FLEXPART模式模拟褐飞虱回迁的适用性

刘 垚,魏 巍,刘 维,王 健,包云轩,杨若子

1 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,银川 750002 2 宁夏气象防灾减灾重点实验室,银川 750002 3 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室,南京 210044 4 国家气象中心,北京 100081 5 中国农业科学院植物保护研究所,北京 100193 6 北京市气候中心,北京 100089

褐飞虱(Nilaparvatalugens(Stål))是我国主要的水稻害虫之一[1]。水稻一旦遭到褐飞虱侵害,其生长会受到严重影响,稻谷减产甚至绝收[2- 3]。褐飞虱体型和质量很小,具有随风迁飞的特性[4-5],与大气气溶胶粒子运动相似,因此,褐飞虱迁飞模拟假设其为不会自发运动、只随气流运动的粒子,利用风温场推算褐飞虱迁飞轨迹。早在1987年,Rosenberg和Magor[6]采用等风速流线法分析了褐飞虱顺风迁飞的特征。国内,早期也有采用固定高度上的水平风场[7]和三维空气质点[8]等方法计算褐飞虱的迁飞轨迹。受褐飞虱迁飞理论知识和观测技术的限制,虽然风场运动在一定程度上能够反映褐飞虱的迁飞情况,但随着对褐飞虱扩散机制和参数研究的逐渐深入,专家学者认识到单一风场的运动并不能完全地解释褐飞虱的迁飞扩散状况,其迁飞还受气温、湿度以及褐飞虱生理参数的影响[9],故而逐渐引入褐飞虱的迁飞参数和大气扩散模式等以改进迁飞轨迹运算方法,以更好地模拟褐飞虱迁飞。比如,Turner等[10]和Zhu等[11]引用BLAYER模型模拟褐飞虱的远距离迁飞特征,并分析了褐飞虱起飞、降落、迁飞历时和飞行高度等参数以及褐飞虱种群密度分布情况。Furuno等[12-13]利用GEARN模型对日本10个站的褐飞虱虫情数据做后向模拟,分析了从中国迁飞至日本西部的褐飞虱的可能虫源地及其与气象因子的关系。封传红等[14-15]采用订正的850hPa等压面上的气象数据,引入褐飞虱自主飞行速度和飞行成层高度参数模拟并分析了我国北方稻区稻飞虱的迁飞动态及大发生的虫源地。

众多数值预报模式在褐飞虱迁飞模拟研究中也具有其各自的局限性,较早的褐飞虱迁飞模拟是根据数值模式模拟的风温场,利用轨迹分析法推算褐飞虱迁飞轨迹,考虑的气象要素和物理过程较少。而WRF模式较之以前模式考虑的物理过程更为复杂、计算的精度更高,能够更精确地反映大气动力场、温度场和湿度场。FLEXPART模式既可以通过前向运算来模拟示踪物由源区向周围的扩散,也可以通过后向运算来确定对于固定站点有影响的潜在源区的分布[16]。该模式能够处理多种气象要素输入场和多种物理过程,丰富了不同类型排放源的输送、扩散和沉降计算。较之前的研究,WRF-FLEXPART模式[17-21]提高了时空分辨率的精度、全面的考虑了大气传输和沉降的物理过程,能反映大气条件对褐飞虱迁飞轨迹及其密度的影响,更符合褐飞虱的实际迁飞情况。

褐飞虱迁飞参数的变化直接影响其降落时间和地域分布估算,也间接影响对其危害程度的评估。Pender[22]总结了众多实验和田间观测结果,归纳出褐飞虱迁飞参数,包括起飞时间、飞行低温阈值、飞行持续时间和飞行高度等,该参数得到了普遍的认可。本文将依据Pender归纳的褐飞虱迁飞参数,利用WRF-FLEXPART模式对褐飞虱迁飞进行模拟,通过实验观测检验WRF-FLEXPART模式模拟褐飞虱迁飞的适用性,并基于该模式模拟一次特定天气过程中褐飞虱的迁飞特征。以期该研究能对中国褐飞虱的测报与防治、农业防灾减灾及粮食安全具有重要的参考价值。

