白蕤　李寧　吳立

摘要：基于因子膨化方法對74項大氣環(huán)流特征量進行合理擴充，采用相關(guān)分析、回歸分析等方法，完成對1961—2010年海南省稻飛虱發(fā)生面積率等級具有指示意義的大氣環(huán)流因子的篩選及其相應(yīng)等級指標(biāo)的構(gòu)建，分析大氣環(huán)流影響海南稻飛虱的發(fā)生機制，建立基于大氣環(huán)流的海南稻飛虱發(fā)生面積率預(yù)測模型，并利用2010年資料對模型進行預(yù)測檢驗。結(jié)果表明，影響稻飛虱發(fā)生面積率等級的次序為副熱帶高壓類、極渦類、槽類以及其他類，影響的時段主要為上一年9—10月；不同指示因子的量值在稻飛虱發(fā)生輕、偏輕、偏重和重時差異顯著；關(guān)鍵環(huán)流因子與稻區(qū)氣象要素、海南稻飛虱發(fā)生面積率三者之間的存在密切關(guān)系；大氣環(huán)流模型回代檢驗等級準(zhǔn)確率為81.63%，2010年等級預(yù)測準(zhǔn)確率為100%，模型總體評價準(zhǔn)確率為82%。該模型準(zhǔn)確性較高，可為預(yù)測預(yù)報海南稻飛虱提供服務(wù)。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)流；海南；稻飛虱；發(fā)生面積；因子；發(fā)生機制；預(yù)測模型；回歸分析

中圖分類號： S435.112+.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0080-05

我國稻飛虱的發(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著密切關(guān)系，其中遷入蟲量是決定其發(fā)生輕重的關(guān)鍵[1-2]。稻飛虱來源大致有3支[2-3]：一支由泰緬北部隨西南季風(fēng)遷入，主降地區(qū)為云南西南邊境的局部地區(qū)；一支由菲律賓于7―8月隨臺風(fēng)外圍氣旋遷入，主降東南沿海地區(qū)；另一支由中南半島隨盛行的西南季風(fēng)于5—6月遷入，主降兩廣地區(qū)，隨后遷向全國稻區(qū)。由此可見，海南省處于主降區(qū)，稻飛虱的發(fā)生與大尺度氣候環(huán)流背景密切相關(guān)，適宜的大氣環(huán)流場是稻飛虱遷飛的動力和載體。因此，研究海南省稻飛虱發(fā)生的氣候生態(tài)成因，建立并開展稻飛虱發(fā)生的中長期氣象預(yù)測，對增強防御稻飛虱災(zāi)害的能力十分重要。

國外學(xué)者在氣候?qū)λ静∠x害的影響方面進行了較為系統(tǒng)的研究。Mills等認(rèn)為，水稻害蟲在盛行的夏季風(fēng)和季風(fēng)中沿寬闊的軌跡向北遷移[4]。日本學(xué)者Morishita認(rèn)為，厄爾尼諾的次年為日本褐飛虱大發(fā)生年[5]。國內(nèi)學(xué)者的研究多集中在對稻飛虱與大氣環(huán)流特征量的相關(guān)性分析上。高蘋等研究發(fā)現(xiàn)，江蘇地區(qū)褐飛虱前期遷入量與太平洋海溫場存在顯著的遙相關(guān)，水稻白背飛虱蟲情因子與環(huán)流因子之間存在非線性、非單調(diào)的單峰型相關(guān)[6-7]；侯婷婷認(rèn)為，西太平洋副熱帶高壓強度是影響我國稻飛虱發(fā)生的重要因素[8]；于彩霞等篩選在我國稻飛虱發(fā)生前期對當(dāng)年稻飛虱發(fā)生等級具有一定指示作用的大氣環(huán)流因子并構(gòu)建等級指示指標(biāo)[9]；錢拴等探索大尺度環(huán)流背景對我國稻飛虱發(fā)生的影響關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立我國稻飛虱發(fā)生面積中長期預(yù)報模式[10]。

