基于大氣環(huán)流的中國稻飛虱發(fā)生面積預測模型

水稻是中國最重要的水稻病蟲害之一，具有“國際、遷移性、爆發(fā)性和毀滅性”的特點。在中國，它主要受到棕櫚樹和白臉飛虱的影響，這是一種遷移性害蟲。其發(fā)生程度與遷入蟲量、氣候生態(tài)條件、水稻品種及栽培管理措施等有密切的關系,其中遷入蟲量是決定其發(fā)生輕重的關鍵。稻飛虱在北遷及回遷過程中,起飛、遷飛和降落都是發(fā)生在一定的大氣背景下,大氣環(huán)流形勢的時空變化直接決定了稻飛虱的降落區(qū)域和時段,也間接決定了降落區(qū)水稻的危害程度,適宜的大氣環(huán)流場是中國稻飛虱遷飛的動力和載體。因此,研究影響稻飛虱發(fā)生的氣候條件對于其防控具有十分重要的意義。大氣環(huán)流影響稻區(qū)的日照、氣溫和降水條件,導致地面氣象要素影響稻飛虱發(fā)生的時間主要在夏季和冬季。我國稻區(qū)冬季和初春偏暖、多雨寡照及夏季陰雨寡照的年份,易出現稻飛虱的大面積暴發(fā)。已有的研究也表明:大氣環(huán)流與夏季我國稻區(qū)的降水密切相關;冬暖年份稻飛虱發(fā)生嚴重,因為暖冬不僅使稻飛虱冬季繁殖,蟲卵安全越冬,還可使害蟲發(fā)育速度加快,遷入期提前,為害期拉長;長江中下游地區(qū)夏季多雨,也常導致稻飛虱發(fā)生偏重。筆者從全面反應大氣環(huán)流的74項特征指數入手,研究影響中國稻飛虱發(fā)生面積的大氣環(huán)流因子,建立預測預報模型,探索大尺度環(huán)流背景對稻飛虱發(fā)生的影響,以期能為有關部門及時準確地防治提供科學依據,減輕蟲害和損失。1材料和方法1.1大氣環(huán)流特征量與類別1988～2009年我國白背飛虱和褐飛虱的發(fā)生面積資料來源于農業(yè)部中國農業(yè)技術推廣服務中心。1987～2009年74項大氣環(huán)流特征量逐月資料來自中國氣象局國家氣候中心網站,其含義見表1,類別包括:①副熱帶高壓類,11個區(qū)副熱帶高壓強度和位置(編號01～45);②極渦類,5個區(qū)極渦強度和位置(編號46～57);③環(huán)流類,環(huán)流型及環(huán)流指數(編號58～64);④槽類,幾種槽的位置與強度(編號65～69);⑤其他類,包括冷空氣、臺風、太陽黑子及南方濤動指數(編號70～74)。1.2稻飛梭的確立稻飛虱從產卵、越冬、孵化、若蟲到成蟲為一個世代周期,其中各發(fā)育期經歷的時段都不同。一般,上一年7～12月的環(huán)流資料會影響稻飛虱的順利產卵和安全越冬,當年1～12月的資料會影響其從越冬、孵化、若蟲到成蟲的各個階段,并影響其遷飛及后期暴發(fā)等過程。將1988～2009年中國白背飛虱與褐飛虱的發(fā)生面積分別與發(fā)生前一年7～12月份和當年1～12月份的74項大氣環(huán)流特征量進行相關性分析,篩選出與其發(fā)生面積顯著相關的大氣環(huán)流因子,并采用逐步回歸方法建立稻飛虱發(fā)生面積的預測模型。2結果與分析2.1大氣環(huán)流特征量的篩選分別將1988～2009年白背飛虱和褐飛虱發(fā)生面積與1987年7月至2009年12月逐月的74項大氣環(huán)流特征量,通過SPSS13.0進行相關性分析,篩選出了通過0.05顯著性水平檢驗的大氣環(huán)流因子及時段(表2和3)。接下表2.2預測模型的構建2.2.1極群強度指數w將篩選出來的86個大氣環(huán)流指數因子作為預報因子,與白背飛虱發(fā)生面積進行逐步回歸分析,得到預測模型(表4)。