1 资料与数据

1.1 研究区域

本研究的研究区域为广西省桂林市兴安县(25.30—26.92°N,110.23—110.93°E),该地区中间地势低,东南和西北两侧较高,分别分布着都庞山脉和越城岭山脉。两大山脉之间的狭长地带为适宜农业耕作和水果生产的丘陵及河谷平原,种植业比较发达。

1.2 气象数据与地理信息数据

气象再分析资料由美国国家环境预测中心提供,空间分辨率为1°×1°,时间间隔为6h；基础地理信息数据包括STRM 90m高程和水系数据,均由国家基础地理信息中心提供。

1.3 褐飞虱数据

2012—2015年,在农业部桂林野外科学观测试验站(25.60°N,110.70°E,海拔210m)进行迁飞害虫(包括褐飞虱、白背飞虱等)的监测工作,基地内主要种植水稻。利用昆虫趋光的生理特点,根据Feng等[23]设计的姊妹灯中的高空灯的设置方法,组装了一套适宜广西本地使用的探照灯诱虫器,探照灯为GT75型,装备灯泡为ZJD1000W的金属卤化物灯泡,诱集高度可达500m左右。将组装的多个漏斗形高空灯放于山上,将塑料桶置于漏斗下方,桶内装有深10cm浓度为5%的洗衣粉溶液以高效捕捉落入桶内的虫体。

探照灯通过定时开关分时段进行昆虫诱捕取样[24],每天19:30时(北京时间,下同)自动开启,翌日06:00时自动关闭。共设置了7台高空探照灯,分时段取样：1号灯(19:30—21:00)、2号灯(21:00—22:30)、3号灯(22:30—00:00)、4号灯(00:00—01:30)、5号灯(01:30—03:00)、6号灯(03:00—04:30)、7号灯(04:30—06:00)。昆虫取样后直接在室内分类统计,在稻飞虱发生盛期,每晚诱集的种群数量巨大,此时可将收集的昆虫中个体较大的样本先行取出,将剩余样本平均分割,取一块进行统计,最后乘以均分的次数。地面灯诱虫器使用由佳多科工贸有限公司生产的佳多自动虫情测报灯,该灯专门用于低空虫情监测工作[25]。地面灯诱数据的当日记录为前一日08:00时至当日08:00时的实际迁入虫量,每天装换一次接虫袋,因此模拟时间应从前一日开始。

模拟个例的褐飞虱虫情资料来源于各地(包括广东、贵州、湖南、湖北、江西和福建等地)植保站的逐日褐飞虱灯诱数据汇总表。

2 WRF-FLEXPART模式简介

2.1 WRF-FLEXPART模式

图1 WRF-FLEXPART模式运行流程图Fig.1 WRF-FLEXPART model operation flow chart

WRF-FLEXPART模式是由WRF和FLEXPART两种模式组成,主要包括前处理、扩散模式和后处理3个部分。前处理包括气象数据和初始参数,为褐飞虱迁飞模拟研究提供气象背景场；扩散模式主要是计算释放源轨迹和浓度等,通过模拟褐飞虱迁飞过程,得到褐飞虱的位置数据；后处理通过统计分析、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)和验证方法对模拟结果进行统计分析和验证,对褐飞虱的位置数据及气象要素进行加工处理,获得研究所需的褐飞虱迁飞特征量。WRF-FLEXPART模式主要运行流程见图1。

2.2 参数设置

使用WRF Version 3.6,双向三重嵌套,模式初始场采用空间分辨率为1°×1°的气象再分析资料,时间间隔为6h。模拟积分初始时间为2013年9月20日8:00,结束时间为9月25日8:00,垂直27层,积分时间步长180s,每小时输出一次结果,以最内层嵌套区域输出的气象背景场来驱动FLEXPART模式,WRF模式参数化方案见表1。

