英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

利用边界层大气模型和地理信息系统对褐飞虱远距离迁飞的模拟

Min Zhu, Yoo Han Song, Ki-Baek Uhm, Richard W. Turner, Joon-Ho Lee and George K. Roderick

摘要：褐飞虱（Nilaparvata Lugens）是一种迁飞性的害虫，它可以每年从热带地区迁飞至亚热带、温带地区，并对水稻生产造成许多危害。为了了解这种害虫的迁移过程，边界层大气（BLAYER）模型和地理信息系统（GIS）被应用，以分析韩国1997年、1998年和1999年中每年6-7月的迁飞过程。模拟结果显示：（1）每一个迁飞峰在不同时段都有不一样的规模大小和迁飞区域。（2）垂直气流对褐飞虱起飞和降落的影响大约为几cm/s，这低于褐飞虱的飞行能力。（3）轨迹线显示，不同来源地的褐飞虱有着不同的迁飞轨迹，这取决于天气系统。迁飞至韩国的褐飞虱主要来源于中国广东东部和福建东南部。（4）对比不同的迁飞高度（地平面以上733m、1348m和1963m），相比于高层，底层的褐飞虱种群更多的向西北方向迁飞。（5）七月下旬的灯捕数据也提供了另一个验证褐飞虱种群移动的依据。

关键词：褐飞虱（Nilaparvata Lugens）；边界层大气模型；地理信息系统；迁移

引言

褐飞虱（BPH），Nilaparvata Lugens（Staring;l），是南亚和东亚的热带、温带地区最重要的水稻害虫之一。在所谓“绿色革命”（使用高产、低矮的水稻品种和大规模使用肥料、杀虫剂）之后，褐飞虱成为水稻生产的主要害虫（Li et al., 1997）。褐飞虱不能在22°N以北的亚热带和温带地区过冬（这些地区冬季的平均气温低于10℃）（Chen et al., 1982; Lai, 1982），但是每一年，有很多迁飞的褐飞虱被中国、韩国和日本这三个国家大部分地区不同类型的诱捕装置捕获。

对褐飞虱迁飞的研究在东亚国家得到很好的发展。Kisimoto（1971, 1976, 1979）分析得到褐飞虱的迁飞与综合天气系统有关，并发现日本的迁飞性褐飞虱与从6月至7月Baiu季节中低空急流（LLJET）的出现密切相关。Cheng et al.（1979）在80年代早期依靠一个国家合作研究项目发现了褐飞虱在中国东部区域“逐步迁飞”的现象。Sogawa（1991, 1994, 1995）分析得到，在日本九州地区（同样在中国东部地区和韩国地区），褐飞虱的随风迁移与季节性天气形势有关。Uhm et al.（1988）和Uhm and Lee（1991）把1981-1987年间导致褐飞虱迁入韩国的四种不同的天气系统进行了分类。Riely et al.（1991）使用雷达观测褐飞虱在中国的秋季回迁。Li et al.（1997）分析了不同褐飞虱出现年份的主要迁飞峰，发现静止锋是导致褐飞虱在中国迁飞的最重要的天气系统。所有这些结论显示了褐飞虱迁飞与天气形势之间的密切关系。

最近，一些模型被用来模拟东亚地区褐飞虱的迁飞。它们正成为分析不同地区害虫迁移的重要方法。Watanabe et al.（1990）和Watanabe and Seino（1991）使用已有的每日高空和地面的天气数据和图表，建立了一个名为LLJET的模型，用来分析东亚地区褐飞虱的迁移。通过使用这个模型，Sogawa et al.（1992, 1994）分析了日本九州和中国浙江之间的迁移轨迹线。Turner et al.（1999）建立了边界层大气模型（BLAYER），该模型考虑了地形、气象和害虫因素，以预测韩国的褐飞虱迁飞。这个模型通过使用来自韩国气象局（KMA）的预测气象数据，能预测未来48小时内褐飞虱的迁飞活动。

随着计算机技术的快速进步，地理信息系统（GIS）已经日益广泛的被使用来作为一种解决昆虫生态学中特殊问题的有效工具。它已经被使用于预测害虫暴发，分析昆虫扩散和迁移的倾向，以及评估害虫管理（Johnston, 1998）。

先前的对褐飞虱迁飞的研究关注于使用历史气象数据去分析轨迹线、可能的虫源区域和迁飞目的地区域。在本文中，我们使用GIS空间工具去分析BLAYER模型的模拟结果，以得到相对完整和直接的有关东亚地区褐飞虱迁飞的证据。我们分析了褐飞虱迁飞过程，比如：不同时期和高度的种群分布、垂直气流值与褐飞虱的起飞和降落的联系、轨迹线、可能的虫源地和七月下旬褐飞虱的迁飞。