海南省位于我國的最南端，屬熱帶季風(fēng)性氣候，全年溫?zé)峤o稻飛虱提供良好的生存繁殖和越冬的氣候環(huán)境。1987年4月下旬，海南省瓊海市、陵水黎族自治縣等地早稻局部田塊稻飛虱蟲口百叢密度達(dá)1 000～4 500頭，最高可達(dá)1.5萬頭，并有相當(dāng)多的田塊出現(xiàn)“穿頂”[2]。2006年8月中下旬，海南省萬寧市、瓊海市等地的晚稻正處分蘗期，稻飛虱蟲口百叢密度為500～4 000頭，最高可達(dá)2萬頭，稻株全部枯干倒伏、顆粒無收[11]。王月姣等調(diào)查了海南省文昌市稻飛虱的發(fā)生規(guī)律，并從蟲源、氣候、品種、肥水管理等方面分析了稻飛虱成災(zāi)發(fā)生的原因[12]。肖彤斌等分析了海南省稻飛虱發(fā)生特點及成災(zāi)原因，并提出了相應(yīng)的防治措施[11]。目前，對海南省稻飛虱的研究多是定性、機制性的描述，或是部分區(qū)域、站點的針對性研究，而針對海南省稻飛虱的氣候背景研究甚少。本研究從全面反映大氣環(huán)流的74項特征量入手，根據(jù)海南省水稻種植制度和區(qū)域分布，探索大尺度環(huán)流背景對海南省稻飛虱發(fā)生的影響關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立海南省稻飛虱發(fā)生面積中長期預(yù)報模型，開展服務(wù)，以便及早做好防御工作，減輕稻飛虱造成的危害和損失。

1材料與方法

1.1材料來源

74項大氣環(huán)流特征量逐月資料取自國家氣候中心，時間為1960—2010年，具體情況如表1所示。稻飛虱資料來自全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，包括1961—2010年海南省稻飛虱逐年的發(fā)生面積、導(dǎo)致的水稻損失等。水稻面積、產(chǎn)量資料來自海南省統(tǒng)計年鑒，包括1961—2010年逐年的水稻種植面積、總產(chǎn)量等。

1.2資料處理方法

1.2.1稻飛虱發(fā)生等級劃分

為消除水稻種植面積對稻飛虱發(fā)生面積的影響， 將稻飛虱發(fā)生面積轉(zhuǎn)化為稻飛虱發(fā)生面積率，即稻飛虱發(fā)生面積率=當(dāng)年稻飛虱發(fā)生面積/當(dāng)年水稻種植面積×100%[9]。由此得出歷年稻飛虱發(fā)生面積率距平序列。

計算1961—2010年稻飛虱發(fā)生面積率的平均值，以平均值上下波動50%為等級間隔，對稻飛虱發(fā)生面積率進行輕、偏輕、偏重、重4個等級劃分[9]，分別對應(yīng)發(fā)生程度1、2、3、4級（表2）。

1.2.2預(yù)測因子膨化

預(yù)測因子膨化技術(shù)能合理擴充不同時段環(huán)流特征量的信息，構(gòu)建的預(yù)測模型具有時間上的連續(xù)性，在預(yù)測準(zhǔn)確率和挑選預(yù)測關(guān)鍵時段方面也具備優(yōu)勢[13]。

根據(jù)統(tǒng)計各氣象站的水稻生育期，研究區(qū)水稻最早可在1月播種。考慮到稻飛虱的發(fā)生對大氣環(huán)流響應(yīng)的滯后性和各氣象站的水稻生育期，將上一年1月作為水稻稻飛虱因子膨化的時段組合起始時間，上一年12月作為時段組合的終止時間。通過因子膨化的方法從上一年1月至上年12月，按照1個月、2個月直至12個月對74項大氣環(huán)流特征量進行時段組合。其中，第4、第15、第26、第37項的每年6—9月無數(shù)據(jù)，不參與時段組合。第65、第66、第70項每年6—8月無數(shù)據(jù)，不參與時段組合，所有特征量共組合6 642個大氣環(huán)流因子。

1.2.3相關(guān)性分析

不同時間段組合的大氣環(huán)流特征量與海南省稻飛虱發(fā)生面積率之間的相關(guān)系數(shù)計算公式如下：endprint

2結(jié)果與分析

2.1影響海南省稻飛虱發(fā)生面積率的大氣環(huán)流特征量

2.1.1影響海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流特征因子及影響時段

由圖1可看出，74項環(huán)流特征因子中通過0.001水平顯著性檢驗的影響時段數(shù)和關(guān)鍵因子數(shù)。影響海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流因子有40項，其中副熱帶高壓類環(huán)流特征因子顯著影響時段數(shù)為518個，關(guān)鍵環(huán)流因子有22項，占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的55%；極渦類環(huán)流因子顯著影響時段數(shù)為340個，關(guān)鍵環(huán)流因子有10項，占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的25%；環(huán)流類因子顯著影響時段數(shù)為27個，關(guān)鍵環(huán)流因子有3項，占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的7.5%；槽類環(huán)流因子顯著影響時段數(shù)為17個，關(guān)鍵環(huán)流因子有3項，占全部關(guān)鍵環(huán)流[CM（25]特征因子的7.5%；其他類環(huán)流因子顯著影響時段數(shù)為5

