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摘要 2007年6～10月，利用毫米波扫描昆虫雷达在广西兴安县植保站进行了空中昆虫的初步监测，结合地面灯和高空灯诱集，分析了地面和高空昆虫种群动态变化。结果表明:空中昆虫种群数量、种类季节性变化明显，6～9月夜间昆虫虫口密度相对较高，进入10月份夜间昆虫相对减少，雷达回波点密度和灯下诱集虫量有很高的一致性。夏季，19:00～22:00与05:30～07:00雷达回波密度各有一明显高峰期；秋季，只在20:00～21:00有一明显回波密度高峰期。昆虫飞行高度主要集中在2 000 m以下，大部分集中在500～1 000 m。姊妹灯诱捕表明，稻飞虱和稻纵卷叶螟为优势迁飞种类。昆虫飞行受气象条件影响较大。
关键词 毫米波扫描昆虫雷达；昆虫迁飞；雷达监测
中图分类号 S431.9
迁飞是昆虫为了减少竞争、躲避周围的不良环境或逃避天敌等而离开原来的生境，为了开拓新的资源而到达另一个生境的行为，使该虫种得以繁衍，也是导致大范围暴发成灾的主要原因之一。雷达昆虫学作为一门新的学科分支，为研究昆虫迁飞过程提供了一种革命性的工具。近年来，我国使用昆虫雷达在研究昆虫的迁飞行为和规律上取得了很多成果，尤其是厘米波扫描昆虫雷达和垂直波束昆虫雷达的研究及应用。
20世纪80年代，英国自然资源研究所(NRI)的研究人员认识到:昆虫雷达的目标截面积(RCS)同昆虫目标个体大小存在一定的函数关系，使用3 cm的雷达系统在有效的范围内无法检测到微小昆虫。因为在瑞利散射区域里，个体越小的昆虫，RCS越小，但是RCS同雷达波长的四次幂成反比，因此通过降低雷达波长可以实现雷达对微小昆虫的远距离飞行的观测。1988～1992年英国自然资源研究所和南京农业大学合作使用了8.8 mm的毫米波昆虫雷达观测稻飞虱等水稻害虫的秋季回迁。2007年6月，中国农业科学院植物保护研究所农作物有害生物监测预警研究室与成都锦江电子系统工程公司合作研制了我国第一台毫米波扫描昆虫雷达(世界上第二台毫米波昆虫雷达)。利用这台雷达在广西壮族自治区兴安县进行了空中昆虫种群动态的初步观测，结果报道如下。
1 材料与方法
1．1 观测地点和时间
观测地点位于广西兴安县植保站(地理位置110°40’E，25°37’N；海拔高度210 m)，周围是农田和村庄，雷达观测点周围地势开阔，500 m以内无障碍物。于2007年6月10日至10月10日进行雷达观测，昆虫活动高峰期，观测时间为17:30～07:00，其他观测多集中在18:30至次日02:00。
1．2 试验材料
1．2．1 毫米波扫描昆虫雷达
毫米波扫描昆虫雷达波长为8.0 mm，具直径1.2 m、焦距长为405 mm的旋转抛物面天线，峰值功率10 kW，发射频率3 500 MHz。天线扫描和信号采集由工控计算机控制，其回波信号同时在计算机显示器上显示并定时存储为图像和数据文件供分析用。
1．2．2 姊妹诱虫灯
地面诱虫灯采用佳多频振式诱虫灯；高空探照灯由GT75型探照灯制作而成，灯内装备ZJD1000W金属卤化物灯泡，铁圈将其固定在一个大漏斗内，光束垂直向上照射。漏斗下方系一密闭的塑料袋作为外层，放置乙酸乙酯溶液，内层用纱网收集昆虫，下雨时使用装有深10 cm、5％洗衣粉溶液的塑料盆收集昆虫。
1．2．3 气象数据
低空风速风向数据利用70-I型测风经纬仪采集计算所得。