預測因子分別是x1:D58(10),當年10月大西洋歐洲環(huán)流型W;x2:D47(10),當年10月太平洋區(qū)極渦面積指數;x3:D18(8),當年8月北美副高強度指數;x4:D58(6),當年6月大西洋歐洲環(huán)流型W;x5:D43(2),當年2月北美大西洋副高北界;x6:D54(10),當年10月大西洋歐洲區(qū)極渦強度指數;x7:S51(11),上年11月亞洲區(qū)極渦強度指數。研究得到的預測模型中,2～7號模型均通過了0.001水平顯著性檢驗。利用表4的模型,對1988～2009年中國白背飛虱發(fā)生面積進行擬合檢驗,其中模型4、5、6、7擬合值與實際值的相對誤差均小于15%,擬合效果較好(圖1)。2.2.2研究結果及預測模型建立將篩選出來的120個大氣環(huán)流指數因子作為預報因子,與褐飛虱發(fā)生面積進行逐步回歸分析,得到預測模型(表5)。預測因子分別是x1:D17(7),當年7月東太平洋副高強度指數;x2:S50(10),上年10月北半球極渦面積指數;x3:S51(11),上年11月亞洲區(qū)極渦強度指數;x4:D43(9),當年9月北美大西洋副高北界;x5:D36(1),當年1月北非大西洋北美副高北界;x6:S73(9),上年9月太陽黑子;x7:D6(9),當年9月東太平洋副高面積指數。研究得到的7個預測模型均通過了0.001水平顯著性檢驗。利用表5的模型,對1988～2009年中國褐飛虱發(fā)生面積進行擬合檢驗,其中模型5、6、7擬合值與實際值的相對誤差幾乎都在20%以下,擬合效果較好(圖2)。2.3國外市場高北界專家對極群強度指數的影響由模型可知,中國稻飛虱的發(fā)生面積與上年的亞洲區(qū)極渦強度指數(11月)、太陽黑子(9月)、北半球極渦面積指數(10月)、當年的北美大西洋副高北界(2月、9月)、大西洋歐洲環(huán)流型W(6、10月)、太平洋區(qū)極渦面積指數(10月)、北美副高強度指數(8月)、大西洋歐洲區(qū)極渦強度指數(10月)、東太平洋副高強度指數(7月)、北非大西洋北美副高北界(1月)具有顯著相關性。2.3.1熱帶高壓偏北移當年1月北非大西洋北美副高北界和2月北美大西洋副高北界與稻飛虱發(fā)生面積呈正相關,即當副熱帶高壓越偏北移,其發(fā)生面積越大。這可能與其影響冬季氣溫偏高,有利于稻飛虱蟲卵的安全越冬有關。而7月東太平洋副高強度指數、8月北美副高強度指數和9月的北美大西洋副高北界與稻飛虱發(fā)生面積呈正相關,可能是由于其調控降水和氣溫,有利于稻飛虱田間種群的生長發(fā)育和繁殖。2.3.2極豫強度對發(fā)生空間的影響上年11月的亞洲區(qū)極渦強度指數和10月北半球極渦面積指數與稻飛虱的發(fā)生面積呈負相關,即亞洲區(qū)極渦強度越強,北半球極渦面積越大,其發(fā)生面積越小。這可能與其影響冬季氣溫偏高,使得稻飛虱卵安全越冬有關。當年10月的太平洋區(qū)極渦面積指數和大西洋歐洲區(qū)極渦強度指數與稻飛虱的發(fā)生面積呈負相關,這可能是由于其影響秋季氣溫偏高,有利于稻飛虱田間種群的生長發(fā)育和繁殖。2.3.3循環(huán)類別當年6月和10月的大西洋歐洲環(huán)流型W與稻飛虱的發(fā)生面積呈負相關,這可能與其影響我國夏、秋季的氣溫和降水有關。2.3.4其他類型上年9月太陽黑子與稻飛虱的發(fā)生面積呈負相關,因為太陽黑子活動頻繁會導致惡劣天氣,使氣候轉冷,從而影響稻飛虱的產卵及其冬季的存活。3稻飛病發(fā)生面積研究大氣環(huán)流影響時空尺度大,多年相對穩(wěn)定,天氣意義明確,涵蓋生態(tài)信息豐富,是用于較大空間尺度研究的較好因子。該研究是基于大尺度