[TPBR1.tif]

個，關(guān)鍵環(huán)流因子有2項，占全部關(guān)鍵環(huán)流特征因子的5%。由此可見，北半球大氣環(huán)流對海南省稻飛虱發(fā)生面積率的發(fā)生影響程度次序為副熱帶高壓類>極渦類>環(huán)流類>槽類>其他類，其中副熱帶高壓類與海南省稻飛虱發(fā)生面積率的關(guān)系最為密切，其次為極渦類。副熱帶高壓面積指數(shù)、強度指數(shù)分別與海南省稻飛虱發(fā)生面積率呈正相關(guān)，極渦類呈負(fù)相關(guān)。副熱帶高壓類的東太平洋副高北界、北非副高脊線、極渦類的北半球極渦強度指數(shù)對稻飛虱發(fā)生面積率影響顯著，最大相關(guān)系數(shù)分別是-0.794、0.655、-0.735，均達(dá)到極顯著相關(guān)。而副高北界和副高脊線與海南省稻飛虱發(fā)生相關(guān)程度較低，22個指數(shù)中僅有5個指數(shù)與海南省稻飛虱發(fā)生面積率的相關(guān)達(dá)到 0.001 顯著水平，且不同區(qū)的副高北界和脊線與海南省稻飛虱發(fā)生的相關(guān)情況不同，既有正相關(guān)也有負(fù)相關(guān)。

對海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流特征因子進行影響時段統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，上一年1月至當(dāng)年1月關(guān)鍵環(huán)流特征因子對海南省當(dāng)年稻飛虱發(fā)生面積率均有顯著的影響。其中上一年9—10月和上一年的7—10月為集中影響時段，其次是上一年的2月至當(dāng)年1月和上一年的3月至當(dāng)年1月。各類關(guān)鍵環(huán)流因子中，副熱帶高壓類和極渦類環(huán)流因子對海南省稻飛虱的影響最為重要，其中上一年9—10月副熱帶高壓類環(huán)流因子的影響最為明顯，上一年6—11月極渦影響也比較明顯；而環(huán)流類、槽類和其他類環(huán)流特征因子對海南省稻飛虱的影響遠(yuǎn)小于前兩者，其中環(huán)流類影響時段主要集中在上一年4月至當(dāng)年1月。

2.1.2影響海南省稻飛虱發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)流特征因子指標(biāo)

近50年（1961—2010）來，海南省稻飛虱發(fā)生面積呈明顯上升趨勢，以平均1萬 hm2/10年的速度增加。由圖2可看出，稻飛虱發(fā)生面積和發(fā)生面積率從20世紀(jì)60年代開始呈逐年緩慢增加趨勢，1985、1991、1997年呈現(xiàn)不同程度的小高峰，21世紀(jì)后呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，到2009年達(dá)到最高值，稻飛虱的發(fā)生面積達(dá)到了9.44萬hm2，較20世紀(jì)80年代以前的發(fā)生面積增加近10倍。

根據(jù)海南省稻飛虱發(fā)生面積率分級類別（表2），計算每個關(guān)鍵特征因子相應(yīng)級別的平均值，判斷關(guān)鍵環(huán)流因子量值在稻飛虱輕、偏輕、偏重、重發(fā)生時候的差異，篩選出量值差異較為明顯的關(guān)鍵環(huán)流因子作為稻飛虱發(fā)生等級的指示因子，以指示因子在4個發(fā)生等級的量值構(gòu)建稻飛虱發(fā)生等級的指示指標(biāo)。選取對海南省氣候影響更為直接的因子（表3），共7個。其中關(guān)鍵環(huán)流特征因子表達(dá)為環(huán)流特征量編號、開始月份、結(jié)束月份，例如1s9s10為1號環(huán)流特征量，時段是上一年9—10月。篩選因子時應(yīng)注意對多個大氣環(huán)流特征量之間相互關(guān)聯(lián)和同一環(huán)流特征量的多個表征指數(shù)，只挑選其中對稻飛虱發(fā)生影響最顯著的一個指數(shù)；對于同一指數(shù)的多個時段，只篩選持續(xù)時間長、差異最顯著的時段。

