湖南白背飛虱前期遷入種群中小尺度蟲源地及降落機制

吳秋琳，胡 高,陸明紅，王 標，朱秀秀，粟 芳，張仲剛，翟保平,*

1 南京農業大學昆蟲學系，農業部&教育部病蟲害監測與治理重點開放實驗室， 南京 210095 2 全國農業技術推廣服務中心， 北京 100125 3 湖南省植保站， 長沙 410005 4 洪江市植保站， 洪江 418200 5 芷江侗族自治縣植保站， 芷江 419100

湖南白背飛虱前期遷入種群中小尺度蟲源地及降落機制

吳秋琳1，胡 高1,陸明紅2，王 標3，朱秀秀3，粟 芳4，張仲剛5，翟保平1,*

1 南京農業大學昆蟲學系，農業部&教育部病蟲害監測與治理重點開放實驗室， 南京 210095 2 全國農業技術推廣服務中心， 北京 100125 3 湖南省植保站， 長沙 410005 4 洪江市植保站， 洪江 418200 5 芷江侗族自治縣植保站， 芷江 419100

湖南是白背飛虱(Sogatellafurcifera(Horváth))南北往返的必經之路和主害區。明確白背飛虱前期(至5月20日)遷入種群的中小尺度蟲源地和降落機制，對實現精細化異地預測至關重要。擇出2012年湖南稻區白背飛虱前期遷入種群的上燈峰日，用新一代中尺度數值預報模式WRF(Weather Rsearch and Forecast)做三維軌跡分析，明確蟲源地分布，并對其遷飛過程進行多因素的時空動態分析。結果表明：(1)2012年湘西白背飛虱遷入蟲源主要來自越南北部、廣西西南部，少量來自廣西東南部與廣東南部。湘東南、湘中遷入蟲源主要來自廣東南部、廣西東南部，少部分來自海南。此外，每年4月下旬與5月上旬我國南部盛行西南氣流，湘東南位置偏東，加之南嶺山脈的阻擋，該區遷入峰次與遷入量較湘西較少。(2)低空急流為白背飛虱的北遷提供了運載氣流，鋒面氣旋與切變線等天氣尺度系統以及強烈上升氣流帶來的降水、低溫屏障與下沉氣流是湖南稻區白背飛虱集中迫降的3個直接因素；(3)白背飛虱前期遷入種群在湖南的主要落點基本沿湘西武陵山區至湘南雪峰山區一帶以及“湘桂走廊”東端分布，地形是導致湘西降蟲發生頻率高、遷入量大的主要因素。由于山體阻塞與地面摩擦形成的小型垂直環流、夜間山風的作用及山谷間的峽谷風可導致白背飛虱的集中降落，較大的燈誘峰次主要位于谷地或者是山體的迎風坡。

白背飛虱；中小尺度蟲源地；降落機制；WRF模式；軌跡分析

湖南地處亞熱帶季風濕潤氣候區，是我國糧食主產區之一，其耕地面積占全國耕地面積的1/32，但生產的糧食占全國的1/19[1]，其中水稻種植以雙季稻為主、單雙季稻混合，水稻播種面積和總產長期穩居全國第一，具有明顯的水稻生產區位優勢[2]。單雙季稻共存的種植制度和高強度的水肥投入及濫用農藥引發的抗藥性和致害力不斷加強，導致湖南白背飛虱(sogatellafurcifera(Horváth))的危害程度愈演愈烈[3]。2000—2012年，湖南白背飛虱年平均發生面積分別為250.618萬hm2，發生程度為4級[2]，直接威脅我國的糧食安全。因此，明確近年來白背飛虱暴發成災的內外因素，提出有效準確的預警方法，是保障我國糧食安全和可持續發展的重中之重。

白背飛虱是亞洲稻區一種遠距離遷飛性害蟲，每年3—6月自中南半島乘西南氣流陸續遷入我國南部稻區[4]。從20世紀90年代以來，其發生面積日益擴大，為害程度加劇，暴發頻率顯著增加。2012年更出現了歷年來規模最大的白背飛虱遷入峰，不僅遷入早、峰次多，而且遷入量特大。到4月底，廣西燈下始現單燈單晚萬頭蟲峰，5月4日桂北和黔東南始現單燈單晚十萬頭量級蟲峰；5月1—17日連續出現超大規模主遷峰，同期突增區縱橫千余公里(21°N—30°N、99°E—118°E)，覆蓋云貴川渝兩湖兩廣閩贛10省區。其中廣西融安5月2、4、5日分別出現67320頭、192200頭和556700頭的上燈峰，5月6—10日5天累計誘蟲808548頭。到5月6日湖南已出現3次大的遷入峰，全省22個監測點燈下累計蟲量3.9萬頭，是特大發生年2007年同期的2.4倍。湘西洪江5月4—6日單燈蟲量分別為3596、3625和5935頭，8日3萬頭；湘西懷化9日上燈3萬多頭。湘南藍山縣5月3日單燈誘蟲過8070頭，湘中邵陽5月6日上燈過萬頭，邵東7日2496頭，均超歷史燈誘記錄。這些遷入種群源自何處？迄今尚無系統研究。

圖1 湖南地形及各站點位置 Fig.1 Geographic and geomorphic environment and location of trap site of Hunan

