FLEXPART模式模擬褐飛虱回遷的適用性

劉 垚,魏 巍,劉 維,王 健,包云軒,楊若子

1 中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風險管理重點實驗室,銀川 750002 2 寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,銀川 750002 3 南京信息工程大學江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室,南京 210044 4 國家氣象中心,北京 100081 5 中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所,北京 100193 6 北京市氣候中心,北京 100089

褐飛虱(Nilaparvatalugens(St?l))是我國主要的水稻害蟲之一[1]。水稻一旦遭到褐飛虱侵害,其生長會受到嚴重影響,稻谷減產(chǎn)甚至絕收[2- 3]。褐飛虱體型和質(zhì)量很小,具有隨風遷飛的特性[4-5],與大氣氣溶膠粒子運動相似,因此,褐飛虱遷飛模擬假設(shè)其為不會自發(fā)運動、只隨氣流運動的粒子,利用風溫場推算褐飛虱遷飛軌跡。早在1987年,Rosenberg和Magor[6]采用等風速流線法分析了褐飛虱順風遷飛的特征。國內(nèi),早期也有采用固定高度上的水平風場[7]和三維空氣質(zhì)點[8]等方法計算褐飛虱的遷飛軌跡。受褐飛虱遷飛理論知識和觀測技術(shù)的限制,雖然風場運動在一定程度上能夠反映褐飛虱的遷飛情況,但隨著對褐飛虱擴散機制和參數(shù)研究的逐漸深入,專家學者認識到單一風場的運動并不能完全地解釋褐飛虱的遷飛擴散狀況,其遷飛還受氣溫、濕度以及褐飛虱生理參數(shù)的影響[9],故而逐漸引入褐飛虱的遷飛參數(shù)和大氣擴散模式等以改進遷飛軌跡運算方法,以更好地模擬褐飛虱遷飛。比如,Turner等[10]和Zhu等[11]引用BLAYER模型模擬褐飛虱的遠距離遷飛特征,并分析了褐飛虱起飛、降落、遷飛歷時和飛行高度等參數(shù)以及褐飛虱種群密度分布情況。Furuno等[12-13]利用GEARN模型對日本10個站的褐飛虱蟲情數(shù)據(jù)做后向模擬,分析了從中國遷飛至日本西部的褐飛虱的可能蟲源地及其與氣象因子的關(guān)系。封傳紅等[14-15]采用訂正的850hPa等壓面上的氣象數(shù)據(jù),引入褐飛虱自主飛行速度和飛行成層高度參數(shù)模擬并分析了我國北方稻區(qū)稻飛虱的遷飛動態(tài)及大發(fā)生的蟲源地。

眾多數(shù)值預(yù)報模式在褐飛虱遷飛模擬研究中也具有其各自的局限性,較早的褐飛虱遷飛模擬是根據(jù)數(shù)值模式模擬的風溫場,利用軌跡分析法推算褐飛虱遷飛軌跡,考慮的氣象要素和物理過程較少。而WRF模式較之以前模式考慮的物理過程更為復雜、計算的精度更高,能夠更精確地反映大氣動力場、溫度場和濕度場。FLEXPART模式既可以通過前向運算來模擬示蹤物由源區(qū)向周圍的擴散,也可以通過后向運算來確定對于固定站點有影響的潛在源區(qū)的分布[16]。該模式能夠處理多種氣象要素輸入場和多種物理過程,豐富了不同類型排放源的輸送、擴散和沉降計算。較之前的研究,WRF-FLEXPART模式[17-21]提高了時空分辨率的精度、全面的考慮了大氣傳輸和沉降的物理過程,能反映大氣條件對褐飛虱遷飛軌跡及其密度的影響,更符合褐飛虱的實際遷飛情況。

褐飛虱遷飛參數(shù)的變化直接影響其降落時間和地域分布估算,也間接影響對其危害程度的評估。Pender[22]總結(jié)了眾多實驗和田間觀測結(jié)果,歸納出褐飛虱遷飛參數(shù),包括起飛時間、飛行低溫閾值、飛行持續(xù)時間和飛行高度等,該參數(shù)得到了普遍的認可。本文將依據(jù)Pender歸納的褐飛虱遷飛參數(shù),利用WRF-FLEXPART模式對褐飛虱遷飛進行模擬,通過實驗觀測檢驗WRF-FLEXPART模式模擬褐飛虱遷飛的適用性,并基于該模式模擬一次特定天氣過程中褐飛虱的遷飛特征。以期該研究能對中國褐飛虱的測報與防治、農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及糧食安全具有重要的參考價值。