2.2大氣環(huán)流影響海南省稻飛虱發(fā)生的機制分析

本研究對影響稻飛虱發(fā)生面積的關(guān)鍵環(huán)流特征因子，稻區(qū)上一年1月至當(dāng)年1月不同時間段組合的平均氣溫、降水量、日照時數(shù)與海南省稻飛虱發(fā)生面積率三者之間進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，關(guān)鍵環(huán)流特征因子與稻區(qū)的光、溫、水等生態(tài)氣象條件有著密切的關(guān)系，光、溫、水與大氣環(huán)流特征因子的相關(guān)程度次序為平均溫度>日照時數(shù)>降水量，并且同海南省稻飛虱發(fā)生面積率與稻區(qū)平均氣溫、降水量、日照時數(shù)的相關(guān)情況一致。這說明關(guān)鍵環(huán)流因子、稻區(qū)生態(tài)氣象條件和稻飛虱發(fā)生面積率三者之間存在較好的相關(guān)關(guān)系。大氣環(huán)流影響稻區(qū)的氣溫、日照時數(shù)、降水量等條件，氣溫、日照時數(shù)、降水量等又影響稻飛虱的發(fā)生發(fā)展，三者之間存在較好的影響機制。這種關(guān)系具體表現(xiàn)為稻飛虱是變溫動物，它的體溫基本上取決于周圍的環(huán)境溫度，其生殖活動、遷飛行為、種群數(shù)量、存活率、壽命等在很大程度上受外界溫度所支配[15]。降水量影響稻飛虱的遷飛能力、體質(zhì)量變化、蟲口數(shù)量、存活率及發(fā)生程度等，有利時起加速促進作用，不利時則產(chǎn)生抑制作用[16]。光照時數(shù)對稻飛虱的取食、棲息、交尾、產(chǎn)卵等行為有關(guān)[17]。

隨機選取一個大氣環(huán)流因子，即北半球極渦強度指數(shù)（表3），具體分析其與海南省稻飛虱發(fā)生面積率的關(guān)系。結(jié)果表明，上一年2—12月北半球極渦強度指數(shù)與當(dāng)年海南省稻飛虱發(fā)生面積率呈明顯負(fù)相關(guān)（圖3），即北半球極渦強度指數(shù)小的年份，稻飛虱發(fā)生面積率偏高。1991—2006年北半球極渦強度整體呈減弱趨勢，稻飛虱發(fā)生面積率整體呈上升趨勢，即北半球極渦強度偏強不利于海南省稻飛虱的大發(fā)生。這主要是因為極渦是大規(guī)模冷空氣的表征，極渦面積越小，強度越弱、冷空氣積聚越少。當(dāng)北半球極渦強度指數(shù)偏小，入侵冷空氣次數(shù)少、強度弱，使秋冬季氣溫偏高，進入越冬階段推遲，有利于稻飛虱在冬前侵染繁殖時間的延長、冬季繁殖或殘存數(shù)量的增加、越冬基數(shù)的增加以及范圍擴大，導(dǎo)致其越冬死亡率降低，致使第二年侵染基數(shù)增加。另外，如果春季氣溫回升較快，會使稻飛虱發(fā)育加快，繁殖代數(shù)增加，遷入為害期提前，從而引發(fā)稻飛虱暴發(fā)[15]。

2.3海南省稻飛虱發(fā)生面積率長期預(yù)報模型的建立及效果驗證endprint

在建立模型時使用1961—2009年的關(guān)鍵環(huán)流因子和海南稻飛虱發(fā)生面積率，2010年資料留做預(yù)測檢驗使用。建模時采用明顯影響海南省稻飛虱的關(guān)鍵環(huán)流因子與稻飛虱發(fā)生面積率進行逐步回歸分析，建立基于大氣環(huán)流因子的海南省稻飛虱發(fā)生面積率的多元回歸預(yù)測模型，所建模型通過了0001水平的顯著性檢驗。

y=0.014x1-0.002x2+1.496x3-2.875x4-0.197x5-0.211x6+0.094x7+45 （R2=0.767，F(xiàn)=19.31）。[JY]（6）

式中：y為稻飛虱發(fā)生面積率，%；x1為上一年9—10月北半球副熱帶高壓面積指數(shù)；x2為上一年9—10月北非副高強度指數(shù)；x3為當(dāng)年1月北非副高脊線；x4為上年12月東太平洋副高北界；x5為上一年2—12月北半球極渦強度指數(shù)；x6為上一年12月大西洋歐洲環(huán)流型W；x7為上一年3月至當(dāng)年1月西藏高原（25～35°N、80～100°E）。