高空风场数据由美国国家环境预报中心(NCEP，其前身为美国国家气象中心NMC)和美国国家大气研究中心(NCAR)提供的再分析数据。
1．3 研究方法
雷達操作时采用Drake提出的经典仰角(3°、5°、8°、12°、18°、28°、45°和58°)进行观测。计算机实时程序控制天线的转速、噪声门限、显示即时观测信息(目标物体的高度、距离、时间、回波强度)。人工或自动存储观测结果，通过非实时程序供以后查看分析。
距雷达观测地点南面约100 m处放置高空探照灯诱捕空中昆虫，东面放置佳多地面测报灯。诱捕时间为19:00～07:00。每日早上检查诱捕的昆虫种类和数量，并解剖目标昆虫的雌成虫，记录卵巢发育进度和交配情况。昆虫迁飞和扩散发生高峰期，每隔两个小时取虫检查一次。
测风经纬仪跟踪气球每隔30 s测定一次气球的方位和仰角，据此计算出每50 m的平均风向与风速，每日结合雷达观测的情况即时放球。利用NCEP和NCAR提供的高空风场数据，经过GIS的再分析，采用标准时12时(北京时20时)850 hPa压力层面u分量、v分量数据合成风场矢量图，分析昆虫发生高峰期的高空风场。
1．4 数据处理与统计分析
诱虫灯内的虫情数据和雷达采集数据用非实时程序输出后，用SAS9113软件进行统计分析。
2 结果与分析
2．1 姊妹灯下虫量动态
6月10日至9月30日雷达观测期间，姊妹灯共诱集到昆虫10目、48科、220多种(表1)。高空灯下诱虫种类和数量以鳞翅目夜蛾科和螟蛾科的种类最多，稻飞虱(白背飞虱和褐飞虱)和稻纵卷叶螟的数量占有绝对优势，但季节动态变化显著，有明显突增和突减现象。观测期间，灯下诱捕稻飞虱发生7次虫量高峰期，白背飞虱发生高峰期早于褐飞虱，8月20日，褐飞虱和白背飞虱同日达到虫量高峰，与之数量相似的还有稻飞虱的天敌——黑肩绿盲蝽；稻纵卷叶螟诱虫量在6月9日和9月6日具有两次显著高峰。6月至9月步甲科日诱捕量相对较少，9月11日至10月6日，步甲科日诱捕数量显著增多。另外鞘翅目隐翅甲科数量也占一定的优势(图1)。
春、秋昆虫活动高峰期，对诱捕的目标昆虫雌蛾生殖系统进行解剖。图2、3表明:5月23日姊妹灯下白背飞虱雌成虫卵巢发育2级个体占81.5％，3级以上个体占19.0％；9月26日褐飞虱雌成虫卵巢发育2级个体占82.0％，3级以上个体占11.9％。9月6日姊妹灯下稻纵卷叶螟雌蛾卵巢发育2级个体占83％，3级以上个体占8.5％，这几日稻飞虱和稻纵卷叶螟的卵巢发育为1级的比例很低，具有典型的灯下迁入昆虫生理特征。
2．2 毫米波扫描昆虫雷达观测结果
2．2．1 实时程序显示结果
6月10日至8月23日从06:30开始观测，结果显示，雷达屏幕上回波点从20:00左右开始增多，至22:00左右达到高峰，之后回波数量逐渐降低，有时回波数量在18:30左右就迅速增多，持续时间可以达到40 min或几个小时，第2天06:00左右开始增多，07:00左右后回波数量迅速降低。有时夜间回波数量高峰可以持续至第2天凌晨3:00左右。从 图4中看出，8月20日，18:40～20:22雷达显示1.4～2.0 km回波密度一直相对较高，分层明显。21:00以后，回波点高度下降至1.8 km，密度仍然很高，但各个高度分布均匀，分层不明显，高密度回波一直持续至8月21日凌晨01:00，之后回波数量开始减少。9月下旬雷达观测显示一整夜的回波数量仅在20:30～21:30达到高峰，之后，回波量逐渐降低。雷达显示屏上的回波点主要集中在高度2.0 km以下，有时可以达到2.2 km，大部分集中在1.2 km以下，0.4～0.8 km相对较多，凌晨回波数量高峰期，回波点高度主要分布在1.2 km以下(图5和图6)。