1 資料與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

本研究的研究區(qū)域為廣西省桂林市興安縣(25.30—26.92°N,110.23—110.93°E),該地區(qū)中間地勢低,東南和西北兩側(cè)較高,分別分布著都龐山脈和越城嶺山脈。兩大山脈之間的狹長地帶為適宜農(nóng)業(yè)耕作和水果生產(chǎn)的丘陵及河谷平原,種植業(yè)比較發(fā)達。

1.2 氣象數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)

氣象再分析資料由美國國家環(huán)境預(yù)測中心提供,空間分辨率為1°×1°,時間間隔為6h；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括STRM 90m高程和水系數(shù)據(jù),均由國家基礎(chǔ)地理信息中心提供。

1.3 褐飛虱數(shù)據(jù)

2012—2015年,在農(nóng)業(yè)部桂林野外科學觀測試驗站(25.60°N,110.70°E,海拔210m)進行遷飛害蟲(包括褐飛虱、白背飛虱等)的監(jiān)測工作,基地內(nèi)主要種植水稻。利用昆蟲趨光的生理特點,根據(jù)Feng等[23]設(shè)計的姊妹燈中的高空燈的設(shè)置方法,組裝了一套適宜廣西本地使用的探照燈誘蟲器,探照燈為GT75型,裝備燈泡為ZJD1000W的金屬鹵化物燈泡,誘集高度可達500m左右。將組裝的多個漏斗形高空燈放于山上,將塑料桶置于漏斗下方,桶內(nèi)裝有深10cm濃度為5%的洗衣粉溶液以高效捕捉落入桶內(nèi)的蟲體。

探照燈通過定時開關(guān)分時段進行昆蟲誘捕取樣[24],每天19:30時(北京時間,下同)自動開啟,翌日06:00時自動關(guān)閉。共設(shè)置了7臺高空探照燈,分時段取樣：1號燈(19:30—21:00)、2號燈(21:00—22:30)、3號燈(22:30—00:00)、4號燈(00:00—01:30)、5號燈(01:30—03:00)、6號燈(03:00—04:30)、7號燈(04:30—06:00)。昆蟲取樣后直接在室內(nèi)分類統(tǒng)計,在稻飛虱發(fā)生盛期,每晚誘集的種群數(shù)量巨大,此時可將收集的昆蟲中個體較大的樣本先行取出,將剩余樣本平均分割,取一塊進行統(tǒng)計,最后乘以均分的次數(shù)。地面燈誘蟲器使用由佳多科工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的佳多自動蟲情測報燈,該燈專門用于低空蟲情監(jiān)測工作[25]。地面燈誘數(shù)據(jù)的當日記錄為前一日08:00時至當日08:00時的實際遷入蟲量,每天裝換一次接蟲袋,因此模擬時間應(yīng)從前一日開始。

模擬個例的褐飛虱蟲情資料來源于各地(包括廣東、貴州、湖南、湖北、江西和福建等地)植保站的逐日褐飛虱燈誘數(shù)據(jù)匯總表。

2 WRF-FLEXPART模式簡介

2.1 WRF-FLEXPART模式

圖1 WRF-FLEXPART模式運行流程圖Fig.1 WRF-FLEXPART model operation flow chart

WRF-FLEXPART模式是由WRF和FLEXPART兩種模式組成,主要包括前處理、擴散模式和后處理3個部分。前處理包括氣象數(shù)據(jù)和初始參數(shù),為褐飛虱遷飛模擬研究提供氣象背景場；擴散模式主要是計算釋放源軌跡和濃度等,通過模擬褐飛虱遷飛過程,得到褐飛虱的位置數(shù)據(jù)；后處理通過統(tǒng)計分析、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)和驗證方法對模擬結(jié)果進行統(tǒng)計分析和驗證,對褐飛虱的位置數(shù)據(jù)及氣象要素進行加工處理,獲得研究所需的褐飛虱遷飛特征量。WRF-FLEXPART模式主要運行流程見圖1。

2.2 參數(shù)設(shè)置

使用WRF Version 3.6,雙向三重嵌套,模式初始場采用空間分辨率為1°×1°的氣象再分析資料,時間間隔為6h。模擬積分初始時間為2013年9月20日8:00,結(jié)束時間為9月25日8:00,垂直27層,積分時間步長180s,每小時輸出一次結(jié)果,以最內(nèi)層嵌套區(qū)域輸出的氣象背景場來驅(qū)動FLEXPART模式,WRF模式參數(shù)化方案見表1。