湖南地處南嶺山脈北麓(圖1)，東、南、西3面環山，全境有15座主峰在1400m以上的大山體；中部為丘陵盆地，北部為洞庭湖堆積平原，形似馬蹄形盆地。湘東南東鄰羅霄山脈，南倚南嶺山脈。湘西武陵山、雪峰山和越城嶺所夾山間谷地與位于越城嶺與海洋山之間的“湘桂走廊”相接，構成夏季風北上和冬季風南下的重要通道，有利于從西南或東南方向北遷來的稻飛虱蟲源進入該區而常年大發生[5]。地形導致遷飛性昆蟲的降落主要有兩方面因素：(1)氣流遇山脈被迫爬升，隨著山體地勢的升高而溫度降低，迫使稻飛虱由于生理適應而降低遷飛高度進而被迫降落[6]。同時，氣流爬升引起的成云降雨會迫降空中蟲群在迎風坡形成集中降落。(2)地形的阻礙作用使低層大氣進入兩山之間的谷地時產生“狹管效應”從而形成很強的峽谷風和輻合上升氣流，導致地形雨[7]，空中蟲群遇雨而集中降落。究竟哪種特定的條件(包括天氣系統、天氣過程、地理條件等)是導致湖南稻區稻飛虱的集中降落的主要因素？影響湖南稻飛虱年度間數量變動的主要因子是什么？目前尚無深度研究。

為此，我們在UBUNTU12.04平臺下運用Fortran語言編寫的三維軌跡分析程序，模擬分析2012年湖南白背飛虱前期遷入種群可能的蟲源地；通過分析WRF模式輸出的高分辨率大氣動力背景下的大氣環流形勢和大氣流場時空變化過程，結合湖南地形地貌格局，確定湖南白背飛虱遷入種群的降落機制，為湖南白背飛虱的精細化異地預測提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 燈誘數據與田間調查資料

全國農業技術推廣服務中心病蟲測報處提供的2012年湖南省24個植保站的白背飛虱燈下誘捕資料和田間系統調查資料。永州市植保站提供的永州市各縣區燈下蟲量數據。

1.2 地形數據

包括MODIS和GWD數據，覆蓋180°W—180°E，90°S—90°N的所有區域，來自WRF(Weather Research and Forecast)官方網[8- 10]，分辨率為30″、2′、5′和10′，本文模擬的Domain1與Domain2地形數據分辨率分別為10′與2′。

1.3 地圖資料

采用中國省級行政區圖(1∶4000000)，資料來于國家基礎地理信息中心[11]。

1.4 氣象資料

包括美國國家環境預報中心(NCEP(National Centers for Environmental Prediction))/美國國家大氣研究中心(NCAR(National Center for Atmospheric Research))的每6小時1次的1°×1°的全球分析資料[12]；降水資料采用國家氣象信息中心提供的小時融合降水產品(實時數據)[13]。

1.5 WRF模式

WRF模式系統是由NCAR、NCEP和美國預測系統實驗室(FSL(Forecast Systems Laboratory))/美國國家海洋和大氣管理局(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)等多家研究部門和大學聯合開發的新一代中尺度數值模式。模式采用全可壓、非靜力學方程， 歐拉高度坐標及歐拉質量坐標兩種坐標系，水平格點采用Arakawa C類格點。

1.6 WRF參數化方案(表1)

采用的WRF模式網格設計為二重嵌套，使用FNL全球分析資料(Final Operational Global Analysis Data)作為模式初始場和邊界條件，二重嵌套網格的控制試驗中邊界層、輻射過程和微物理處理方案相同。資料輸入WRF模式進行數值模擬后輸出每小時1次的20Km×20Km格距的氣象要素場，并經ARWpost轉換為GrADS(Grid Analysis and Display System)格點數據。

表1 WRF模式方案與參數Table 1 Selection of scheme and parameters of WRF

1.7 軌跡分析

應用WRF模式輸出的高分辨率風溫場以及高度場為基礎，參照朱艷秋和廖洞賢的三維空氣質點分析方法[14]， 用Fortran語言編程計算稻飛虱的三維軌跡。軌跡計算基于以下前提[15- 18]：(1)稻飛虱順風遷飛；(2)稻飛虱起飛遷出日節律為“晨昏雙峰型”，清晨起飛峰始于晨光始時止于日出，此期遷出蟲量少，峰期短。傍晚起飛峰始于日落后，到昏影終時結束，此間遷出量大，持續20—30 min左右；(3)稻飛虱空中飛行的低溫閾值為16.5 ℃，當高空氣溫低于該值時停止飛行；(4)稻飛虱飛行持續時間不超過36h。回推軌跡以降蟲區為起點，在上燈峰日06:00逐時回推至白背飛虱遷出時刻。將得到的軌跡點坐標用Visual FoxPro 9.0轉換處理制成屬性數據庫，再導入ArcGIS 10.0中與地圖疊加后成圖顯示。有效軌跡判定標準：蟲源地軌跡終點落在稻區且存在起飛蟲源及水稻生育期適合稻飛虱的起飛遷出。

1.8 大氣動力背景模擬與分析

利用GrADS 2.0平臺提取WRF模式模擬出的高分辨率氣象要素數據中不同高度層的水平流場、垂直速度、溫度場等要素，結合燈下峰日逐時降水數據對相應站點做天氣背景的診斷分析。