2．2．2 非实时程序显示形式
雷达非实时程序将实时程序运行时存储的数据重现在计算机上，存在3种显示方式:PPI(平面显示)、RHI(距一高显示)和体扫显示。PPI显示单桢图像和序列图像(连续保存3幅单桢图像的彩色叠加)；RHI显示设定方位角时不同高度层的回波数量的分布；体积扫描是设定各个仰角时的平面显示。显示的参数有距标、仰角、方位角、高度、距离以及回波强度(图7)。
2．3 气流数据分析
华南地区处于斜压流型季风区内，受海陆热力差异影响形成典型的季风气候。7月1 3日至10月1日，测风结果显示，8月8日前低空风向主要盛行偏南或西南風，之后主要是东北或偏北风(图8)。
7月24日和8月23日前后都是稻飞虱活动的高峰期，连续几天风场矢量图分别显示:华南及以南地区、中南半岛主要盛行西南风和偏南风；后者昆虫活动高峰期华南、长江流域主要盛行东北风或偏北风，这为昆虫的北迁南回迁入提供了高空运载气流。也提供研究稻飞虱迁飞路径的大气环流依据(图9)。
8月20日低空风速风向廓线图显示在不同的两个高度0.4～0.5 m和1.8～2.1 km出现风速极值，而相对高度的风向变化稳定，空中昆虫可能会选择在极值风速带中飞行，大尺度的低空急流为昆虫短时间内长距离的运行提供了条件(图10)。
3 讨论
本文对我国首台毫米波扫描昆虫雷达进行了初步应用，通过雷达观测及虫情调查发现6～9月份夜间昆虫虫口密度相对较大，夏季，19:00～22:00与05:30～07:00各出现回波数量的高峰。稻飞虱发生高峰期，雷达显示昆虫飞行高度主要集中在2.0 km以下，最高达到2.2 km，通常在1.5～2.0 km雷达屏幕上出现回波集聚成层的现象，稻飞虱活动不明显时期，雷达显示昆虫飞行高度明显降低，主要集中在1.2 km以下，这证实了邓望喜提出的稻飞虱夏季飞行最适高度在1.5～2.0 km的理论，也为进一步确定雷达目标昆虫种类提供了证据。进入10月份，夜间虫口密度减小，但是相对其他时期，个别昆虫虫量突然增多，如步甲科、灯蛾科。秋季，回波数量只在20:30～21:30有一明显高峰，高度主要集中在1.5 km以下，大部分集中在0.3～0.7 km。稻飞虱发生期间，其天敌——黑肩绿盲蝽与稻飞虱的灯下数量动态趋势一致，也证实了前者具有伴随迁移的行为，其飞行高度还有待进一步的研究。
雷达距一高扫描显示空中种群分布具有不同高度成层现象，这表明不同种类昆虫对大气风温场环境有不同的适应与选择。低空风向风速廓线图显示不同高度出现了极值风速，高空风场分析图也显示出高空的运载气流是昆虫空中飞行的重要条件。国内外的雷达昆虫学研究已经证实，迁飞种群的大多数个体具有集聚在边界层顶附近的最大风速带或不同尺度的低空急流中成层运行的特征。
灯下虫情显示，昆虫的活动受天气环境影响很大，强降水和大风天气前后虫量变化明显，尤其是2007年8月20日左右台风“圣帕”给桂东北区带来的一次强降雨天气，使得水稻两迁害虫的诱虫量发生突增。