表1 WRF模式參數(shù)化方案

采用FLEXPART模式對2013年9月20—24日湖南、湖北和江西等地褐飛虱的遷飛狀況模擬,利用該時間段地面燈誘數(shù)據(jù)進行后向模擬,以確定褐飛虱蟲源地的范圍,再利用蟲源地的燈誘數(shù)據(jù)(即實際蟲量)進行前向模擬,對模擬的各時刻達到興安縣的褐飛虱蟲量的統(tǒng)計結(jié)果與觀測的褐飛虱高空燈誘數(shù)據(jù)進行對比驗證。

褐飛虱起飛大多發(fā)生在日落前后,晚秋溫度較低時,褐飛虱遷出高峰多出現(xiàn)在下午溫度較高時刻[26],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)置以降蟲地為起點,后推開始時間為每日19:00,后推結(jié)束時間為前一日07:30,即假設(shè)前一日7:30至當日18:30之間均有褐飛虱降落。由于秋季褐飛虱遷飛的最長時長約為35h,故設(shè)置最大模擬時長為35h(即后推35h后褐飛虱的落點位置為軌跡的最遠起點),將這些軌跡群的后推終點位置導入GIS中制成空間分布圖。

2.3 遷飛軌跡和蟲量密度分布的計算方法

對褐飛虱遷飛相關(guān)數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)判定：前向模擬起始點為褐飛虱蟲源地,終止點為有水稻生長的落區(qū)；后向模擬起始點為植保站測點,終止點為褐飛虱的可能蟲源地且有水稻生長的地區(qū)；空中飛行期間,其飛行高度不低于16℃溫度層的高度；其遷飛過程中不能通過強降水區(qū)域或大范圍降水區(qū)域。

由WRF-FLEXPART模式得到褐飛虱遷飛的相關(guān)數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度和高度等)。首先,分別統(tǒng)計模式模擬的不同起始地點、不同時刻的褐飛虱位置數(shù)據(jù),利用GIS空間分析法[27]分別對各時間段褐飛虱遷飛位置數(shù)據(jù)進行曲線擬合,即可得到不同時間段褐飛虱的遷飛軌跡。其次,把褐飛虱的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點圖層,并且將模擬區(qū)域劃分成0.5°×0.5°網(wǎng)格,通過把褐飛虱點圖層和模擬區(qū)域的網(wǎng)格關(guān)聯(lián)來統(tǒng)計每個網(wǎng)格單元的褐飛虱數(shù)量,從而得出褐飛虱降落的密度分布。

3 模擬驗證

3.1 遷飛范圍的確定

褐飛虱一次南遷過程最長持續(xù)35h左右。采用WRF-FLEXPART模式對2013年9月20—24日廣西興安縣地面燈誘蟲量(表2)進行后向模擬,模擬時長35h,研究表明褐飛虱遷飛落區(qū)普遍在700km左右[28-29],以此確定興安縣褐飛虱蟲源地的大致范圍(圖2,大圓區(qū)域)。由模擬結(jié)果可以看出,到達興安縣的褐飛虱主要來自其東北方向,包括湖南省東部、湖北省和江西省西北部。

表2 興安縣褐飛虱地面燈誘觀測/頭

圖2 可能到達興安縣的褐飛虱分布范圍Fig.2 Distribution range of N. lugens arrived in Xing′an

3.2 褐飛虱遷飛的模擬

根據(jù)興安縣褐飛虱蟲源地的范圍和南遷遷飛方向,選取2013年9月20—24日湖南、湖北和江西3個省的各植保站地面燈誘數(shù)據(jù)作為褐飛虱蟲源(表3)。褐飛虱起飛一般是在日落之后至日出之前,模擬設(shè)置以當?shù)厝粘鋈章鋾r間為準。褐飛虱前向模擬起始點時間應(yīng)以該時間段為準,因此模擬設(shè)置起始時間為19:00時。

表3 褐飛虱地面燈誘觀測蟲量/頭

3.3 模式適用性驗證

以2013年9月20—24日湖南、湖北和江西三個省的植保站地面燈誘數(shù)據(jù)作為褐飛虱蟲源進行前推模擬,布燈點(25.60°N,110.69°E)周圍0.5°×0.5°范圍且地面至500m高空范圍內(nèi)的蟲量即代表該地區(qū)的褐飛虱蟲量。興安縣褐飛虱高空燈誘觀測如表4,9月20—24日五天整夜均有褐飛虱遷入興安縣。9月20—21日褐飛虱夜間遷入各時刻分布較為均勻,22日夜間褐飛虱突增,各時刻褐飛虱的遷入量均高于前2日；23—24日褐飛虱遷入逐漸較少,但褐飛虱23日集中于后半夜(4:30),24日集中于前半夜(19:30)遷入,遷入量分別為908頭、2356頭。