2 結果與分析

2.1 湖南省稻飛虱的前期遷入

利用湘陰、湘鄉、桂陽、臨澧、洪江等若干站點13a(2000—2012年)的前期(3—6月)遷入燈誘數據進行分析始見期、峰次、遷入蟲量的變化。其中湘鄉2001年燈誘數據與桂陽2011年燈誘數據缺失。始見期先進行數值化處理，將日期轉化為以3月20日為起始的氣候學日序。峰次以峰日數來表示，以3—4月份上燈蟲量5頭以上，5—6月份上燈蟲量50頭以上的天數來表示。

2.1.1 始見期

湖南稻區白背飛虱平均始見期為4月下旬至5月上旬。通過比較2000—2012年間的始見期(圖2)湘北的湘鄉、湘陰及臨澧的平均始見期比湘南的桂陽、湘西南的洪江遲10—20 d，2000—2005年大部分站點始見期遲于平均始見期；2006年后湖南站點白背飛虱始見期均相應有所提前，2007年全國大發生時5個站點提前10—25 d，2010年洪江始見期提前達30 d。2012年3月上中旬，廣西沿海稻區即出現燈誘高峰，而湖南各站點始見期與往年平均值趨于一致，并未明顯提前，2012年湖南省白背飛虱前期大規模的遷入數量之大并不是受始見期的影響。

圖2 2000—2012年湖南白背飛虱前期遷入種群燈誘始見期逐年距平Fig.2 Annual anomalies form the year 2000 to 2012 for the first appearance time of WBPH light-trap catches in Hunan

2.1.2 前期遷入上燈峰日數

統計2000—2012年3—6月白背飛虱上燈峰日(圖3)，3、4月份白背飛虱乘西南氣流可達湘南(主要是湘西南)。除桂陽外，4個站點2006—2012年白背飛虱3—6月遷入峰次均有明顯增加，其中洪江2007年上燈高峰日達48次，2012年峰次達52次多，創歷史新高。

2.1.3 前期遷入量

分析2000—2012年3月20日至5月20日湖南稻區若干縣市白背飛虱前期遷入種群累計燈誘資料，結果表明，3月下旬至5月上旬，遷入種群的主要落點基本沿湘西山地分布，較大的燈誘峰次主要位于山間谷地的迎風坡下，遷入量有著明顯的地域差異(圖1，圖4)。如地處湘西山區的洪江和芷江2012年3—6月總上燈蟲量分別為14740頭、93019頭；而湘南的道縣、桂陽、宜章三縣同期總上燈蟲量6552頭，東安為459頭(始見期極早，3月27日)。從2000—2012年3—6月湖南白背飛虱前期遷入種群上燈蟲量的年際變化(圖5)可看出，13年來大部分站點3—6月白背飛虱上燈蟲量呈上升趨勢，洪江尤為明顯，從2006年3—6月累計上燈蟲量的1萬頭至2012年的5萬頭；再如湘陰2008年3—6月累計上燈蟲量1414頭，而2012年增至2825頭。總之，2012年白背飛虱前期蟲源遷入量達到新的高峰，加大了湖南稻區白背飛虱的蟲源基數。

圖3 2000—2012年3—6月湖南白背飛虱每月上燈峰日Fig.3 The monthly peaks of WBPH from March to June during the year 2000 to 2012 in Hunan province

2.2 前期遷入種群中小尺度蟲源地分析

取湖南省各站點2012年4月份單日上燈蟲量大于100頭、5月份大于1000頭的日期為上燈高峰日，大于10000頭作重點分析(表2)。

2.2.1 2012年4月下旬

湘西的洪江4月24日與26日出現白背飛虱燈誘高峰，其回推軌跡顯示(圖6)：逐時回推12h以內的軌跡終點落在廣西北部，廣西北部稻區單季早稻一般在3月20日至4月5日前播種，單季中稻在4月20日至5月10日前播種，位于“湘桂走廊”東端的興安4月下旬正值插秧期，因此廣西北部稻區不可能為洪江提供遷入蟲源。逐時回推13—24h軌跡落點在廣西西南部以及越南北部。4月下旬廣西北部灣稻區水稻處于分蘗—拔節期，越南北部紅河三角洲的冬春稻處于拔節—孕穗期，正是白背飛虱的大量遷出期，可為洪江提供遷入蟲源。

安仁位于湖南省東南部。4月29日與30日，以安仁為起點逐時回推13—24h的軌跡終點落在廣西西南部及雷州半島，逐時回推25—36h的軌跡終點落在海南島東北部地區，落在海中的終點為無效落點(圖6)。

龍山4月24日與29日出現上燈峰，逐時回推13—24h的回推軌跡終點落在貴州西南與廣西西北接壤地區，落點覆蓋地區為西南單季稻稻作區之一，此時尚未插秧，無法為龍山提供遷入蟲源。4月24日和29日逐時回推25—36h軌跡終點分別落在越南北部和廣西西南地區(圖6)。結合越南北部以及廣西西南的水稻生育期與田間主蟲態，并考察白背飛虱長翅成蟲數量及其遷出期，兩稻區均為有效蟲源地。

4月27日與29日，芷江逐時回推25—26h回推軌跡落點只有較少終點落于廣西北部灣以及越南北部(圖6)。

圖4 2000—2012年3月20日至5月20日湖南白背飛虱前期遷入種群累計燈誘蟲量及降蟲分布Fig.4 Accumulated number of light-trap catches and distribution of landing of WBPH from 20 March to 20 May 2012, in Hunan