表1 WRF模式参数化方案

采用FLEXPART模式对2013年9月20—24日湖南、湖北和江西等地褐飞虱的迁飞状况模拟,利用该时间段地面灯诱数据进行后向模拟,以确定褐飞虱虫源地的范围,再利用虫源地的灯诱数据(即实际虫量)进行前向模拟,对模拟的各时刻达到兴安县的褐飞虱虫量的统计结果与观测的褐飞虱高空灯诱数据进行对比验证。

褐飞虱起飞大多发生在日落前后,晚秋温度较低时,褐飞虱迁出高峰多出现在下午温度较高时刻[26],且褐飞虱夜间降落的情况多于白天。故本文的后向模拟设置以降虫地为起点,后推开始时间为每日19:00,后推结束时间为前一日07:30,即假设前一日7:30至当日18:30之间均有褐飞虱降落。由于秋季褐飞虱迁飞的最长时长约为35h,故设置最大模拟时长为35h(即后推35h后褐飞虱的落点位置为轨迹的最远起点),将这些轨迹群的后推终点位置导入GIS中制成空间分布图。

2.3 迁飞轨迹和虫量密度分布的计算方法

对褐飞虱迁飞相关数据的有效数据判定：前向模拟起始点为褐飞虱虫源地,终止点为有水稻生长的落区；后向模拟起始点为植保站测点,终止点为褐飞虱的可能虫源地且有水稻生长的地区；空中飞行期间,其飞行高度不低于16℃温度层的高度；其迁飞过程中不能通过强降水区域或大范围降水区域。

由WRF-FLEXPART模式得到褐飞虱迁飞的相关数据(经度、纬度和高度等)。首先,分别统计模式模拟的不同起始地点、不同时刻的褐飞虱位置数据,利用GIS空间分析法[27]分别对各时间段褐飞虱迁飞位置数据进行曲线拟合,即可得到不同时间段褐飞虱的迁飞轨迹。其次,把褐飞虱的位置数据转化为点图层,并且将模拟区域划分成0.5°×0.5°网格,通过把褐飞虱点图层和模拟区域的网格关联来统计每个网格单元的褐飞虱数量,从而得出褐飞虱降落的密度分布。

3 模拟验证

3.1 迁飞范围的确定

褐飞虱一次南迁过程最长持续35h左右。采用WRF-FLEXPART模式对2013年9月20—24日广西兴安县地面灯诱虫量(表2)进行后向模拟,模拟时长35h,研究表明褐飞虱迁飞落区普遍在700km左右[28-29],以此确定兴安县褐飞虱虫源地的大致范围(图2,大圆区域)。由模拟结果可以看出,到达兴安县的褐飞虱主要来自其东北方向,包括湖南省东部、湖北省和江西省西北部。

表2 兴安县褐飞虱地面灯诱观测/头

图2 可能到达兴安县的褐飞虱分布范围Fig.2 Distribution range of N. lugens arrived in Xing′an

3.2 褐飞虱迁飞的模拟

根据兴安县褐飞虱虫源地的范围和南迁迁飞方向,选取2013年9月20—24日湖南、湖北和江西3个省的各植保站地面灯诱数据作为褐飞虱虫源(表3)。褐飞虱起飞一般是在日落之后至日出之前,模拟设置以当地日出日落时间为准。褐飞虱前向模拟起始点时间应以该时间段为准,因此模拟设置起始时间为19:00时。

表3 褐飞虱地面灯诱观测虫量/头

3.3 模式适用性验证

以2013年9月20—24日湖南、湖北和江西三个省的植保站地面灯诱数据作为褐飞虱虫源进行前推模拟,布灯点(25.60°N,110.69°E)周围0.5°×0.5°范围且地面至500m高空范围内的虫量即代表该地区的褐飞虱虫量。兴安县褐飞虱高空灯诱观测如表4,9月20—24日五天整夜均有褐飞虱迁入兴安县。9月20—21日褐飞虱夜间迁入各时刻分布较为均匀,22日夜间褐飞虱突增,各时刻褐飞虱的迁入量均高于前2日；23—24日褐飞虱迁入逐渐较少,但褐飞虱23日集中于后半夜(4:30),24日集中于前半夜(19:30)迁入,迁入量分别为908头、2356头。

