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天气雷达如何监测空中生物

发布时间:2022年09月20日 来源:中国气象报社

专家顾问:

中国气象局气象探测中心正研级高级工程师吴东丽 

国家气象中心生态和农业气象中心正研级高级工程师 郭安红

中国气象局气象探测中心天气雷达空中生态监测课题组组长 马舒庆

■?利用全国组网天气雷达可有效“追踪”空中迁飞生物轨迹

■ 气象部门正组织专家团队攻关多种空中生物识别技术

■ 利用天气雷达来监测空中生物应用前景广阔,将提升粮食安全和生态安全保障能力

天气“杂波”的巧妙利用

眼下正值晚稻产量形成关键期,粮食产量不到手,“虫口夺粮”不放松。根据农业农村部发布的“今年草地贪夜蛾在云南、湖南、安徽等7省发展程度重于去年”这一消息,中国气象局气象探测中心及时发布生态监测数据,为监测草地贪夜蛾迁飞路径、落点等农业迁飞害虫预报及精准防治提供支撑。

一直以来,农业病虫害的监测和防治是粮食生产中的重要环节,而农业病虫害发生发展与天气气候条件密不可分。郭安红介绍,气象部门采用基于数值天气预报的迁飞模拟模式开展农业害虫迁飞预报,为农业农村等相关部门提供服务。但是,上述模拟预报中由于缺乏对空中迁飞生物(农业和林业害虫、鸟类)的直接观测数据,难以精细化描述迁飞生物的起飞点、飞行高度、虫群密度以及起飞和中途落地区域,给农业迁飞害虫预报准确率和精准防治能力提升等带来影响。

“利用现有天气雷达来追踪这些空中迁飞生物,可谓一举两得。”马舒庆介绍,在国家生态安全与动物迁飞重大科学研究项目中,中国气象局气象探测中心课题组承担天气雷达空中生态监测研究,与北京理工大学、中国农业科学院、中国科学院动物研究所、农业农村部等机构专家合作,利用原本被天气监测中“剔除”的非气象“杂波”追踪空中迁飞生物的行踪,建立天气雷达空中生态监测预警系统,开展全国范围内的空中生态目标监测,拓展天气雷达应用范围,增强全国范围内生态活动的监测能力。

郭安红说,迁飞模式模拟与天气雷达实时观测数据有机结合,不仅可清晰、动态地描述空中迁飞鸟类和昆虫起落区域、飞行高度、种群数量及运动轨迹等迁飞全过程,而且对改进迁飞模拟模式具有重要意义。相关区域和部门可以根据预报结论,提前做好捕杀迁飞害虫等准备,即实现落地前精准捕杀,避免其危害作物,保障生态和粮食安全。

雷达“眼中”的空中生物

实际上,雷达最初在军事中用于探测空中飞机,此时云等成为其“杂波”。随着技术发展,“云杂波”被越来越多地应用于天气预报领域,天气雷达应运而生。

如今,地物“杂波”和空中“杂波”被用于监测空中迁飞生物,应用于农业、林业、草原病虫害预报和防治。实际上,欧美等国也有利用天气雷达来追踪空中迁飞生物的研究和实践。其中,对鸟类的探测及相关算法相对成熟。

吴东丽介绍,空中生物迁飞高度一般在500米至2000米,属于天气雷达的有效探测范围。与天气探测原理一样,都是利用雷达发射的电磁波,遇到目标后产生散射,其后向散射被雷达接收,形成雷达回波。简单来说,电磁波对空中目标的含水量进行探测后产生回波,根据回波高度、形状等判别是天气回波还是生物回波。

如何区分这两种回波?“从雷达回波图上看,天气回波和生物回波‘长’得明显不一样。”吴东丽介绍,根据雷达回波形状特点、反射率因子和速度谱宽,结合空中生物飞行速度特征可以区分。

团队研究发现,不同生物目标的反射率因子、径向速度差值、大气晴空回波差异明显,并利用这个差异,经过机器学习方法判断回波类型。例如,团队利用不同生物与其他回波散射差异,研究甘薯天蛾、棉铃虫、黏虫等重要农业害虫迁飞参数。

组网雷达显示出的优势

尽管单部天气雷达可以探测其有效范围内的空中生物,但是空中生物具有迁飞属性,因此无法完整描述其迁飞轨迹。

我国目前有236部组网天气雷达,覆盖大部分国土,利用组网雷达回波即可完整描述空中生物的迁飞过程,这也是我国天气雷达空中迁飞生物追踪技术可行的重要依据。尤其是“十四五”规划和补短板工程实施后,全国新一代天气雷达完成双偏振升级,同时增加部分X波段天气雷达,扩大雷达探测覆盖面,可更好地描述昆虫迁飞轨迹。

此外,利用识音器、卫星光谱特征等手段,结合人工智能技术,与组网天气雷达结合,可以更精准地捕捉空中生物轨迹。

“利用天气雷达监测空中迁飞生物,对于农业气象服务而言无疑是一个重大突破,其应用前景非常广阔。”郭安红说,这对于确保我国粮食安全、端稳“中国饭碗”具有重大意义。

下一步,气象部门将加强部门之间的合作,针对不同种类的昆虫和鸟类参数进行开发和研究,改进识别算法,增强生物量分析能力;结合土壤水分数据、作物发育期数据,开发虫类鸟类迁飞影响等模型和算法。同时,在亚洲最大鸟类栖息地鄱阳湖、东营黄河三角洲、辽宁营口雷达站开展昆虫吊飞试验,分析雷达回波与昆虫密度相关因子。

(作者:简菊芳?责任编辑:张林)

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