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每年的春秋兩季，是動植物愛好者鐘愛的黃金時節(jié)。春季，百花齊放，百鳥爭鳴，生機盎然；秋季，層林盡染，候鳥南飛，美不勝收。如今，天氣預報早已成為我們的日常，而熱衷于植物和鳥類的人們，同樣可以通過各種形式的“預報”來提前獲取關(guān)于最佳賞花期或鳥類遷徙的信息。

隨著科技的迅猛發(fā)展，美國的BirdCast團隊借助雷達數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了精準可靠的算法和模型，得以為科研人員和鳥類觀察者提供詳盡的“鳥類遷徙預報”。然而，在此之前，想要預知鳥類的遷徙動態(tài)并不容易。

01

雷達技術(shù)與鳥類遷徙

“鳥類遷徙預報”離不開成熟的雷達系統(tǒng)和強大的計算機技術(shù)支持。

雷達一詞源自英文單詞“Radar”的音譯，而“Radar”則是英文“Radio Detection and Ranging”（無線電偵測和定距）的縮寫。

雷達是一種利用電磁波探測目標物的電子設(shè)備，其發(fā)射的電磁波在遇到目標后會發(fā)生散射，然后雷達接收到這種后向散射，形成回波。基于這個原理，雷達可以“捕捉”到任何能夠?qū)㈦姶挪ǚ瓷浠貋淼奈矬w，如空中飛行的飛機、撒哈拉沙漠的塵埃、成群齊飛的昆蟲以及森林大火產(chǎn)生的煙羽等。

▲雷達的工作原理示意圖。制圖：David Babb；動圖來源：https://www.e-education.psu.edu/meteo101/l3_p10.html

起初，人們開發(fā)雷達是為了在第二次世界大戰(zhàn)中探測敵方戰(zhàn)機。在這種應用場景下，天空中飄浮的“云朵”等物體產(chǎn)生的回波就成了干擾信號。而如今，隨著技術(shù)的發(fā)展和人類需求的多元化，雷達已經(jīng)成為研究大氣層各類物體的重要工具。像云朵產(chǎn)生的回波等不同類型的信號在天氣預報領(lǐng)域得到了廣泛應用。

因此，目前雷達最常見的應用之一便是探測氣象事件，特別是那些可能對人類生活造成嚴重影響的天氣情況，如雷暴、龍卷風、臺風等。

除了云朵等天氣現(xiàn)象以外，在雷達誕生的早期，人們還留意到屏幕上出現(xiàn)的一些神秘的圓點。那些圓點既不是任何一種天氣狀況，也不是飛機的身影，當時的人們只能根據(jù)其短暫出現(xiàn)又迅速消失的特性，將其稱為“天使”。在戰(zhàn)爭時期，弄清這些“天使”的真實身份顯得極為重要，因為每一次探測的結(jié)果都關(guān)乎無數(shù)生命的存亡。

不久之后，資深的野外觀察家和鳥類學家愛德華·格雷（Edward Gray）與戴維·萊克（David Lack）提出了一種假設(shè)，他們認為這些未知的回波可能是由鳥類引起的。經(jīng)過一番深入研究之后，他們的假設(shè)得到了驗證，這些圓點的“罪魁禍首”正是在空中飛行的鳥類。

于是，雷達的鳥類學時代正式拉開了序幕。

▲雷達發(fā)射的電磁波（紫紅色波浪線）在碰到空中飛行的鳥類之后，會傳回相應的回波（藍色波浪線）。動圖來源：BirdCast

然而，盡管人們知道雷達屏幕上的那些圓點是遷徙中的鳥類，但當時的計算機能力、數(shù)據(jù)存儲和計算機算法還不足以讓人們從雷達數(shù)據(jù)中分辨出鳥類。此外，想要獲取和處理這些鳥類學相關(guān)的信息也是困難重重，因為計算機檢索和處理數(shù)據(jù)信息的時間極為漫長，往往要耗費數(shù)小時甚至數(shù)天。

于是，又過了五十年，轉(zhuǎn)眼來到了二十世紀九十年代。隨著下一代天氣雷達（NEXRAD）技術(shù)在美國投入使用，雷達在鳥類學領(lǐng)域的應用才算得上是真正開始。此外，計算機的計算能力也變得更快、更高效，在雙重技術(shù)革新的推動下，人們終于擁有了從雷達數(shù)據(jù)中提取鳥類相關(guān)信息的可靠工具。

▲BirdCast團隊在今年春天發(fā)布的美國大陸候鳥春遷高峰預報圖（數(shù)據(jù)采集自143個雷達站）。此次春遷從南邊的4月21日起，到北邊的5月21日結(jié)束，為期約1個月。圖片來源：The Cornell Lab of Ornithology