材料和方法

工具

这里有两种工具被用来模拟和分析数据。一种是边界层大气模型（BLAYER），另一种是地理信息系统（GIS）软件：ARC/INFO^reg;（ESRI, 1990）和ArcView^reg;（ESRI, 1996）。

BLAYER模型是一个数值模型，它模拟对流层较低部分内的大气流动（Turner, 1998）。它的特性在于模拟边界层流过倾斜的地形。这个模型的大气部分被一个弹性的、流体静力学的方程式所控制。这个方程式被一个非正交的、跟随地形的、球面的坐标所表达。此外，一个非正交的、跟随地形的、球面坐标的大气域有助于解决预测变量中的强大的垂直梯度，比如存在于近地面层的温度。

预测方程的形式为：

式中，A是感兴趣的预测变量，它可能是温度、湿度、风、湍流能量或者昆虫；F是一些强迫项，比如一个源或者压力梯度，K是湍流扩散系数。对于一个特定的关于一种昆虫（或者其他任意被追踪物）浓度（密度）的例子，这个方程式变为：

式中各项从左到右分别为：局地时间的变化率，平流项，垂直扩散项，源/汇和水平扩散项。不幸的是，这个方程式系统不是闭合的，所以一些关于未知量的假设是必须的。也就是说，扩散系数的特征形式是被假定了的。这个方程式被有限差分和有限元技术的结合所解出。

包含在GIS中的数据一般被编码和存储为离散的“图层”，以表达主要的相关功能。通过演绎查询可知，GIS的种种功能有益于学习空间关系，这被用于土地利用、资源分配、自然和人类系统的运作、评估、决策和冲突的解决（Johnston, 1998）。在此，两个主要的GIS软件在本论文中被使用，ARC/INFO(r)和ArcView^reg;（Environmental Systems Research Institute, Inc., (ESRI））。

使用的数据

气象数据：韩国气象局（KMA）区域预测模型的输出数据被用来输入到BLAYER模型中。这些数据是1997、1998和1999年每年6-7月850hPa高度场区域的格点化数据。

诱捕数据：褐飞虱每日灯捕数据从韩国152个地点的1997、1998和1999年每年6-7月的数据中选择。数据来自韩国农村振兴厅下属国家农业科学与技术协会的昆虫学部。

褐飞虱源数据：中国早稻季节由褐飞虱造成的主要危害和其迁飞时期、地域的情况数据从Li et al.（1997）中选择获得。同样的，中国国家农业技术推广和服务中心提供了广东省和广西省的水稻上长翅型褐飞虱的数据。数据时间为1997-1998年每年6月至7月中旬。

边界数据：数字化世界地图（边界图）来自ArcWorld^TM 1:3M（ESRI, 1992），其是服务于ARC/INFO^reg;和ArcView^reg;用户的GIS数据库。它能创建国家尺度上的世界专题地图。

模拟和GIS分析

BLAYER模型被使用来预测1997年、1998年和1999年每年6-7月褐飞虱的迁飞。某些有关褐飞虱行为的假设被设定，以模拟它们的移动。这些行为包括（a）飞虱会持续飞行，并且它们在早上9点起飞（湍流风被认为给飞虱的起飞提供了帮助。大约早上9点，白天的对流边界层开始发展，并且它总是与湍流风的发生有关联），（b）持续迁飞的时限不超过48h，（c）它们没有自己向前飞行的速度，并且（d）它们在500m以上的高度飞行。

有关褐飞虱的模拟设置如下，时间步长为5min，空间步长使用统一的水平方向0.5°格点间距。后者的设定是为了取得合适的输出，以合并到地理信息系统（GIS）中去，而GIS将形成网络监督系统的基础。被用于大气层边界模型模拟的区域，是一个91times;71的水平栅格，范围从100°E到145°E、10°N到45°N，并且伴随相应的模式地形。在大约2200m的高度，有24个节点位于模型顶的垂直面上。上边界条件由随时间变化的850hPa位势高度场所设定。运行这个模型的过程能够被依次看见（1998）。

当得到模拟结果之后，GIS工具被使用，以展示和分析迁飞过程。正如我们所知的，GIS是一个能解决与空间分配有关的问题的空间分析工具，而且，地理位置是连接不同图层的关键点。GIS的分析过程包括：1）转换数据格式为GIS能使用的格式；2）在GIS软件（ARC/INFO^reg;和ArcView^reg;）中创建图层并且连接相关属性；3）在ArcView^reg;中展示和输出地图。