近几年水稻重大迁飞害虫——稻飞虱和稻纵卷叶螟在广西地区暴发频率增高，危害严重，其在我国大部分稻区常年均无法越冬，随东亚季风迁入我国。国内关于稻飞虱虫源区、迁入路径已经有了很多研究和成果，但并没有定论。毫米波扫描昆虫雷达的建成解决了常规厘米波雷达观测微小昆虫距离限制的问题，为进一步长期监测稻飞虱北迁南回、分析其迁飞规律和迁飞轨迹提供了有力的技术支持。本试验检验了毫米波扫描雷达的运转情况，收集了有效的雷达数据和虫情数据，下一步从大尺度虫情数据获取、高空气象资料、高空诱虫等方面展开对优势种群的迁飞规律和轨迹的分析，为我国农作物迁飞害虫的及时预测预报提供有效的信息资料。
关键词 毫米波扫描昆虫雷达；昆虫迁飞；雷达监测
中图分类号 S431.9
迁飞是昆虫为了减少竞争、躲避周围的不良环境或逃避天敌等而离开原来的生境，为了开拓新的资源而到达另一个生境的行为，使该虫种得以繁衍，也是导致大范围暴发成灾的主要原因之一。雷达昆虫学作为一门新的学科分支，为研究昆虫迁飞过程提供了一种革命性的工具。近年来，我国使用昆虫雷达在研究昆虫的迁飞行为和规律上取得了很多成果，尤其是厘米波扫描昆虫雷达和垂直波束昆虫雷达的研究及应用。
20世纪80年代，英国自然资源研究所(NRI)的研究人员认识到:昆虫雷达的目标截面积(RCS)同昆虫目标个体大小存在一定的函数关系，使用3 cm的雷达系统在有效的范围内无法检测到微小昆虫。因为在瑞利散射区域里，个体越小的昆虫，RCS越小，但是RCS同雷达波长的四次幂成反比，因此通过降低雷达波长可以实现雷达对微小昆虫的远距离飞行的观测。1988～1992年英国自然资源研究所和南京农业大学合作使用了8.8 mm的毫米波昆虫雷达观测稻飞虱等水稻害虫的秋季回迁。2007年6月，中国农业科学院植物保护研究所农作物有害生物监测预警研究室与成都锦江电子系统工程公司合作研制了我国第一台毫米波扫描昆虫雷达(世界上第二台毫米波昆虫雷达)。利用这台雷达在广西壮族自治区兴安县进行了空中昆虫种群动态的初步观测，结果报道如下。
1 材料与方法
1．1 观测地点和时间
观测地点位于广西兴安县植保站(地理位置110°40’E，25°37’N；海拔高度210 m)，周围是农田和村庄，雷达观测点周围地势开阔，500 m以内无障碍物。于2007年6月10日至10月10日进行雷达观测，昆虫活动高峰期，观测时间为17:30～07:00，其他观测多集中在18:30至次日02:00。
1．2 试验材料
1．2．1 毫米波扫描昆虫雷达
毫米波扫描昆虫雷达波长为8.0 mm，具直径1.2 m、焦距长为405 mm的旋转抛物面天线，峰值功率10 kW，发射频率3 500 MHz。天线扫描和信号采集由工控计算机控制，其回波信号同时在计算机显示器上显示并定时存储为图像和数据文件供分析用。
1．2．2 姊妹诱虫灯
地面诱虫灯采用佳多频振式诱虫灯；高空探照灯由GT75型探照灯制作而成，灯内装备ZJD1000W金属卤化物灯泡，铁圈将其固定在一个大漏斗内，光束垂直向上照射。漏斗下方系一密闭的塑料袋作为外层，放置乙酸乙酯溶液，内层用纱网收集昆虫，下雨时使用装有深10 cm、5％洗衣粉溶液的塑料盆收集昆虫。
1．2．3 气象数据
低空风速风向数据利用70-I型测风经纬仪采集计算所得。
高空风场数据由美国国家环境预报中心(NCEP，其前身为美国国家气象中心NMC)和美国国家大气研究中心(NCAR)提供的再分析数据。
1．3 研究方法
雷達操作时采用Drake提出的经典仰角(3°、5°、8°、12°、18°、28°、45°和58°)进行观测。计算机实时程序控制天线的转速、噪声门限、显示即时观测信息(目标物体的高度、距离、时间、回波强度)。人工或自动存储观测结果，通过非实时程序供以后查看分析。