表4 興安縣褐飛虱高空燈誘蟲量/頭

對比褐飛虱模擬蟲量與觀測值(圖3)可以看出,褐飛虱蟲量模擬值與蟲量觀測值的相近、變化趨勢一致,相關(guān)關(guān)系達到0.49(樣本量N= 35)并且通過了P<0.01的信度檢驗。并且WRF-FLEXPART模式能夠很好地模擬出褐飛虱的遷入峰,如圖4可以發(fā)現(xiàn),褐飛虱的模擬峰值與觀測峰值相近,平均早于觀測峰值1.5h。研究結(jié)果表明WRF-FLEXPART模式適用于褐飛虱遷飛模擬,且模擬精度較好。

圖3 興安縣褐飛虱實測蟲量與模擬蟲量的關(guān)系Fig.3 Relationship between the observed and simulated population of N. lugens at Xing′an

圖4 興安縣褐飛虱實測蟲量與模擬蟲量的對比Fig.4 Comparison of the observed and simulated population of N. lugens at Xing′an

4 個例分析

2008年10月5日—10月7日,我國南方地區(qū)出現(xiàn)一次冷鋒無降水過程,模擬此次天氣過程中褐飛虱遷飛特征。褐飛虱蟲情資料包括廣東、貴州、湖南、湖北、江西和福建等地植保站的逐日褐飛虱燈誘數(shù)據(jù),其中江西、福建和廣西境內(nèi)各植保站在研究時間段內(nèi)未測得有褐飛虱遷入,其余各地區(qū)植保站均有褐飛虱遷入。

4.1 大氣背景

從2008年10月5日6：00起,冷空氣從北向南分股滲透,同時,有熱帶氣旋自南向北影響兩廣地區(qū),廣東地區(qū)氣溫略高,周邊地區(qū)如廣西、湖北、湖南和貴州氣溫較低,均低于15℃。廣東省西南部地區(qū)的相對濕度高于中北部地區(qū)。在850hPa高度上,廣西、貴州、湖南、湖北和廣東西部地區(qū)大部分時間段風向以東北風為主且風速較大,近地面附近以偏東風為主,風速較小。至6日6：00,冷空氣開始影響我國南方大部分地區(qū)；7日6：00,冷高壓逐漸東移出海。

4.2 遷飛軌跡特征

由褐飛虱遷飛軌跡結(jié)果(圖5)可以看出,此時間段褐飛虱主要由我國長江流域地區(qū)向南遷入,該結(jié)果符合褐飛虱秋季向南遷飛的基本規(guī)律。貴州、湖北、湖南和廣東其他植保站遷入的褐飛虱受南下冷空氣輸送的影響,皆以東北向西南方向為主要遷入方向。此時,廣東中南部地區(qū)各植保站測得褐飛虱降落的蟲量增加,而其他地區(qū)的褐飛虱蟲量較少。此次遷飛過程中,大氣條件對褐飛虱遷飛的影響分析結(jié)果與褐飛虱遷飛軌跡模擬結(jié)果相吻合。

圖5 2008年10月5—7日褐飛虱遷飛軌跡Fig.5 Simulated migration trajectory of N. lugens on Oct. 5th—Oct. 7th 2008

4.3 遷入蟲量密度特征

利用GIS空間分析法對10月5—7日褐飛虱遷入蟲量密度(圖6)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),湖南、湖北、江西和廣東西部地區(qū)蟲量密度較大,最大地區(qū)可達到5000頭/(0.5°0.5°)。湖南、江西、兩廣地區(qū)蟲量密度的空間分布為東北—西南走向,該時段兩廣、兩湖地區(qū)盛行東北風且風速較大,且廣東中部溫度較高并伴隨著下沉氣流,有利于褐飛虱種群的遷入；貴州東北部和湖南西北部地區(qū)的褐飛虱蟲量密度較大,在研究時段內(nèi)該區(qū)域的盛行風向由東北向東風轉(zhuǎn)變,且溫度約在20℃,生存條件的適宜,有利于褐飛虱的降落和遷入。受我國中部地區(qū)槽線影響,湖北地區(qū)以西北—東北風為主,氣溫在遷飛過程中低于20℃,不利于褐飛虱的遷入和降落,該地區(qū)褐飛虱遷入蟲量的密度較小約為1000頭/(0.5°0.5°),呈西北—東南方向分布。