根據(jù)稻飛虱發(fā)生面積率等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用模型對1961—2009年海南省稻飛虱發(fā)生面積率進行回代檢驗，對2010年進行預(yù)測檢驗（表4）?？紤]到稻飛虱發(fā)生面積率的實際意義，當(dāng)發(fā)生面積率預(yù)測值<0時，統(tǒng)一修正為0。結(jié)果表明，在49年建模樣本中，預(yù)測等級與實際等級相同的有40年，預(yù)測等級與實際等級相差一級的有8年，相差2級的有1年，模型回代檢驗等級準(zhǔn)確率為81.63%，對2010年稻飛虱發(fā)生面積率的等級預(yù)測與實際相符。總體來說，模型的等級評價準(zhǔn)確率為82%。通過以稻飛虱發(fā)生面積率逐年實際值與基于大氣環(huán)流模型的擬合值對比發(fā)現(xiàn)，除了2009年超過10%以上，其他年份的預(yù)測值與實際值的誤差相對較小，回歸預(yù)測模型對海南省稻飛虱的整體擬合效果較好。

3結(jié)論與討論

利用1961—2010年海南省稻飛虱發(fā)生面積率與膨化后的大氣環(huán)流特征量進行相關(guān)分析，篩選出對海南省稻飛虱發(fā)生影響顯著的大氣環(huán)流特征量及組合時段。其中，副熱帶高壓類和極渦類環(huán)流量對海南省稻飛虱發(fā)生影響最為明顯， 其次為極渦類。副熱帶高壓類環(huán)流特征量對稻飛虱發(fā)生面積率的影響為正效應(yīng)；極渦類對稻飛虱發(fā)生面積率的影響為負(fù)效應(yīng)。大氣環(huán)流因子影響海南省稻飛虱發(fā)生的時段主要為上一年9—10月和上一年的7—10月。

以稻飛虱發(fā)生面積率歷年平均值及平均值上下波動50%為參考，將稻飛虱發(fā)生等級分為輕、偏輕、偏重、重4個等級，篩選出稻飛虱發(fā)生等級的大氣環(huán)流指示因子，以指示因子在稻飛虱各發(fā)生等級的平均值構(gòu)建稻飛虱發(fā)生等級指標(biāo)。研究表明，影響稻飛虱發(fā)生面積率等級的指示因子為東太平洋副高北界、北半球極渦強度指數(shù)、北半球副熱帶高壓面積指數(shù)、北非副高強度指數(shù)、北非副高脊線、大西洋歐洲環(huán)流型W、西藏高原（25～35°N、80～100°E）。7個關(guān)鍵環(huán)流指標(biāo)的指示性最好，明顯表達(dá)了各個發(fā)生級別的差異。

通過分析關(guān)鍵環(huán)流因子、稻區(qū)氣象要素（光、溫、水）、海南稻飛虱發(fā)生面積率三者之間的關(guān)系，探討大氣環(huán)流對海南稻飛虱發(fā)生的可能影響機制。結(jié)果表明，它們存在密切關(guān)系，大氣環(huán)流不僅是稻飛虱遷飛的動力和載體，而且通過影響稻區(qū)生態(tài)氣象條件從而影響稻飛虱的發(fā)生發(fā)展。另外研究發(fā)現(xiàn)，北半球極渦強度指數(shù)與海南省稻飛虱發(fā)生面積率之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)北半球極渦面積強度偏小時，入侵冷空氣次數(shù)少、強度弱，導(dǎo)致秋冬季氣溫偏高。由于海南省地處熱帶地區(qū)，氣候條件有利于稻飛虱在冬季有少量的蟲源存活，暖冬可以使稻飛虱冬季大量繁殖或殘存數(shù)量大幅度增加，越冬范圍擴大、蟲源基數(shù)提高[15]。

以影響海南省氣候最為直接的7個關(guān)鍵環(huán)流特征因子為預(yù)測因子，建立海南省稻飛虱發(fā)生面積率預(yù)測模型。模型回代檢驗等級準(zhǔn)確率為81.63%，對2010年等級預(yù)測與實際相符。總體來說，模型的等級評價準(zhǔn)確率為82%，回歸預(yù)測模型對海南省稻飛虱的整體擬合效果較好。由于資料限制，本研究僅考慮在大氣環(huán)流因子對稻飛虱發(fā)生面積的影響，沒有考慮人類的生產(chǎn)活動對稻飛虱發(fā)生面積造成的影響，如耕作栽培制度、肥水管理等。而稻飛虱是遷飛性害蟲，其發(fā)生發(fā)展與其遷入的時段、蟲源基數(shù)、極端氣候事件、防治技術(shù)等因素有關(guān)[17-19]，若在應(yīng)用模型時對其進行訂正，預(yù)報效果將會更好。

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