx的遷飛活動進(jìn)行有效監(jiān)測。

圖6 昆蟲密度與反射率因子關(guān)系Fig.6 Relationship between insect density and reflectivity

3 天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要識別昆蟲和鳥類,2022年5—10月系統(tǒng)開展持續(xù)觀測試驗(yàn),由識別的生物回波特征可知多為昆蟲。

3.1 時(shí)空分布特征

觀測試驗(yàn)結(jié)果顯示昆蟲活動呈現(xiàn)明顯的時(shí)空分布特征。

5月昆蟲主要分布在華東,其中江蘇、安徽數(shù)量最多,贛北、湘南和四川次之,長江三角洲地區(qū)昆蟲數(shù)量整體呈減弱趨勢,贛北、湘南和四川區(qū)域的空間分布無明顯變化。

6月長江三角洲地區(qū)昆蟲數(shù)量呈減弱趨勢,集中在江蘇、安徽兩省,并有沿華北平原向北移動的趨勢,贛北、湘南和四川等地昆蟲空間分布無明顯變化。6月中下旬,華東、華中、華南及東南沿海地區(qū)昆蟲數(shù)量明顯增加,至6月末,昆蟲主要活動于山東、安徽、江蘇、廣東、福建、重慶、四川等地,呈現(xiàn)分布范圍廣、數(shù)量多的特征。

7月昆蟲數(shù)量呈緩慢減少趨勢,分布區(qū)域較6月稀疏。7月末廣西南部、雷州半島及瓊州海峽昆蟲數(shù)量明顯增多,且日間活動明顯。日間活動自7月中旬起,主要集中在華北、華東和華中地區(qū),與夜間活動區(qū)域有所重合,但數(shù)量仍小于夜間。

8月初昆蟲數(shù)量整體呈增加趨勢,且日間數(shù)量多于夜間。8月中旬起,長江中下游地區(qū)昆蟲數(shù)量較多,環(huán)渤海地區(qū)及華北北部陸續(xù)出現(xiàn)數(shù)量高峰,活動區(qū)域逐漸向南移動。8月下旬活動范圍已到達(dá)廣東北部(圖7)。同時(shí),日間生態(tài)目標(biāo)活動開始減弱,夜間生態(tài)目標(biāo)活動明顯強(qiáng)于日間活動。

圖7 2022年8月26日00:00昆蟲活動情況Fig.7 Insect activities at 0000 BT 26 Aug 2022

9月全國昆蟲數(shù)量處于高峰值,環(huán)渤海地區(qū)、華東北部及瓊州海峽為昆蟲活動的集中區(qū),且數(shù)量自北向南增多并呈向南移動趨勢。昆蟲數(shù)量峰值向南移動主要分為兩條路徑:一條由河北、河南、山東向江蘇、安徽、浙江移動,另外一條由重慶、湖南向廣東、廣西移動。9月底昆蟲主要集中于淮河流域、湘中丘陵、四川盆地、瓊州海峽以及東南沿海地區(qū)。

10月昆蟲數(shù)量快速減少,10中下旬山東以北地區(qū)基本監(jiān)測不到昆蟲活動,安徽、江蘇等東部沿海部分省市昆蟲活動僅少量可見,且存在繼續(xù)向南移動趨勢,瓊州海峽及其周邊地區(qū)的昆蟲活動分布明顯多于其他地區(qū)。

3.2 晝夜活動特征

昆蟲活動也呈現(xiàn)明顯日變化特征。河南是我國農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū),也是蟲災(zāi)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域,圖8是2022年5—10月河南鄭州站昆蟲數(shù)量日變化特征。由圖8可見,5—6月每日20:00昆蟲活動逐漸增多,22:00—23:00最盛,之后逐漸減少,次日06:00絕大部分消失。7—8月昆蟲日間活動增多,每日06:00 昆蟲活動開始活躍,12:00—13:00較為頻繁,之后逐漸減少,20:00再次增多,21:00—22:00最盛。9—10月昆蟲活動日變化特征與5—6月基本一致。系統(tǒng)觀測識別的結(jié)果與已有研究結(jié)果一致,余文華[31]對2018年和2019年5—10月渤海灣地區(qū)遷飛昆蟲種群研究表明:遷飛昆蟲以鱗翅目昆蟲為主,且夜蛾科多于鱗翅目其他各科。夜蛾成蟲均在夜間活動,且飛行力較強(qiáng),昆蟲的夜間活動特性導(dǎo)致夜間生物回波更加明顯,回波更強(qiáng)。同時(shí),某些夜行性昆蟲會在日間短距離飛行,部分自主飛行能力很弱的微小昆蟲會在日間借助地面受熱產(chǎn)生的上升氣流在空中活動[32],因此7月和8月在日間可觀測到昆蟲活動。

