草地贪夜蛾迁飞气象预报方法探索及应用

2024-01-01 00:00:00邓环环杨俊杰郭安红王纯枝谢家旭钟敏郭广芬
华中农业大学学报 2024年1期

摘要 为了准确预报害虫的迁飞轨迹,将天气预报技术应用于迁飞性害虫的预测预报,基于天气预报平台,利用欧洲中心中短期气象数值预报产品以及大气环流形势及低层风动力对草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)的迁飞路径、迁入时间(包括首见日及高峰日)、落区等进行预报,并基于2021 年草地贪夜蛾迁飞的2 次典型预报案,分析2021 年草地贪夜蛾春季北迁至湖北(首见日)以及秋季南迁回湖北(高峰日)的典型天气过程以及迁飞层气象要素场,运用HYSPLIT 轨迹模型模拟迁飞后向轨迹,再利用草地贪夜蛾田间监测数据、测报灯监测数据以及迁飞轨迹对预报结论进行验证。结果显示,2 次典型预报案例的预报结论与草地贪夜蛾田间监测数据及测报灯监测数据以及轨迹模拟的情景吻合度较好,草地贪夜蛾迁入时间、落区及路径预报基本正确。研究表明,将天气预报技术应用于迁飞性害虫的预报具有实际可行性。

关键词 迁飞性害虫; 草地贪夜蛾; 数值预报; HYSPLIT 模型; 迁飞轨迹; 落区

中图分类号 S433.4 文献标识码 A 文章编号 1000-2421(2024)01-0070-09

草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)是联合国粮农组织全球预警的跨境迁飞性重大农业害虫,具备食性杂、繁殖能力强、迁飞扩散快、危害重等特点[1],防控难度较大。草地贪夜蛾寄主植物广泛,包括玉米、水稻、大麦、棉花、花生、高粱等75 科330 多种植物[2]。玉米苗期受害后一般可减产10%~25%,严重地块可造成毁种绝收;且3 龄以上草地贪夜蛾幼虫对多种化学农药以及部分转基因玉米有抗性[2-4]。

2019 年1 月,草地贪夜蛾从东南亚首次迁飞入侵我国云南省,且快速向我国江南、江淮地区扩散蔓延,并进一步向北方地区扩散,对我国粮食生产及粮食安全构成严重威胁[5]。秦誉嘉等[6]利用MaxEnt 模型预测草地贪夜蛾在我国的潜在地理分布,结果表明我国海南、云南、广西、广东、福建、浙江、江西、湖南、贵州、四川、重庆、湖北、安徽、江苏等省(市、区)需对草地贪夜蛾进行全年监测及防控。农业农村部为开展全国草地贪夜蛾防控工作,将我国草地贪夜蛾发生区分为“三区四带”。湖北省处于草地贪夜蛾的迁飞过渡区以及长江流域监测防控带[7-8]。

2010 年以来,科研工作者利用混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型(single-particle Lagrangian integratedtrajectory model,HYSPLIT)对麦蚜[9]、稻飞虱[10-11]、粘虫[12]、稻纵卷叶螟[13]等迁飞性害虫的迁飞轨迹以及虫源地信息进行了模拟研究,但研究文献非常少,仅包云轩等[10]在开展WRF-FLEXPART耦合模式与WRF-HYSPLIT 耦合模式2 种轨迹模型模拟褐飞虱轨迹的比较研究时,进行过简单验证,认为2 种模式均可作为业务工具在迁飞性害虫测报中推广应用。研究人员利用WRF 昆虫三维轨迹模型或HYSPLIT 对广东、四川、浙江、山东等地2019—2020 年草地贪叶蛾迁飞路径、气候背景场以及虫源地开展了研究,结果表明西南气流为草地贪夜蛾的迁飞提供运载气流,降雨和下沉气流为草地贪夜蛾的迫降提供条件[14-17]。孙旭军等[18]在分析河南省草地贪夜蛾迁入路径及虫源地时,发现草地贪夜蛾可以从东线和西线2 条路径迁入河南。但上述研究几乎没有详细资料进行验证。