2.2.2 2012年5月上旬

如圖7所示，5月3日，湘南的藍山逐時回推13—24h的軌跡落點分布在廣西東南部。5月6日江華和藍山為起點的逐時回推24h以內終點落在廣東西南雷州半島，回推25—36h終點僅有少部分分布在海南稻區。5月7日，藍山回推12h以內的軌跡終點落在廣東西南雷州半島。湘中邵東5月7日回推24h以內的軌跡落點可達廣西南部。武岡5月8日逐時回推25—36h軌跡終點落于廣西西南以及越南北部稻區；5月10日回推13—24h終點落在廣西西南部稻區(圖7)。

以湘西洪江為起點5月6日逐時回推36h內的軌跡終點僅有較少終點落在廣西南部；5月7日，逐時回推13—24h軌跡終點位于廣西西南部和越南北部；5月9日，逐時回推24h以內軌跡終點分布在廣西西部及越南北部，同日芷江回推13—24h軌跡終點落于廣西西南部至越南北部；5月10日，洪江逐時回推13—24h軌跡終點落在廣西西南部與越南北部交界處(圖7)。

表2 2012年湖南省白背飛虱主要遷入峰次與蟲量Table 2 Main immigration peaks and quantity of WBPH in 2012, in Hunan

圖5 2000—2012年3—6月湖南白背飛虱遷入種群上燈蟲量的年際變化Fig.5 The annual fluctuation of the light-trap catches of WBPH from March to June during the year 2000 to 2012 in Hunan

圖6 2012年4月下旬湖南白背飛虱前期遷入種群回推軌跡Fig.6 Endpoints of backward trajectories of primary immigration of WBPH on late April 2012, in Hunan

湘西龍山5月7日逐時回推13—24h軌跡終點于云南東南部和越南北部交界地區(圖7)；5月9日，逐時回推25—36h軌跡終點較少，落在越南北部以及老撾北部與越南接壤的地區(圖7)；5月上旬，越南北部地區水稻正處于孕穗—齊穗期，可為湘西提供有效蟲源；而老撾東北部乃層巒疊嶂的高原山脈且無旱季水稻種植，故為無效蟲源地。

圖7 2012年5月初湖南白背飛虱前期遷入種群回推軌跡Fig.7 Endpoints of backward trajectories of primary immigration of WBPH on early May 2012 in Hunan

統計上述白背飛虱前期遷入種群有效蟲源地的概率分布(表3)，2012年4月下旬至5月上旬湘西(洪江、芷江、龍山、武岡)的遷入蟲源主要來自廣西西南部以及越南北部，少部分峰次蟲源來自廣西東南部與廣東南部；湘中腹部(邵東)的遷入蟲源主要來自廣西東南部，廣西西南部次之；湘南(藍山、江華)與湘東(安仁)的遷入蟲源主要來自廣東南部(主要為雷州半島稻區)及廣西東南部，極少部分峰次蟲源來自廣西西南部與海南。

表3 2012年4月下旬至5月上旬湖南稻區白背飛虱中小尺度有效蟲源地分布概率Table 3 Probability distribution of valid mesoscale source areas of WBPH in late April to early May of 2012, in Hunan

2.3 降落機制

2.3.1 風切變和降水

4月24日20:00(GMT+8，下同)，湖南大部分地區受冷空氣影響(圖8)，自西南而上的暖濕氣流與冷空氣交綏過境。4月25日02:00，低層切變線南移至湘桂交界處(圖8)，龍山、芷江以及洪江于冷鋒后，洪江4月24日20:00至25日06:00累計降水8.55mm(圖9)，當夜出現白背飛虱燈誘高峰(表2)。27日20:00，芷江850hPa處出現風切變(圖8)，28日02:00切變線消失(圖8)。此期間27日21:00—23:00，芷江累計降水達8.25mm(圖9)，出現一個降蟲峰(表2)。29日20:00至次日06:00，龍山、芷江、安仁一線出現氣流的輔合與風向切變(圖8)，促使白背飛虱空中聚集并遇雨降落(圖9)。5月8日20:00，龍山出現切變線(圖8)，結合逐時降水圖9，其中龍山出現短時強降水過程，該地在20:00至21:00兩小時累計降水11.6mm，洪江9日04:00至06:00，洪江出現兩次強降水過程，空中的白背飛虱遇雨而集聚降落(圖9，表2)。東北冷渦南伸發展、低層切變線南移帶來的降雨過程是湖南西部稻區多個站點白背飛虱“同期突發”的主要因素。2012年5月，湖南全省平均降雨量426.5 mm。頻繁的降水加之各中小尺度蟲源地白背飛虱種群的倍增，進而帶來了2012年5月份較大的遷入蟲峰。

2.3.2 低溫屏障

2012年3月湖南省大部分地區月平均溫度低于15 ℃，4月份湘南平均溫度達21 ℃，湘北則為19.5 ℃。當氣溫低于白背飛虱飛行閾值(16.5 ℃)時，遷飛中的種群會被迫降。隨著緯度的增加，天然的低溫屏障是4月遷入峰主降湘西南的主要原因。

2012年5月3日20:00，藍山、江華同處切變線南緣，根據湖南稻區800hPa高空溫度場分析(圖10)，2012年5月4日03:00，800hPa高空上低于16 ℃的等溫線形成一道低溫屏障使空中蟲群無法穿越低溫區進入湘中腹地，因此在位于16℃等溫線南緣的藍山形成單燈單晚8070頭上燈的大規模降蟲，而過境區江華則無上燈峰。5月9日02:00，乘西南氣流遷飛至湘北稻區上空的白背飛虱種群遇低溫屏障被迫降落，龍山恰處16℃等溫線南緣(圖10)，當夜的降水加之低溫屏障使龍山形成多達3萬多頭的燈誘高峰。