距雷达观测地点南面约100 m处放置高空探照灯诱捕空中昆虫，东面放置佳多地面测报灯。诱捕时间为19:00～07:00。每日早上检查诱捕的昆虫种类和数量，并解剖目标昆虫的雌成虫，记录卵巢发育进度和交配情况。昆虫迁飞和扩散发生高峰期，每隔两个小时取虫检查一次。
测风经纬仪跟踪气球每隔30 s测定一次气球的方位和仰角，据此计算出每50 m的平均风向与风速，每日结合雷达观测的情况即时放球。利用NCEP和NCAR提供的高空风场数据，经过GIS的再分析，采用标准时12时(北京时20时)850 hPa压力层面u分量、v分量数据合成风场矢量图，分析昆虫发生高峰期的高空风场。
1．4 数据处理与统计分析
诱虫灯内的虫情数据和雷达采集数据用非实时程序输出后，用SAS9113软件进行统计分析。
2 结果与分析
2．1 姊妹灯下虫量动态
6月10日至9月30日雷达观测期间，姊妹灯共诱集到昆虫10目、48科、220多种(表1)。高空灯下诱虫种类和数量以鳞翅目夜蛾科和螟蛾科的种类最多，稻飞虱(白背飞虱和褐飞虱)和稻纵卷叶螟的数量占有绝对优势，但季节动态变化显著，有明显突增和突减现象。观测期间，灯下诱捕稻飞虱发生7次虫量高峰期，白背飞虱发生高峰期早于褐飞虱，8月20日，褐飞虱和白背飞虱同日达到虫量高峰，与之数量相似的还有稻飞虱的天敌——黑肩绿盲蝽；稻纵卷叶螟诱虫量在6月9日和9月6日具有两次显著高峰。6月至9月步甲科日诱捕量相对较少，9月11日至10月6日，步甲科日诱捕数量显著增多。另外鞘翅目隐翅甲科数量也占一定的优势(图1)。
春、秋昆虫活动高峰期，对诱捕的目标昆虫雌蛾生殖系统进行解剖。图2、3表明:5月23日姊妹灯下白背飞虱雌成虫卵巢发育2级个体占81.5％，3级以上个体占19.0％；9月26日褐飞虱雌成虫卵巢发育2级个体占82.0％，3级以上个体占11.9％。9月6日姊妹灯下稻纵卷叶螟雌蛾卵巢发育2级个体占83％，3级以上个体占8.5％，这几日稻飞虱和稻纵卷叶螟的卵巢发育为1级的比例很低，具有典型的灯下迁入昆虫生理特征。
2．2 毫米波扫描昆虫雷达观测结果
2．2．1 实时程序显示结果
6月10日至8月23日从06:30开始观测，结果显示，雷达屏幕上回波点从20:00左右开始增多，至22:00左右达到高峰，之后回波数量逐渐降低，有时回波数量在18:30左右就迅速增多，持续时间可以达到40 min或几个小时，第2天06:00左右开始增多，07:00左右后回波数量迅速降低。有时夜间回波数量高峰可以持续至第2天凌晨3:00左右。从 图4中看出，8月20日，18:40～20:22雷达显示1.4～2.0 km回波密度一直相对较高，分层明显。21:00以后，回波点高度下降至1.8 km，密度仍然很高，但各个高度分布均匀，分层不明显，高密度回波一直持续至8月21日凌晨01:00，之后回波数量开始减少。9月下旬雷达观测显示一整夜的回波数量仅在20:30～21:30达到高峰，之后，回波量逐渐降低。雷达显示屏上的回波点主要集中在高度2.0 km以下，有时可以达到2.2 km，大部分集中在1.2 km以下，0.4～0.8 km相对较多，凌晨回波数量高峰期，回波点高度主要分布在1.2 km以下(图5和图6)。
2．2．2 非实时程序显示形式