02

如何知道是否是鳥類呢？

不同形態(tài)的回波經(jīng)常會在雷達觀測數(shù)據(jù)中交錯呈現(xiàn)，此時就需要研究人員開發(fā)恰當?shù)姆椒ǎ瑢Ω黝惢夭右宰R別和區(qū)分，并從中篩選出合適的目標。

以鳥類、蝙蝠和昆蟲等生物為例，它們的遷飛高度通常位于500米至2000米之間，產(chǎn)生的生物回波恰好處于天氣雷達的有效探測范圍內(nèi)，與天氣回波相混雜。目前，雷達產(chǎn)生的電磁波能夠?qū)罩心繕说暮窟M行探測，因此，研究人員可以對回波的高度、形狀等信息展開分析，并結(jié)合空中生物的飛行速度等特征來判別雷達接收到的信號到底是天氣回波還是生物回波。

▲目前的技術(shù)可以分辨出由雨、雪等形成的天氣回波以及由鳥類、蝙蝠和昆蟲形成的生物回波。拍攝：Kenrick Mills

2013年，美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）在其雷達系統(tǒng)中引入了“雙偏振”功能，該功能為更好地辨別雷達目標開辟了全新的方向。

對于氣象學家而言，雙偏振雷達能夠更精準地區(qū)分雨夾雪和雨滴等不同形態(tài)和形狀的降水粒子，而對于鳥類學家來說，雙偏振雷達能夠讓研究人員掌握目標的大小、形狀等信息，從而更輕松地將鳥類與降水以及其他飛行生物區(qū)分開來。

▲雙偏振雷達技術(shù)是指雷達探測電磁波在傳播時同時具有水平（藍色）和垂直（紅色）方向的偏振波，從而獲得更多的參數(shù)來綜合分析觀測目標。圖片來源：BirdCast

初步分辨出天氣回波和生物回波后，不同生物之間的回波又該如何區(qū)分呢？

1. 昆蟲

昆蟲和鳥類都會借助風來提高飛行速度，但由于昆蟲的體型較小，它們對風的依賴度更高。這就導致大多數(shù)昆蟲的飛行軌跡與風向較為一致，經(jīng)常隨風飄蕩或順風飛行。相對而言，鳥類則擁有更強的飛行能力，它們能夠高速飛行，甚至可以在風中橫向穿梭或逆風飛翔。因此，雷達上與風向不一致的目標更可能是鳥類。

▲2017年7月11日晚上，在美國明尼蘇達州、艾奧瓦州和威斯康星州的三州交界處，雷達捕捉到了大量蜉蝣飛行的場景（圖片中下部的黑色箭頭所指之處）。左下角的信號是降水云圖。圖片正中間的黑色圓點是天氣雷達站。圖片來源：BirdCast

▲雷達圖中成群飛行的蜉蝣長這樣。圖片來源：The National Wildlife Federation

2. 蝙蝠

如果區(qū)分昆蟲和鳥類還算容易，那么區(qū)分蝙蝠和鳥類的難度就大了不少，因為二者的飛行速度和行為模式更為相似。不過，幸運的是，許多鳥類和蝙蝠通常都會按照各自獨有的時間表行動。例如，在春季和秋季，鳥類往往會在當?shù)厝章浜蠹s30-45分鐘左右開始遷徙，而許多蝙蝠則主要在夏季飛行覓食。因此，季節(jié)性差異在數(shù)據(jù)分析中具有至關(guān)重要的作用。

當然，僅僅依靠這種方法來區(qū)分鳥類和蝙蝠并非一勞永逸。例如，在美國南部的春季，大量蝙蝠與鳥類仍然可能在空間和時間上有所重疊。在這種情況下，研究人員就需要通過更為精細的分析和建模，并結(jié)合實地觀察的結(jié)果，來進行綜合判斷。

▲夏日的傍晚，成群的蝙蝠飛出洞穴覓食。圖片來源：美國魚類及野生動植物管理局（U.S. Fish and Wildlife Services）

舉個栗子，紫崖燕（英文名：Purple Martin，拉丁名：Progne subis）等鳥類在遷徙前和遷徙過程中經(jīng)常會大規(guī)模地聚集在夜棲地。當這些鳥兒飛向天空時，它們的活動軌跡會在雷達上勾勒出一道道獨特的“環(huán)形”圖案。同樣地，當成千上萬只蝙蝠離開洞穴時，也會在雷達上呈現(xiàn)出類似的環(huán)形圖案。

因此，單從雷達圖上來看，人們無法準確地區(qū)分蝙蝠和鳥類。然而，通過實地考察和了解紫崖燕（以及其他有類似行為的候鳥）的活動時間和地點，研究人員就可以將某些“環(huán)”歸因于鳥類的活動，而另一些則是蝙蝠形成的。