圖8 2012年4月下旬至5月上旬850hPa水平流場與風速(站點縮寫見表2)Fig.8 Winds field at 850hPa at 20:00 from late April to early May 2012 (Location acronym is showed in Table 2)

2.3.3 下沉氣流

4月26日與5月4日，洪江出現燈誘高峰(表2)。分析洪江上空750hPa垂直速度場(圖11)，可知這2天當晚20:00與次日02:00，洪江上空750 hPa氣流均為較明顯的下沉運動。另據時間—高度垂直速度剖面(圖12)，可知這2夜750 hPa以下高度均為下沉氣流，其中26日最大絕對垂直速度達0.6 Pa/s，5月4日為0.3 Pa/s。

芷江5月12日、16日及17日均出現了燈誘高峰(表2)，通過對芷江上空750hPa垂直速度場(圖13)與時間—高度垂直速度剖面(圖14)分析，可得這3夜750 hPa以下高度為一致的下沉氣流，其中16日、17日下沉氣流強度明顯，最大絕對垂直速度分別為0.4 Pa/s與0.8 Pa/s，這對此次空中的白背飛虱的集聚降落非常有利。強下沉氣流是這幾次白背飛虱迫降的決定性因素。

圖9 湖南省各站點2012年4月下旬至5月初20：00至次日06：00降水日逐時降水量Fig.9 Hourly precipitation data from 2000 BST to 0600 BST the next day at each site in late April and early May 2012, in Hunan

圖10 2012年5月4日03:00(GMT+8)800hPa溫度場，5月9日02:00(GMT+8)800hPa溫度場Fig.10 Temperature fields at 800hPa at 03:00 BST on 4 May and at 02:00 BST on 9 May, in 2012

2.3.4 地形與垂直流場

湖南為獨特的“馬蹄形”盆地地貌，東、南、西三面山地環繞，中間為低緩的丘崗，北部則是洞庭湖平原(圖1)。芷江與洪江海拔高度差異不大，兩站點地形高度約450 m，處山谷地段(圖15)。白背飛虱4月至5月遷飛高度為500—1500 m，因此山谷間的“峽谷風”可使蟲群集聚，當遇到降水、下沉氣流等條件時降落。

4月24日洪江出現白背飛虱燈誘高峰(表2)。4月24日夜間，在沿27.325°N、109°E—110.5°E區域內，氣流由西向東移動，芷江為背風坡，洪江相應地為迎風坡(圖15)，21:00芷江上空氣流并無明顯下沉現象，表明小尺度背風坡(坡向較緩)的地形下降并不會導致氣流下沉，而洪江上空正處下沉氣流區，并伴有不明顯的垂直環流圈，表明850 m高度的地形可對氣流產生阻礙作用。而且，4月24日21:00洪江便有少量降雨，23:00至4月25日02:00共4h累計降水達8.25 mm(圖9)，垂直環流的聚集、氣流的下沉運動與降水的共同作用下，洪江當夜形成上千頭的燈誘高峰。

4月26日21:00，110.0°E—115.0°E區域內的經向環流剖面上垂直速度ω分布顯示氣流在垂直方向上的強烈下沉運動(圖16)，這一區域750 hPa垂直速度可達0.2 Pa/s以上(圖11)。氣流強烈下沉后向西運動，洪江(110.09°E；27.25°N)相應地處于背風坡，氣流沿著背風坡下沉；而芷江(109.60°E；27.40°N)相對洪江正處迎風坡，由于氣流的強烈運動并沒有遭遇地形的阻塞作用，氣流遇芷江一側沿山體爬升，形成上升氣流，最終在109.5°E—110.5°E區域形成一個緯向垂直環流圈，并于21:00—23:00在洪江兩小時累計降水0.45 mm(圖9)。輕微少量的降水對空中蟲群的迫降作用并不顯著，因此26日夜間垂直環流的聚集作用以及背風坡氣流的下沉運動是導致洪江燈誘高峰的主要原因。

圖11 2012年洪江前期遷入白背飛虱種群上燈高峰日750hPa垂直速度場(Pa/s) Fig.11 Pressure vertical velocity field (Pa/s) at 750hPa in the days with large light-trap catches of Hongjiang WBPH in early migration period in 2012

圖12 2012年4月23日00:00(UTC)至5月7日18:00(UTC)洪江氣壓垂直速度(Pa/s)的時間-高度剖面 Fig.12 Time-Altitude cross section of pressure vertical velocity field (Pa/s) of Hongjiang from 00:00 UTC on 23 April to 18:00 UTC on 7 May 2012

圖13 2012年芷江前期遷入白背飛虱種群上燈高峰日750hPa氣壓垂直速度場(Pa/s)Fig.13 Pressure vertical velocity field (Pa/s) at 750hPa in the days with large light-trap catches of Zhijiang WBPH in early migration period in 2012

圖14 2012年5月8日18:00(UTC)至5月18日18:00(UTC)芷江垂直速度(Pa/s)的時間-高度剖面Fig.14 Time-Altitude cross section of pressure vertical velocity field (Pa/s) of Zhijiang from 18:00 UTC on 8 May to 18:00 UTC on 18 May in 2012