对草地贪叶蛾迁飞过渡区过境虫源迁入时间、路径、落区以及与气象条件的关系开展研究,对减轻当地危害,以及全面监测草地贪夜蛾发生动态,遏制草地贪夜蛾迁飞过渡区迁出虫口数量,减轻北方玉米主产区防控压力有非常重要的意义。利用草地贪夜蛾气象预报方法模型开展草地贪夜蛾的迁入时间(包括首见日及高峰日)、迁入路径、落区预报工作,并提前采取预防性措施具有较高应用价值。笔者在前人研究的基础上建立了草地贪夜蛾气象预报方法概念模型,分别于2021 年5 月14 日、9 月3 日与湖北省植物保护总站联合发布了湖北省草地贪夜蛾预警简报,并对2021 年湖北省各县市草地贪夜蛾的首见日、高峰日、迁入路径、落区开展了预报,为全面监测草地贪夜蛾提供理论技术参考。

1 材料与方法

1.1 草地贪夜蛾迁飞气象预报方法

草地贪夜蛾迁飞气象预报包括两个方面,一是综合大气低层动力场以及地面气象要素,开展迁入(迁出)本地气象适宜度等级预报(表1)。草地贪夜蛾迁飞适宜温度为20~25 ℃,温度过高或过低对迁飞有不同程度影响,15 ℃以下成虫活动能力减弱不利于迁飞;迁飞适宜相对湿度为60%~90%,湿度过高或过低对其迁飞不利[19-21] 。根据以上条件,将草地贪夜蛾迁入(迁出)本地气象适宜度等级分为适宜、较适宜、不适宜3 级。二是利用大气动力场条件,结合草地贪夜蛾迁飞习性及迁飞轨迹模拟,开展迁入时间(包括首见日及高峰日)、迁入路径、落区的预报(图1)。草地贪夜蛾迁飞扩散主要指成虫在空中飞行和起飞、降落活动,迁飞过程与大气低层风场方向、风速以及气流垂直运动密切相关。在迁飞过程中,大气低层垂直上升气流有利于草地贪夜蛾成虫起飞,而下沉气流有利于其降落,垂直梯度越大越有利于起飞和降落,降水也利于草地贪夜蛾降落。

1.2 资料及来源

1)气象资料。天气形势分析(500 hPa 位势高度)以及草地贪夜蛾迁飞高度层(距地面800 m,大约相当于925 hPa 位势高度[19,21])。气象要素场分析采用欧洲中期天气预报中心数值模式再分析场资料(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,https://cds. climate. copernicus. eu/cdsapp#!/hom),空间分辨率(0.25°×0.25°),包括位势高度、风速风向、垂直速度、温度、湿度等资料。地面温度场和湿度场分析采用湖北省气象局国家观测站资料。

2)草地贪夜蛾资料。包括迁飞虫源地信息、成虫及幼虫田间虫情调查资料、成虫灯诱及性诱资料(包括高空灯、常规测报灯及性诱捕器),由湖北省植物保护总站提供。地图底图来源于国家地理信息公共服务平台“天地图”的标准地图服务系统(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)。

1.3 迁飞轨迹模拟

采用HYSPLIT 轨迹分析模型,该模型由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)开发,具有开放网络版:https://locusts.arl.noaa.gov/。主要参数设定包括:迁飞方向(前向或后向)、飞行起止时间、起飞点经纬度、迁飞高度层等;迁飞方向选择后向,迁飞高度层选择500、700、800 m 3 个高度层,起飞时间设置为20:00,降落时间设置为05:00。从南迁入湖北的地点选择植物保护部门监测资料中的首见地点,从北回迁入湖北的地点选择资料中虫量较多的地点。

2 结果与分析

2.1 2021 年5 月13—15 日过程:自南向北迁入湖北

据农业植保部门监测,2021 年5 月上旬湖南南部县市及中北部零星县市、江西南部县市及中部零星县市、贵州南部县市及东部西部部分县市、湖北枝江等个别县市监测到草地贪夜蛾成虫出现,湖南南部县市及中部个别县市、江西南部县市、贵州南部县市及北部零星县市监测到草地贪夜蛾幼虫出现。此外,湖北省春玉米常年种植面积在433 333 hm2左右,种植区域遍布全省,5 月中旬大部地区处于拔节期,虫源和食源条件均十分有利于草地贪夜蛾迁入湖北,易造成危害。因此,选择5 月中旬有利于草地贪夜蛾迁入湖北省的有利天气过程即5 月13 至15 日急流天气过程开展预报。5 月14 日及9 月3 日发布预报简报时是利用欧洲中心模式动力场预报数据(可预报未来10 d 不同高度层动力场),本研究采用了欧洲中心模式实况再分析资料(下同)。