▲2017年8月4日，雷達圖上記錄到了由紫崖燕從夜棲地飛出覓食時所形成的典型“環(huán)形”圖像。動圖來源：BirdCast

▲正在休息的雄性紫崖燕。拍攝：VJAnderson如果想看紫崖燕夜棲時的真實場面，請戳今天的第三條推送或點擊進入b站收看https://www.bilibili.com/video/BV1584y127VS/

03

不只是“預報”

通過算法識別出雷達數(shù)據(jù)中的鳥類后，研究人員就可以預測并播報鳥類的遷徙實況。在“預報圖”中，人們可以獲得關(guān)于鳥類遷徙密度、飛行速度和方向等信息，這些信息不僅能夠供觀鳥者制定觀鳥日程和計劃，也有助于科研工作者深入探究候鳥遷徙規(guī)律，為鳥類保護提供科學依據(jù)。

2022年4月21日發(fā)表在《科學》雜志上的一篇文章便詳細講述了氣象雷達數(shù)據(jù)在研究城市燈光導致鳥類死亡的問題中發(fā)揮的作用。雷達數(shù)據(jù)繪制出的“鳥類遷徙預報圖”可以提前一周對鳥類飛行的時間和地點變化進行預測，結(jié)合重點城市的燈光情況，決策者可以在相應的時間降低城市燈光亮度，避免鳥類被燈光吸引并迷失方向，甚至是死亡。

▲2021年9月8日晚上8點（北美東部標準時間），雷達數(shù)據(jù)顯示將有約5.48億只候鳥飛越美國上空，其中經(jīng)過芝加哥、達拉斯和休斯頓上空的遷徙鳥類數(shù)量相當可觀。圖片來源：論文（由勺機構(gòu)漢化）

▲將通過雷達數(shù)據(jù)得到的遷徙經(jīng)過該城市的鳥類數(shù)量乘以夜間燈光亮度便能得到遷徙鳥類受夜間燈光的影響程度，可用于指導決策者制定相應的“熄燈計劃”。圖片來源：論文（由勺機構(gòu)漢化）

此外，“鳥類遷徙預報”在防止鳥類撞上飛機或風力發(fā)電機等方面也在發(fā)揮著積極的作用。

雖然科技的進步使我們能夠?qū)ⅧB類與降雨或其他飛行物區(qū)分開來，但在辨別特定鳥類物種方面仍存在諸多挑戰(zhàn)。若想解決這一問題，無疑要借助更多的實地觀察資料來為雷達數(shù)據(jù)提供佐證。因此，每位觀鳥者在鳥類觀察記錄平臺上提交的觀鳥記錄都能為未來的“鳥類遷徙預報”貢獻一份力量。

▲我國的觀鳥愛好者可以在中國觀鳥記錄中心上提交記錄。圖片來源：中國觀鳥記錄中心

目前，我國也在積極開展氣象雷達的多種應用場景，探索研發(fā)生物遷徙物候追蹤技術(shù)，包括候鳥和農(nóng)業(yè)遷飛害蟲的動態(tài)監(jiān)測和預報等。

希望國內(nèi)的觀鳥愛好者也能早日擁有“鳥類遷徙預報”，等到每年的春秋時節(jié)，與神奇的候鳥來一場奇妙邂逅。

▲等你們喲！繪圖：Adele Yuhong Liu

參考文獻：

[1] When Will Spring Bird Migration Hit Its Peak? BirdCast Has Answers. https://www.allaboutbirds.org/news/when-will-spring-bird-migration-hit-its-peak-birdcast-has-answers/

[2] A primer for using weather surveillance radar to study bird migration. https://birdcast.info/news/a-primer-for-using-weather-surveillance-radar-to-study-bird-migration/

[3] The return of migration tools: Fall 2023! https://birdcast.info/news/the-return-of-migration-tools-fall-2023/

[4] Live bird migration maps. https://birdcast.info/migration-tools/live-migration-maps/

[5] 《天氣雷達如何監(jiān)測空中生物》。https://www.cma.gov.cn/2011xzt/2022zt/20220330/2022033007/202209/t20220920_5095295.html

[6] Radar, Part 1: How Radar Works. https://www.e-education.psu.edu/meteo101/l3_p10.html

[7] Frequently Asked Questions. https://birdcast.info/news/frequently-asked-questions/

[8] Bright lights, big pity. https://www.science.org/content/article/radar-powered-forecasts-save-birds-deadly-city-lights

[9] Horton, K. G., Nilsson, C., Van Doren, B. M., La Sorte, F. A., Dokter, A. M., & Farnsworth, A. (2019). Bright lights in the big cities: migratory birds’ exposure to artificial light. Frontiers in Ecology and the Environment, 17(4), 209-214.