4月27日21:00，108.5°E—109.7°E區域內的緯向垂直環流剖面上，800—300 hPa處氣流有強烈的上升運動，800 hPa以下氣流受地面摩擦力的作用，到4月28日03:00形成一個緯向環流圈(圖17)。由圖9可得，4月27日20:00至22:00，芷江兩小時累計降水量達4.25 mm，空中蟲群途經該地時隨垂直環流聚集并遭遇降水及其下沉氣流而降落。而109.8°E—110.2°E區域存在氣流輕微的向東輻散，于洪江所處的迎風坡的阻塞作用形成一個風速很小的渦旋，因此洪江當夜并未形成燈誘峰。

龍山(109.50°E；29.22°N)海拔高度比芷江高約200 m(圖18)，地處湘西北的武陵山脈南側迎風坡，山脈主體最高海拔高度在1200 m左右，但是這種海拔高度并不會從地域空間上完全阻礙白背飛虱的遷飛。4月29日22:00，迎風坡山麓由于地形阻塞和地面摩擦作用，加之夜間山體冷卻輻射，氣溫迅速降低，而同一高度山谷上空的大氣冷卻較慢并沿山坡下滑，下層風由山坡吹向山谷并在龍山形成小型垂直渦旋(roller)，即由于山體阻塞、地面摩擦及夜間垂直渦旋的作用而使空中蟲群集中迫降，使該地出現116頭燈誘高峰。與此同時，芷江正處上升氣流區，強烈的上升氣流帶來一次短時強降水過程(19:00至22:00，其中22:00的1h累計降水量達19.1 mm)(圖9)，使空中蟲群大部分迫降于芷江(1256頭上燈)，少量隨氣流繼續遷至龍山后又遇下沉氣流而降落(116頭上燈)。

從上節分析來看，龍山地處山體迎風坡下，夜間易受山風的影響而導致蟲群降落。但在5月8日19:00，迎風坡下的下沉氣流并非是由于地形引起的，而是緣于對流層中上層空氣強烈的下沉運動，氣流遇地面阻塞，形成小型垂直渦旋，可進一步加深空中蟲群的聚集作用。結合5月8日19:00—22:00，龍山3h累計降水達23.49 mm(圖9)，此次強降水造成龍山上空大氣強烈的下沉運動并形成渦旋(圖19)，加之5月9日02:00—05:00降水帶來的降溫使龍山位于16℃等溫線南緣共同導致蟲群迫降，5月8日龍山燈誘蟲量達3萬多頭。

圖15 沿27.325°N緯向地形(陰影部分)和2012年4月24日13:00(UTC)沿27.325°N緯向垂直環流Fig.15 Topography (bottom, shaded) along 27.325°N (Bottom), and Latitudinal vertical circulation along 27.325°N at 13:00 UTC on 24 April 2012矢量線，ω擴大50倍；ω: 垂直風速(m/s)

圖16 2012年4月26日1300(UTC)沿27.325°N緯向垂直環流 Fig.16 Latitudinal vertical circulation along 27.325°N at 1300 UTC on 26 April 2012 矢量線，ω擴大50倍；ω: 垂直風速(m/s)

圖17 2012年4月27 日 1900(UTC)沿27.325°N緯向垂直環流 Fig.17 Latitudinal vertical circulation along 27.325°N at 1900 UTC on 27 April 2012矢量線，ω擴大50倍；ω: 垂直風速(m/s)

圖18 沿109.55°E經向地形(陰影部分)和2012年4月29日1400(UTC)沿109.55°E經向垂直環流Fig.18 Topography (bottom, shaded) along 109.55°E, and Longitudinal vertical circulation along 109.55°E at 1400 UTC on 29 April 2012 矢量線，ω擴大50倍；ω: 垂直風速(m/s)

圖19 2012年5月8日1100(UTC)沿109.55°E經向垂直環流Fig.19 Longitudinal vertical circulation along 109.5°E at 1100 UTC on 8 May 2012 矢量線，ω擴大50倍；ω: 垂直風速(m/s)

3 結論與討論

本文通過對2012年湖南稻區白背飛虱前期遷入蟲源地的軌跡分析，對特殊地形條件影響白背飛虱區域性降落的精細化分析，在中小尺度上闡釋了白背飛虱遷入事件天氣學背景和降落機制，為白背飛虱前期遷入預測和因地制宜的治理提供一定的理論依據。

3.1 湖南稻區白背飛虱前期遷入主要中小尺度蟲源地為越南北部、廣西西南部

本文使用WRF模式做了2012年湖南省白背飛虱前期遷入種群中小尺度蟲源地及降落機制的個例分析。WRF模式有更為先進的數值計算和資料同化技和更為完善的物理過程(尤其是對流和中尺度降水過程)，可以更好的模擬天氣系統和降水落區[19]，顯著提高時空分辨率。同時，在軌跡計算程序中加入了昆蟲飛行行為參數，進一步提高了軌跡計算的精度與準確性。結果表明，湘西稻區蟲源主要來自越南北部、廣西西南部；湘南、湘東稻區蟲源主要來自廣東南部，部分來自廣西東南部及海南。