圖8 2022年5—10月鄭州站昆蟲活動日變化Fig.8 Diurnal activities of insect at Zhengzhou Station from May to Oct in 2022

3.3 遷飛活動特征

我國處于東亞季風(fēng)氣候區(qū),穩(wěn)定的風(fēng)溫場為昆蟲活動提供了有利環(huán)境,昆蟲可隨盛行風(fēng)向規(guī)律性遷飛。利用系統(tǒng)監(jiān)測的昆蟲遷飛方向及遷飛速度產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)昆蟲遷飛方向具有明顯季節(jié)性特征。5月上旬我國昆蟲空中活動呈現(xiàn)自南向北移動(即北遷過程),圖9為2022年5月24日00:00昆蟲遷飛方向。8月下旬昆蟲空中活動迅速轉(zhuǎn)為自北向南移動(即南遷過程),圖10為2022年8月30日21:00昆蟲遷飛方向。由圖9和圖10可見,總體上,昆蟲南遷過程較北遷過程活動面積更大、數(shù)量更多,這是由于生物北遷過程中的繁殖導(dǎo)致生物量明顯增多。王純枝等[33-34]綜合評估北方小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)趨勢,構(gòu)建稻縱卷葉螟的氣象預(yù)測模型,結(jié)合本系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果,有利于制定科學(xué)的蟲災(zāi)防治方案。

圖9 2022年5月24日00:00昆蟲遷飛方向Fig.9 Insect migration direction at 0000 BT 24 May 2022

圖10 2022年8月30日21:00昆蟲遷飛方向Fig.10 Insect migration direction at 2100 BT 30 Aug 2022

4 結(jié) 論

著眼于我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要,天氣雷達(dá)網(wǎng)構(gòu)建的天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具備了全國空中生態(tài)目標(biāo)活動的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力,可開展長時(shí)間連續(xù)觀測。主要結(jié)論如下:

1) 系統(tǒng)基于湍流回波、生物回波、降水回波的散射特性,提取生態(tài)目標(biāo)的回波特征,在模糊邏輯算法基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)空中生態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)可以直觀地顯示全國范圍空中昆蟲時(shí)空分布、遷飛方向及速度、日活動和年遷飛活動規(guī)律。

2) 監(jiān)測結(jié)果顯示:8—9月全國昆蟲數(shù)量大、活動范圍廣,是蟲災(zāi)防治的重點(diǎn)關(guān)注時(shí)間段。5月、6月、9月和10月每日20:00昆蟲活動逐漸增多,22:00—23:00最盛,之后逐漸減少,次日06:00絕大部分消失。7—8月昆蟲開始日間活動,每日06:00昆蟲活動增多,12:00—13:00較為頻繁,之后逐漸減少,20:00昆蟲活動再次增多,21:00—22:00最盛。

3) 5—7月昆蟲遷飛路徑主要為自南向北移動(即北遷過程),8月下旬迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樽员毕蚰弦苿?即南遷過程),昆蟲的南遷過程較北遷過程活動面積更大、數(shù)量更多。

天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)試運(yùn)行顯示,該系統(tǒng)能夠較好地反映昆蟲分布和遷飛,但對害蟲的特征研究還不足,亟需研究害蟲分布。未來將開展空中生態(tài)分類技術(shù)研究,結(jié)合無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測等直接觀測手段,探討雷達(dá)探測數(shù)據(jù)與不同害蟲的關(guān)系,提升系統(tǒng)識別不同種類昆蟲的能力。