1)典型天气形势。利用era 5 h 再分析资料,结果显示,2021 年5 月13 至15 日副高及低空西南急流较常年明显偏强,位置偏北。500 hPa 高度场川东有低槽东移,14 至15 日925 hPa 偏南气流显著增强,急流核最大风速达18 m/s,贵州、湖南、江西一带由于925 hPa 急流加强过程中有明显的风速辐合,形成上升运动,湖北中部等地区存在辐散区,有明显的下沉运动,有利于迁入。

2)自南向北迁入湖北的气象要素场分析及预报。从5 月14 至15 日925 hPa 垂直速度及风场再分析数据看出(图2),湖南、江西以及湖北东部925hPa 风场出现西南风,风速约6~12 m/s,同时江汉平原南部及鄂东南有垂直气流下沉运动,特别是咸宁地区有持续下沉运动,速度约为0.02~0.06 m/s(1 Pa/s≈-0.1 m/s,下同),风向风速以及垂直气流运动有利于草地贪夜蛾从湖南、江西向湖北省迁飞降落。从欧洲中心5 月14 至15 日925 hPa 温湿度场看出,湖南、江西、湖北中南部925 hPa 气温在20 ℃以上(图3),空气相对湿度70%~90%,气温、空气相对湿度对草地贪夜蛾高空飞行有利。另外, 14 至15 日湖北大部地区地面气温20~27 ℃,空气相对湿度70%~90%,根据草地贪夜蛾迁入(迁出)气象适宜度等级分级(表1),判断迁入本地的气象适宜度等级为高。基于以上分析,预报5 月14 至15 日草地贪夜蛾从江西、湖南随偏南风路径迁入到湖北,降落在江汉平原南部及鄂东的可能性很大。

3)预报结论检验。根据植保部门田间虫情调查数据以及测报灯监测资料,鄂东通山县、蔡甸区、赤壁市2021 年首见成虫的日期分别是5 月14 日、17 日、18 日,江汉平原南部枝江市,鄂东阳新县、英山县、武穴市、嘉鱼县、崇阳县、通山县5 月下旬首见1~3 龄幼虫。成虫到达迁入地之后1 周左右产卵,卵发育成幼虫,5 月下旬鄂东南平均气温22 ℃左右,20 ℃条件下卵发育成3 龄幼虫需15 d 左右[22-23],说明预报的迁入时间及落区较正确。

从以上首见地点中选择蔡甸、通山、枝江作为代表站点模拟从南迁入的后向轨迹,分为2 种情况(图4),一是经过1~2 d,5 月15 日早晨迁入蔡甸、通山、枝江;二是经过1 d,5 月14 日早晨迁入蔡甸、通山、枝江。从轨迹模拟看出,以上2 种情况都是从湖南或江西方向随南风或东南风路径迁入湖北,说明预报路径正确。

2.2 2021 年 9 月4—7 日过程:自北向南迁入湖北

据农业植保部门监测,8 月下旬草地贪夜蛾成虫迁飞的最北端已到达北京、天津、河北一带。受季风影响,我国常年8 月下旬至9 月上旬,中东部地区925hPa 风向由偏南风开始逐渐转成偏北风,草地贪夜蛾开始向南回迁。此外,8 月下旬至9 月上旬湖北省秋玉米为苗期至大喇叭口期,处于草地贪夜蛾嗜食阶段,主要在鄂东及江汉平原分散种植,天气条件和食源条件均有利于中高纬度地区的草地贪夜蛾回迁进入湖北省。因此,从8 月下旬开始监测并选择有利于草地贪夜蛾回迁入湖北省的天气过程开展预报。

1)典型天气形势。利用era 5 h 再分析资料,结果显示,2021 年9 月4 至7 日副高气压明显西伸加强,控制我国中东部大部地区,贝加尔湖冷涡明显加强,925 hPa 风场9 月4 日20:00 开始华北及长江中游一带转受偏北气流影响,渤海湾附近有一低涡系统,最大风速达18 m/s,此低涡系统辐合上升,偏北气流在湖北中部增强,且湖北中部等地区存在辐散区,有明显的下沉运动,有利于从北回迁。