越南位于中南半島東部，面積約330,000 km2，其中耕地面積占9,350,000 hm2，水稻面積約7,400,000hm2。越南水稻種植主要集中在湄公河平原與紅河平原，其中湄公河平原水稻面積和產量占全國面積、產量的50%以上[20]。每年可收獲2—3季水稻，北方種植冬春稻和晚稻，以河內為代表，冬春稻在12月和第二年的1月播種，晚稻在6 月中旬播種，南方一年三季稻[21,22]；西南毗鄰越南的廣西與我國海南省隔海相望，是我國南部重要的雙季稻種植區，常年4月下旬廣西北部灣稻區水稻處于分蘗—拔節期；廣東中南稻作區位于廣州以南的中南部沿海平原和丘陵區，稻田面積約占全省的46%，是廣東省稻谷的最主要產區。 廣東西南稻作區位于雷州半島，每年3月，以雷州半島為代表的廣東南部稻區早稻部分秧苗已經移栽，白背飛虱陸續出現零星遷入[23]。該稻區春播最早，秋收較遲，以雙季稻為主。2012年3月上旬，我國南部沿海稻區已出現遷入峰，且遷入量大，遷入次數頻繁，為后期稻飛虱的遷出提供了蟲源保證。

湖南屬亞熱帶季風濕潤性氣候，多雨期與夏季風的進退密切相關。850 hPa風場分析表明，湖南白背飛虱前期遷入事件與此期偏南風的盛行和越南北部、廣西南部、廣東南部以及海南稻區的水稻栽培與生育期有關。因此，通過對越南北部、廣西西南部、廣州西南部以及中國海南等蟲源地的蟲情演化和遷出氣象條件的分析判斷，可為湖南省白背飛虱發生的異地預測與田間防控提供重要依據。

3.2 湖南稻區白背飛虱遷入量與降落落點分布因地形差異明顯

山區地形對稻飛虱的“遷飛—降落”過程有著極大的影響[5]，攜載稻飛虱的氣流對地形障礙的響應可由3個因素決定：氣流的穩定性、氣流速度、山體地形特征[24]。山脈的阻滯使空氣被迫抬升并形成繞流和穿谷流以及不同地形的不同加熱作用和摩擦效應產生的中尺度環流對山區局地強對流天氣有明顯強化作用[25]；同時，當氣流通過山谷時，地形阻塞作用與地面摩擦力及夜間形成的山風使迎風坡的山麓形成垂直渦旋和強勁的峽谷風。山谷間峽谷風的這種“狹管效應”和迎風坡上垂直渦動的“轉子效應”使得乘風而來的稻飛虱在很短時間內形成大規模集聚并集中降落。本研究結果表明，湖南地勢復雜，河川多呈南北走向，山脈以東西走向為主。從地形上看，南嶺山脈橫亙在湖南和兩廣的邊界上，其西段諸嶺與呈東北—西南走向的雪峰山和武陵山構成“川”字型分布，湘中呈平壩小盆地及湘西南為喇叭口式地形。這種地理特點造就了湖南白背飛虱蟲源地的分布差異，而且湘西較大的燈誘峰次主要位于“湘桂走廊”的東端谷地或者是山體的迎風坡，即白背飛虱前期遷入種群在湖南的主要落點基本沿湘西武陵山區至湘南雪峰山區一帶稻區分布。這是由于每年4—5月盛行的西南氣流通過“湘桂走廊”把廣西西南部甚至越南北部的蟲源輸送到湘西，同時，少部分南向風和東南風可把廣東南部與海南稻區的蟲源輸送到湘東南與湘中。春季西南氣流逐步加強，湘東南由于位置偏東，加之南嶺高山的阻擋，該區遷入峰次與遷入量較湘西要少得多。

從更大尺度上看，與湘西構成大范圍同期突增區的地域還覆蓋了整個云貴高原的山地稻區，包括滇東南、黔南黔東南、桂西北、川東南、渝南渝東南和鄂西南。胡國文等[26]的研究表明，貴州東南部和川、黔、湘交界地區(即大婁山東側)遷入期比我國東部同緯度地區早得多且遷入量亦大得多，是由于該地處于大婁山和雪峰山之間的槽形地帶，春季從廣西西部北上的西南氣流通常攜蟲群沿云貴高原的東南緣向北伸展到該區。而四川盆地四面環山，由于南部的云貴高原的阻擋作用，使底層西南氣流不能進入盆地，因而春季西南氣流多見時，四川盆地并不能經常見蟲。陳德茂[27]對貴州稻飛虱的研究發現，包括銅仁、黔東南自治州大部分縣在內的黔東為白背飛虱、褐飛虱常發區，海拔大多在300—800m，稻飛虱一旦爆發多成片受害。又由于本區地處云貴高原向湘鄂丘陵過渡的邊緣，苗嶺山脈和雪峰山之間的槽帶成了稻飛虱遷飛的走廊，以致該區旬遷入量、燈下誘捕數量遠大于省內其他區域。王澤樂等[28]對重慶“兩遷”害蟲的發生特點與遷入途徑進行了研究，結果表明大婁山脈和武陵山脈在渝南和渝東南形成的峽谷地帶為“兩遷”害蟲遷入重慶的重要通道；其中，來自湘桂的“兩遷”害蟲蟲源經武陵山通道遷入重慶(秀山為第一站)，來自云貴的蟲源則通過大婁山通道入侵重慶(綦江為橋頭堡)。一般而言，空中蟲群北遷過程中若遇鋒面天氣，大部分降蟲區位于雨區；若遇副高天氣，大部分降蟲區位于下沉氣流區[29]。通過對湖南省前期遷入白背飛虱種群降落機制的研究可知，山區地貌格局導致湘西低溫屏障、下沉氣流與降雨頻繁發生，造成該區遷入峰次多、遷入量大。暖濕氣流容易在中尺度地形迎風坡造成氣旋性幅合而形成降水[30]，同時，地形也可起改變降水落區和強度的作用[31]。