雷达非实时程序将实时程序运行时存储的数据重现在计算机上，存在3种显示方式:PPI(平面显示)、RHI(距一高显示)和体扫显示。PPI显示单桢图像和序列图像(连续保存3幅单桢图像的彩色叠加)；RHI显示设定方位角时不同高度层的回波数量的分布；体积扫描是设定各个仰角时的平面显示。显示的参数有距标、仰角、方位角、高度、距离以及回波强度(图7)。
2．3 气流数据分析
华南地区处于斜压流型季风区内，受海陆热力差异影响形成典型的季风气候。7月1 3日至10月1日，测风结果显示，8月8日前低空风向主要盛行偏南或西南風，之后主要是东北或偏北风(图8)。
7月24日和8月23日前后都是稻飞虱活动的高峰期，连续几天风场矢量图分别显示:华南及以南地区、中南半岛主要盛行西南风和偏南风；后者昆虫活动高峰期华南、长江流域主要盛行东北风或偏北风，这为昆虫的北迁南回迁入提供了高空运载气流。也提供研究稻飞虱迁飞路径的大气环流依据(图9)。
8月20日低空风速风向廓线图显示在不同的两个高度0.4～0.5 m和1.8～2.1 km出现风速极值，而相对高度的风向变化稳定，空中昆虫可能会选择在极值风速带中飞行，大尺度的低空急流为昆虫短时间内长距离的运行提供了条件(图10)。
3 讨论
本文对我国首台毫米波扫描昆虫雷达进行了初步应用，通过雷达观测及虫情调查发现6～9月份夜间昆虫虫口密度相对较大，夏季，19:00～22:00与05:30～07:00各出现回波数量的高峰。稻飞虱发生高峰期，雷达显示昆虫飞行高度主要集中在2.0 km以下，最高达到2.2 km，通常在1.5～2.0 km雷达屏幕上出现回波集聚成层的现象，稻飞虱活动不明显时期，雷达显示昆虫飞行高度明显降低，主要集中在1.2 km以下，这证实了邓望喜提出的稻飞虱夏季飞行最适高度在1.5～2.0 km的理论，也为进一步确定雷达目标昆虫种类提供了证据。进入10月份，夜间虫口密度减小，但是相对其他时期，个别昆虫虫量突然增多，如步甲科、灯蛾科。秋季，回波数量只在20:30～21:30有一明显高峰，高度主要集中在1.5 km以下，大部分集中在0.3～0.7 km。稻飞虱发生期间，其天敌——黑肩绿盲蝽与稻飞虱的灯下数量动态趋势一致，也证实了前者具有伴随迁移的行为，其飞行高度还有待进一步的研究。
雷达距一高扫描显示空中种群分布具有不同高度成层现象，这表明不同种类昆虫对大气风温场环境有不同的适应与选择。低空风向风速廓线图显示不同高度出现了极值风速，高空风场分析图也显示出高空的运载气流是昆虫空中飞行的重要条件。国内外的雷达昆虫学研究已经证实，迁飞种群的大多数个体具有集聚在边界层顶附近的最大风速带或不同尺度的低空急流中成层运行的特征。
灯下虫情显示，昆虫的活动受天气环境影响很大，强降水和大风天气前后虫量变化明显，尤其是2007年8月20日左右台风“圣帕”给桂东北区带来的一次强降雨天气，使得水稻两迁害虫的诱虫量发生突增。
近几年水稻重大迁飞害虫——稻飞虱和稻纵卷叶螟在广西地区暴发频率增高，危害严重，其在我国大部分稻区常年均无法越冬，随东亚季风迁入我国。国内关于稻飞虱虫源区、迁入路径已经有了很多研究和成果，但并没有定论。毫米波扫描昆虫雷达的建成解决了常规厘米波雷达观测微小昆虫距离限制的问题，为进一步长期监测稻飞虱北迁南回、分析其迁飞规律和迁飞轨迹提供了有力的技术支持。本试验检验了毫米波扫描雷达的运转情况，收集了有效的雷达数据和虫情数据，下一步从大尺度虫情数据获取、高空气象资料、高空诱虫等方面展开对优势种群的迁飞规律和轨迹的分析，为我国农作物迁飞害虫的及时预测预报提供有效的信息资料。