圖6 2008年10月5—7日褐飛虱遷入蟲量密度分布圖Fig.6 Simulated density of N. lugens on Oct. 5th—Oct. 7th 2008

5 結(jié)論與討論

研究之所以選用WRF-FLEXPART模式,是因為：①FLEXPART模式將每頭褐飛虱視作一個粒子來模擬,而非如HYSPLIT、BLAYER等模型是把褐飛虱種群視作一個空氣塊。②FLEXPART模式的氣象背景場支持多種數(shù)據(jù)格式輸入,如ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)、WRF等數(shù)值天氣預(yù)報模式結(jié)果。而WRF模式是目前我國業(yè)務(wù)應(yīng)用較為廣泛且輸出場精度較高的模式,其能夠很好地與FLEXPART模式耦合。③FLEXPART模式可以輸出每頭褐飛虱的位置,從而能夠得到褐飛虱的遷飛軌跡和遷飛密度(即單位面積上褐飛虱的蟲量)。這一點對于褐飛虱遷飛的相關(guān)研究非常重要,相比過去“把褐飛虱種群視作一個空氣塊”而得到的褐飛虱遷飛軌跡和類似于空氣污染物的濃度分布,FLEXPART模式的結(jié)果更加精確且更符合褐飛虱遷飛的實際。

本文利用WRF-FLEXPART模式模擬2013年9月20—24日褐飛虱遷入廣西興安縣的遷飛過程,并通過實驗觀測檢驗WRF-FLEXPART模式是否能用于褐飛虱遷飛的模擬研究。各時刻褐飛虱蟲量的模擬結(jié)果與興安縣實驗觀測的高空燈誘數(shù)據(jù)相符、變化趨勢一致,相關(guān)性達到0.49(P<0.01)。遷飛峰的模擬值平均早于觀測值1.5h,而造成這1.5h的誤差可能與以下兩個方面有關(guān)：①假設(shè)“褐飛虱為不會自發(fā)運動、只隨氣流運動的粒子”,而實際上,褐飛虱起飛、空中遷飛均具有一定的主動性,因而模式對其起飛、遷飛的微小主動性模擬存在一定的誤差。②褐飛虱起飛時間與其生理特性有關(guān),日落之后至日出之前均有起飛,并且褐飛虱一般會成群的、大量的起飛時,這也給設(shè)定褐飛虱起飛初始時間和蟲量帶來了很大的困難。個例模擬選取一次冷鋒無降水天氣過程中褐飛虱種群的遷飛過程。通過WRF-FLEXPART模式后處理(遷飛軌跡和遷入蟲量密度分析),可以直觀且較精確地呈現(xiàn)褐飛虱的遷飛特征。結(jié)合天氣學分析可知,風為此次褐飛虱南遷提供了必要的動力條件,降溫引起褐飛虱飛行高度下降直至降落地面是此次降蟲的主要誘因,褐飛虱具有向溫暖地區(qū)遷飛的習性,因此冷鋒南下使得我國由北至南逐漸降溫,導致褐飛虱逐漸向南方溫暖地區(qū)遷飛,最終接近適溫層迫降地面,而地面降蟲區(qū)此時恰好具有良好的大氣環(huán)境和限食條件；再者,由于冷鋒南下,冷暖空氣交匯,局部地區(qū)出現(xiàn)下沉氣流,有助于褐飛虱種群降落。

本文研究結(jié)果表明WRF-FLEXPART模式適用于褐飛虱的遷飛模擬,并且對其遷入峰和遷飛蟲量都有較好的模擬性能。但由于模式初始設(shè)計是應(yīng)用于非生物粒子擴散,并未考慮褐飛虱遷飛過程中的主動性和有限的生命周期,因此模擬結(jié)果與褐飛虱實際的遷飛情況還存在一定的誤差。而褐飛虱測報業(yè)務(wù)中,缺乏連續(xù)的、小時間尺度和密集的蟲情數(shù)據(jù),且沒有可行的動態(tài)監(jiān)測方法和工具,因此,今后的研究方向應(yīng)該是：WRF-FLEXPART模式模擬褐飛虱遷飛過程的誤差校正；通過大量個例的綜合分析和實驗觀測的驗證來歸納褐飛虱遷飛的普遍規(guī)律,繼而提取褐飛虱遷飛的預(yù)警預(yù)報指標。

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