地形對降水及降蟲的影響需要更多的試驗研究，通過WRF模式的數值試驗，設置不同山地地形高度來模擬24 h降水的變化，并分析垂直速度、渦散度、濕位渦、水汽通量等動力場的變化， 闡明地形對降水的影響及白背飛虱的降落機制。此外，本文只是2012年的個例分析，尚需要通過更多個例的剖析，從中尋求稻飛虱遷飛降落的統計規律。

致謝:全國農業技術推廣服務中心病蟲測報處提供了燈下誘捕資料和田間系統調查資料；湖南省永州市植保站提供了永州市各縣區燈下蟲量數據；NCEP /NCAR提供了全球再分析資料；國家氣象信息中心提供了逐時降水資料，在此一并致謝。

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Mesoscale source areas and landing mechanisms of the early immigrant white-backed planthopperSogatellafurcifera(Horváth) in Hunan Province, China

WU Qiulin1, HU Gao1, LU Minghong2, WANG Biao3, ZHU Xiuxiu3, SU Fang4, ZHANG Zhonggang5, ZHAI Baoping1，*

1DepartmentofEntomology,NanjingAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofIntegratedManagementofCropDiseaseandInsectPests,MinistryofEducation,MinistryofAgricultureofChina,Nanjing210095,China2NationalAgriculturalTechnicalExtensionandServiceCenter,Beijing100125,China3HunanPlantProtectionStation,Changsha410005,China4HongjiangPlantProtectionStation,Hongjiang418200,China5ZhijiangPlantProtectionStation,Zhijiang419100,China

Recently, continuous outbreaks of the white-backed planthopper (WBPH)Sogatellafurcifera(Horváth) have caused heavy rice yield losses in China. Hunan Province is a hotspot in principal migration pathways, and consequently, the main infestation area for the rice planthopper species; therefore, significant economic damage caused by WBPH outbreaks in this province will directly threaten food security in China. Therefore, a better understanding of the source areas and landing mechanisms of immigrant planthoppers in a mesoscale region such as Hunan Province would be essential for an accurate and detailed offsite forecast based on the hopper occurrence status in the source area. A trajectory analysis method based on atmospheric conditions has been developed for the quantitative simulation of population movements and distributions over a range of temporal and spatial scales. Meanwhile, the Weather Research and Forecasting (WRF) model can not only improve the precision and accuracy of trajectory calculation by providing a meteorological background with high spatial and temporal resolution, but also describe and interpret the WBPH migratory mesoscale process by analyzing atmospheric parameters with its advanced numerical technique. In this study, weather datasets on peak days of light-trap catches of the early immigrant WBPHs in Hunan Province during late April and early May of 2012 were selected to conduct a three-dimensional trajectory analysis and a multifactor spatio-temporal dynamic analysis to simulate the migration processes with the WRF model. The following results were derived from the analysis: (1) From April to May 2012, immigrant populations of WBPH in western Hunan were mainly from northern Vietnam and southwestern Guangxi and partly from southeastern Guangxi and southern Guangdong. Source areas of WBPHs that immigrated to southeastern or central Hunan were traced back to southeastern Guangxi and southern Guangdong and partly to Hainan. In late April and early May, source areas of migrant WBPHs were relatively different between western and eastern Hunan. A prevailing southwest monsoon and obstruction by the Nanling Mountains ensured that fewer early immigrant WBPHs landed in southeastern Hunan than in southwestern Hunan. (2) The source populations of WBPH were carried by the southwest low level jet and then clustered and forced to land by downdrafts, a low temperature barrier, and precipitation, which was caused by a frontal cyclone, shear line, or strong updraft, with the application of a three-dimensional trajectory analysis and meteorological modeling. (3) The landing areas of the early immigrant WBPHs were primarily along the Wuling mountainous region in western Hunan, the Xuefeng mountainous region in southern Hunan, and the eastern end of the Xiang-Gui Corridor. Terrain-forced flows (winds modified or channeled by the underlying complex terrain) are associated with mountainous terrain. Thus, terrain was believed to be a main factor that forced massive numbers of WBPHs to land and immigrate frequently into western Hunan. Most of the immigration events and insect convergence occurred in valleys and on the windward side of mountains owing to the vortex effect caused by mountain blocking and friction, mountain breezes, and ravine winds in a valley.

Sogatellafurcifera; mesoscale source areas; landing mechanisms; WRF model; trajectory analysis

國家973項目(2010CB126200)；農業公益性行業科研專項(200903051)

2014- 03- 11;

日期:2015- 04- 20

10.5846/stxb201403110415

*通訊作者Corresponding author.E-mail: bpzhai@njau.edu.cn

吳秋琳，胡高，陸明紅，王標，朱秀秀，粟芳，張仲剛，翟保平.湖南白背飛虱前期遷入種群中小尺度蟲源地及降落機制.生態學報,2015,35(22):7397- 7417.

Wu Q L, Hu G, Lu M H, Wang B, Zhu X X, Su F, Zhang Z G, Zhai B P.Mesoscale source areas and landing mechanisms of the early immigrant white-backed planthopperSogatellafurcifera(Horváth) in Hunan Province, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(22):7397- 7417.