表4 兴安县褐飞虱高空灯诱虫量/头

对比褐飞虱模拟虫量与观测值(图3)可以看出,褐飞虱虫量模拟值与虫量观测值的相近、变化趋势一致,相关关系达到0.49(样本量N= 35)并且通过了P<0.01的信度检验。并且WRF-FLEXPART模式能够很好地模拟出褐飞虱的迁入峰,如图4可以发现,褐飞虱的模拟峰值与观测峰值相近,平均早于观测峰值1.5h。研究结果表明WRF-FLEXPART模式适用于褐飞虱迁飞模拟,且模拟精度较好。

图3 兴安县褐飞虱实测虫量与模拟虫量的关系Fig.3 Relationship between the observed and simulated population of N. lugens at Xing′an

图4 兴安县褐飞虱实测虫量与模拟虫量的对比Fig.4 Comparison of the observed and simulated population of N. lugens at Xing′an

4 个例分析

2008年10月5日—10月7日,我国南方地区出现一次冷锋无降水过程,模拟此次天气过程中褐飞虱迁飞特征。褐飞虱虫情资料包括广东、贵州、湖南、湖北、江西和福建等地植保站的逐日褐飞虱灯诱数据,其中江西、福建和广西境内各植保站在研究时间段内未测得有褐飞虱迁入,其余各地区植保站均有褐飞虱迁入。

4.1 大气背景

从2008年10月5日6：00起,冷空气从北向南分股渗透,同时,有热带气旋自南向北影响两广地区,广东地区气温略高,周边地区如广西、湖北、湖南和贵州气温较低,均低于15℃。广东省西南部地区的相对湿度高于中北部地区。在850hPa高度上,广西、贵州、湖南、湖北和广东西部地区大部分时间段风向以东北风为主且风速较大,近地面附近以偏东风为主,风速较小。至6日6：00,冷空气开始影响我国南方大部分地区；7日6：00,冷高压逐渐东移出海。

4.2 迁飞轨迹特征

由褐飞虱迁飞轨迹结果(图5)可以看出,此时间段褐飞虱主要由我国长江流域地区向南迁入,该结果符合褐飞虱秋季向南迁飞的基本规律。贵州、湖北、湖南和广东其他植保站迁入的褐飞虱受南下冷空气输送的影响,皆以东北向西南方向为主要迁入方向。此时,广东中南部地区各植保站测得褐飞虱降落的虫量增加,而其他地区的褐飞虱虫量较少。此次迁飞过程中,大气条件对褐飞虱迁飞的影响分析结果与褐飞虱迁飞轨迹模拟结果相吻合。

图5 2008年10月5—7日褐飞虱迁飞轨迹Fig.5 Simulated migration trajectory of N. lugens on Oct. 5th—Oct. 7th 2008

4.3 迁入虫量密度特征

利用GIS空间分析法对10月5—7日褐飞虱迁入虫量密度(图6)统计分析发现,湖南、湖北、江西和广东西部地区虫量密度较大,最大地区可达到5000头/(0.5°0.5°)。湖南、江西、两广地区虫量密度的空间分布为东北—西南走向,该时段两广、两湖地区盛行东北风且风速较大,且广东中部温度较高并伴随着下沉气流,有利于褐飞虱种群的迁入；贵州东北部和湖南西北部地区的褐飞虱虫量密度较大,在研究时段内该区域的盛行风向由东北向东风转变,且温度约在20℃,生存条件的适宜,有利于褐飞虱的降落和迁入。受我国中部地区槽线影响,湖北地区以西北—东北风为主,气温在迁飞过程中低于20℃,不利于褐飞虱的迁入和降落,该地区褐飞虱迁入虫量的密度较小约为1000头/(0.5°0.5°),呈西北—东南方向分布。