结论

BLAYER模拟结果

BLAYER模型的模拟包括褐飞虱种群分布和不同时期、高度的风场（Turner et al., 1999）。褐飞虱的迁移过程包括三个部分：起飞、在高空移动和降落。从1997到1998年的褐飞虱每日灯捕数据中，我们选择了7次迁入过程，这能让我们对东亚地区褐飞虱迁飞过程（表1）有一个认识。

表1 韩国1997、1998年6-7月不同观测站点灯捕数峰值

起飞和降落

我们把褐飞虱在早上9点（北京时区）起飞设置为模型的假设。模拟的结果显示，在主要迁移过程中，上升气流的分布与褐飞虱虫源地区的匹配程度非常好，但是下沉垂直气流与褐飞虱的降落没有强烈的相关关系。当时垂直气流的数值是几cm/s，这完全低于褐飞虱自身飞行能力（Riley et al., 1991）。对比灯捕数据，匹配区域的捕获量高于不匹配区域的捕获量，比如1997年6月26日、7月16日和1998年6月24日、7月15日的迁移过程。所以下沉气流一直帮助褐飞虱降落，虽然气流强度低于它自身的飞行能力。这些结果支持褐飞虱有更多的主动性去选择合适的环境起飞降落，而不是只被动等待气流的观点。

在高空移动

从BLAYER模拟中，我们选择了三个层级：733m，1348m和1963m，去论证在不同高度上褐飞虱的种群分布。模拟结果显示，在较低高度上，北部和东部的褐飞虱种群分布多于在较高高度上的。这样的分布可以被植物边界层（PBL）理论所解释——在PBL中的风剖面分布（Stull, 1989）。对比真实灯捕数据和不同高度上的种群分布，三个高度之间并没有显著差异。考虑到东亚地区的海拔，1348m是推荐的迁移高度。

模型每2h预测一次褐飞虱种群的移动。我们假设褐飞虱能随风飞行最多48h。根据模拟结果，我们能够预测褐飞虱种群移动的过程、它们的方向、它们的速度和数量，并且明白褐飞虱种群如何在高空移动和在不同时段它们在哪里分布。在较早季节的主要迁移过程中，飞虱迁移的模拟预测结果与真实的捕获数据之间匹配的非常好。对比预测的褐飞虱数量与褐飞虱灯捕数据，在早期迁移过程中，比如1997年6月8日（图1）和1998年6月13日（图2）的迁移过程，模拟预测了一次在韩国的迁入过程，但是没有褐飞虱在诱捕灯上被捕获。这是因为在那个时段没有褐飞虱从虫源区域迁出。但是，在很多站点，白背飞虱在诱捕灯上被捕获（1997年6月8日捕获84只，1998年6月13日捕获10只），并且在早期，白背飞虱迁移的模拟预测与此相符（WBPH, 图1）。在最少灯捕数日（在1997年6月24日和1998年6月16日捕获1只褐飞虱和白背飞虱），没有迁飞被预测到。但是，在1999年的模型预测和捕捉量之间出现了较大的矛盾（图2）。灯捕效率和模型本身的改进需要进一步的研究。

图1 1997年预测的害虫数量与褐飞虱、白背飞虱灯捕数量之间的比较

图2 1998、1999年预测的害虫数量与褐飞虱灯捕数量之间的比较

每一次迁飞过程的轨迹

在长时间跨度的迁飞季节中（从6月中旬至7月），褐飞虱虫源主要来自位于中国云南、广东、广西和浙江省的早稻产区（Li et al., 1997）。褐飞虱可能的虫源地、它们的位置、主要的危害时期和迁飞时间在表2中被展示。迁飞的轨迹在图3中被展示。每一次迁飞过程有不同的迁飞路径，这取决于当时占主导地位的天气系统。来自褐飞虱虫源地西部的褐飞虱主要在中国境内迁飞，因为这一段迁飞距离长于从中国东部迁飞到韩国的距离。在1997年和1998年的迁飞过程中，只有广东省东部和福建省东南部是韩国和日本褐飞虱迁飞可能的虫源地。

表2 中国主要早稻产区的褐飞虱主要危害和迁出时段^*

图3 1997、1998年6-7月高度1348m上褐飞虱迁飞过程的轨迹线。（a）1997年6月24日；（b）1997年7月14日；（c）1998年6月16日；（d）1998年6月22日；（e）1998年6月26日；（f）1998年7月13日。

七月下旬的迁飞过程

通常情况下，灯捕数量的增加已经被使用来作为鉴别韩国6月到7月褐飞虱迁飞的主要方法。但是，在7月下旬，迁飞褐飞虱的第二代增加的非常快。因此，辨别在迁飞期间被灯捕的褐飞虱是来自外地还是来自本地稻田，这已经成为分析7月下旬褐飞虱迁飞的问题。我们的模拟模型研究能够为分辨

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[27590]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word