2)自北向南回迁入湖北的气象要素场分析及预报。从9 月5 至7 日欧洲中心925 hPa 垂直速度及风场再分析场看出,河南大部、湖北中东部有北风,风速约4~12 m/s,同时江汉平原西部、鄂东北大部、鄂西北大部有垂直气流下沉运动,其中鄂东北有持续下沉运动,速度约为0.02~0.08 m/s(图5)。风向风速以及垂直气流运动有利于草地贪夜蛾从河南向湖北回迁降落。从9 月5 至7 日欧洲中心925 hPa 温湿度再分析场看出,河南、湖北大部地区气温18~24 ℃(图6),相对湿度60%~90%,气温及湿度条件对草地贪夜蛾回迁降落有利。另外,9 月5 至7 日湖北大部地区地面气温20~27 ℃ ,地面相对湿度85%~95%,根据草地贪夜蛾迁入(迁出)气象适宜度等级分级表(表1),判断迁入本地的气象适宜度等级为高。基于以上分析,预计9 月5 日至7 日草地贪夜蛾从河南随北风回迁入湖北,可能出现回迁高峰,降落在鄂东北、江汉平原西部的可能性很大。

3)预报结论检验。回迁预报结论中的高峰日利用测报灯监测数据进行检验。高空灯数据一般用来检验迁入虫量,常规灯及性诱捕器数据一般用来检验整体虫量[24]。根据植保部门高空测报灯数据显示:江汉平原西部松滋9 月5 日为迁入高峰日,9 月6 日为迁入小高峰日;常规测报灯及性诱捕器数据显示:鄂东北云梦、英山9 月9 日为当地高峰日,黄陂9 月9 日为当地小高峰日(图7)。9 月6 日、9 月9日性诱捕器当日诱蛾量江汉平原西部、鄂东北部分地区、鄂东南北部、鄂西北局部大于其他地区(图8)。数据检验说明预报的迁入时间及落区较正确。

从以上高峰日地点中选择松滋、云梦、英山作为代表站点模拟从北回迁的后向轨迹,分为3 种情况(图9),一是经过1~3 d,9 月7 日早晨迁入松滋、云梦、英山;二是经过1~2 d,9 月6 日早晨迁入松滋、云梦、英山;三是经过1 d,9 月5 日早晨迁入松滋、云梦、英山。从轨迹模拟看出,以上3 种情况都是从河南方向随北风或东北风路径迁入,说明预报路径较正确。

3 讨论

本研究利用2021 年草地贪夜蛾春季北迁至湖北(首见日)以及秋季南迁回湖北(高峰日)的2 次预报案例,开展了迁入的典型天气形势以及迁飞层气象要素场分析,较准确预报了草地贪夜蛾迁入湖北的时间(包括首见日及高峰日)、路径、落区,说明草地贪夜蛾迁飞气象预报方法的技术路线是可行的[25],对草地贪夜蛾迁飞的气象预报具有较好的应用价值,同时对于草地贪夜蛾迁飞过渡区的其他省份开展服务有一定的借鉴意义。以往植保部门多采用气象部门提供的当地气象数据以及长期预报结论来进行迁飞性害虫的预报,一般因长期预报多为趋势性的结论,较模糊,难以得到更具体的气象信息,故只能开展发生程度等定性的预报工作。本研究的技术方法首次将天气预报平台中的数值预报模型应用于迁飞性害虫的预报,可以对虫害的发生时间以及落区进行更精确的预报。

目前多种气象数值预报模式的气象要素场在天气过程预报中略有不同,且均有优缺点,会导致采用不同数值预报模式预报的迁飞路径略有不同。为提高预报准确率,综合多种数值预报模式对迁飞轨迹预报模型进行改进,采用集合预报或者概率预报判定草地贪夜蛾迁飞轨迹和落区是未来发展方向。本研究利用环流资料、风场、温湿场资料开展草地贪夜蛾迁飞的气象预报,是基于相关研究文献中草地贪夜蛾适生的气象条件进行分析推论,多来源于草地贪夜蛾室内饲养或吊飞试验获取。由于缺乏草地贪夜蛾迁飞过程中详尽的观测资料,迁飞气象预报方法及轨迹模拟还需要进一步结合草地贪夜蛾迁飞的的生物学特征(例如迁飞高度、自身迁飞速度、迁飞迫降的生物学机制和地理、气象机制)进行验证和订正。

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(责任编辑:陆文昌)