图6 2008年10月5—7日褐飞虱迁入虫量密度分布图Fig.6 Simulated density of N. lugens on Oct. 5th—Oct. 7th 2008

5 结论与讨论

研究之所以选用WRF-FLEXPART模式,是因为：①FLEXPART模式将每头褐飞虱视作一个粒子来模拟,而非如HYSPLIT、BLAYER等模型是把褐飞虱种群视作一个空气块。②FLEXPART模式的气象背景场支持多种数据格式输入,如ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)、WRF等数值天气预报模式结果。而WRF模式是目前我国业务应用较为广泛且输出场精度较高的模式,其能够很好地与FLEXPART模式耦合。③FLEXPART模式可以输出每头褐飞虱的位置,从而能够得到褐飞虱的迁飞轨迹和迁飞密度(即单位面积上褐飞虱的虫量)。这一点对于褐飞虱迁飞的相关研究非常重要,相比过去“把褐飞虱种群视作一个空气块”而得到的褐飞虱迁飞轨迹和类似于空气污染物的浓度分布,FLEXPART模式的结果更加精确且更符合褐飞虱迁飞的实际。

本文利用WRF-FLEXPART模式模拟2013年9月20—24日褐飞虱迁入广西兴安县的迁飞过程,并通过实验观测检验WRF-FLEXPART模式是否能用于褐飞虱迁飞的模拟研究。各时刻褐飞虱虫量的模拟结果与兴安县实验观测的高空灯诱数据相符、变化趋势一致,相关性达到0.49(P<0.01)。迁飞峰的模拟值平均早于观测值1.5h,而造成这1.5h的误差可能与以下两个方面有关：①假设“褐飞虱为不会自发运动、只随气流运动的粒子”,而实际上,褐飞虱起飞、空中迁飞均具有一定的主动性,因而模式对其起飞、迁飞的微小主动性模拟存在一定的误差。②褐飞虱起飞时间与其生理特性有关,日落之后至日出之前均有起飞,并且褐飞虱一般会成群的、大量的起飞时,这也给设定褐飞虱起飞初始时间和虫量带来了很大的困难。个例模拟选取一次冷锋无降水天气过程中褐飞虱种群的迁飞过程。通过WRF-FLEXPART模式后处理(迁飞轨迹和迁入虫量密度分析),可以直观且较精确地呈现褐飞虱的迁飞特征。结合天气学分析可知,风为此次褐飞虱南迁提供了必要的动力条件,降温引起褐飞虱飞行高度下降直至降落地面是此次降虫的主要诱因,褐飞虱具有向温暖地区迁飞的习性,因此冷锋南下使得我国由北至南逐渐降温,导致褐飞虱逐渐向南方温暖地区迁飞,最终接近适温层迫降地面,而地面降虫区此时恰好具有良好的大气环境和限食条件；再者,由于冷锋南下,冷暖空气交汇,局部地区出现下沉气流,有助于褐飞虱种群降落。

本文研究结果表明WRF-FLEXPART模式适用于褐飞虱的迁飞模拟,并且对其迁入峰和迁飞虫量都有较好的模拟性能。但由于模式初始设计是应用于非生物粒子扩散,并未考虑褐飞虱迁飞过程中的主动性和有限的生命周期,因此模拟结果与褐飞虱实际的迁飞情况还存在一定的误差。而褐飞虱测报业务中,缺乏连续的、小时间尺度和密集的虫情数据,且没有可行的动态监测方法和工具,因此,今后的研究方向应该是：WRF-FLEXPART模式模拟褐飞虱迁飞过程的误差校正；通过大量个例的综合分析和实验观测的验证来归纳褐飞虱迁飞的普遍规律,继而提取褐飞虱迁飞的预警预报指标。

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