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每年的春秋兩季，是動(dòng)植物愛(ài)好者鐘愛(ài)的黃金時(shí)節(jié)。春季，百花齊放，百鳥(niǎo)爭(zhēng)鳴，生機(jī)盎然；秋季，層林盡染，候鳥(niǎo)南飛，美不勝收。如今，天氣預(yù)報(bào)早已成為我們的日常，而熱衷于植物和鳥(niǎo)類的人們，同樣可以通過(guò)各種形式的“預(yù)報(bào)”來(lái)提前獲取關(guān)于最佳賞花期或鳥(niǎo)類遷徙的信息。

隨著科技的迅猛發(fā)展，美國(guó)的BirdCast團(tuán)隊(duì)借助雷達(dá)數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了精準(zhǔn)可靠的算法和模型，得以為科研人員和鳥(niǎo)類觀察者提供詳盡的“鳥(niǎo)類遷徙預(yù)報(bào)”。然而，在此之前，想要預(yù)知鳥(niǎo)類的遷徙動(dòng)態(tài)并不容易。

01

雷達(dá)技術(shù)與鳥(niǎo)類遷徙

“鳥(niǎo)類遷徙預(yù)報(bào)”離不開(kāi)成熟的雷達(dá)系統(tǒng)和強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)支持。

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

雷達(dá)是一種利用電磁波探測(cè)目標(biāo)物的電子設(shè)備，其發(fā)射的電磁波在遇到目標(biāo)后會(huì)發(fā)生散射，然后雷達(dá)接收到這種后向散射，形成回波?；谶@個(gè)原理，雷達(dá)可以“捕捉”到任何能夠?qū)㈦姶挪ǚ瓷浠貋?lái)的物體，如空中飛行的飛機(jī)、撒哈拉沙漠的塵埃、成群齊飛的昆蟲(chóng)以及森林大火產(chǎn)生的煙羽等。

▲雷達(dá)的工作原理示意圖。制圖：David Babb；動(dòng)圖來(lái)源：https://www.e-education.psu.edu/meteo101/l3_p10.html

起初，人們開(kāi)發(fā)雷達(dá)是為了在第二次世界大戰(zhàn)中探測(cè)敵方戰(zhàn)機(jī)。在這種應(yīng)用場(chǎng)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(hào)。而如今，隨著技術(shù)的發(fā)展和人類需求的多元化，雷達(dá)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(hào)在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

因此，目前雷達(dá)最常見(jiàn)的應(yīng)用之一便是探測(cè)氣象事件，特別是那些可能對(duì)人類生活造成嚴(yán)重影響的天氣情況，如雷暴、龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等。

除了云朵等天氣現(xiàn)象以外，在雷達(dá)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(diǎn)。那些圓點(diǎn)既不是任何一種天氣狀況，也不是飛機(jī)的身影，當(dāng)時(shí)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(zhēng)時(shí)期，弄清這些“天使”的真實(shí)身份顯得極為重要，因?yàn)槊恳淮翁綔y(cè)的結(jié)果都關(guān)乎無(wú)數(shù)生命的存亡。

不久之后，資深的野外觀察家和鳥(niǎo)類學(xué)家愛(ài)德華·格雷（Edward Gray）與戴維·萊克（David Lack）提出了一種假設(shè)，他們認(rèn)為這些未知的回波可能是由鳥(niǎo)類引起的。經(jīng)過(guò)一番深入研究之后，他們的假設(shè)得到了驗(yàn)證，這些圓點(diǎn)的“罪魁禍?zhǔn)住闭窃诳罩酗w行的鳥(niǎo)類。

于是，雷達(dá)的鳥(niǎo)類學(xué)時(shí)代正式拉開(kāi)了序幕。

▲雷達(dá)發(fā)射的電磁波（紫紅色波浪線）在碰到空中飛行的鳥(niǎo)類之后，會(huì)傳回相應(yīng)的回波（藍(lán)色波浪線）。動(dòng)圖來(lái)源：BirdCast

然而，盡管人們知道雷達(dá)屏幕上的那些圓點(diǎn)是遷徙中的鳥(niǎo)類，但當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)算法還不足以讓人們從雷達(dá)數(shù)據(jù)中分辨出鳥(niǎo)類。此外，想要獲取和處理這些鳥(niǎo)類學(xué)相關(guān)的信息也是困難重重，因?yàn)橛?jì)算機(jī)檢索和處理數(shù)據(jù)信息的時(shí)間極為漫長(zhǎng)，往往要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

于是，又過(guò)了五十年，轉(zhuǎn)眼來(lái)到了二十世紀(jì)九十年代。隨著下一代天氣雷達(dá)（NEXRAD）技術(shù)在美國(guó)投入使用，雷達(dá)在鳥(niǎo)類學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用才算得上是真正開(kāi)始。此外，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力也變得更快、更高效，在雙重技術(shù)革新的推動(dòng)下，人們終于擁有了從雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取鳥(niǎo)類相關(guān)信息的可靠工具。

▲B(niǎo)irdCast團(tuán)隊(duì)在今年春天發(fā)布的美國(guó)大陸候鳥(niǎo)春遷高峰預(yù)報(bào)圖（數(shù)據(jù)采集自143個(gè)雷達(dá)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(gè)月。圖片來(lái)源：The Cornell Lab of Ornithology

02

如何知道是否是鳥(niǎo)類呢？

不同形態(tài)的回波經(jīng)常會(huì)在雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)中交錯(cuò)呈現(xiàn)，此時(shí)就需要研究人員開(kāi)發(fā)恰當(dāng)?shù)姆椒?，?duì)各類回波加以識(shí)別和區(qū)分，并從中篩選出合適的目標(biāo)。

以鳥(niǎo)類、蝙蝠和昆蟲(chóng)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(dá)的有效探測(cè)范圍內(nèi)，與天氣回波相混雜。目前，雷達(dá)產(chǎn)生的電磁波能夠?qū)罩心繕?biāo)的含水量進(jìn)行探測(cè)，因此，研究人員可以對(duì)回波的高度、形狀等信息展開(kāi)分析，并結(jié)合空中生物的飛行速度等特征來(lái)判別雷達(dá)接收到的信號(hào)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(niǎo)類、蝙蝠和昆蟲(chóng)形成的生物回波。拍攝：Kenrick Mills

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

對(duì)于氣象學(xué)家而言，雙偏振雷達(dá)能夠更精準(zhǔn)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(duì)于鳥(niǎo)類學(xué)家來(lái)說(shuō)，雙偏振雷達(dá)能夠讓研究人員掌握目標(biāo)的大小、形狀等信息，從而更輕松地將鳥(niǎo)類與降水以及其他飛行生物區(qū)分開(kāi)來(lái)。

▲雙偏振雷達(dá)技術(shù)是指雷達(dá)探測(cè)電磁波在傳播時(shí)同時(shí)具有水平（藍(lán)色）和垂直（紅色）方向的偏振波，從而獲得更多的參數(shù)來(lái)綜合分析觀測(cè)目標(biāo)。圖片來(lái)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(chóng)

昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類都會(huì)借助風(fēng)來(lái)提高飛行速度，但由于昆蟲(chóng)的體型較小，它們對(duì)風(fēng)的依賴度更高。這就導(dǎo)致大多數(shù)昆蟲(chóng)的飛行軌跡與風(fēng)向較為一致，經(jīng)常隨風(fēng)飄蕩或順風(fēng)飛行。相對(duì)而言，鳥(niǎo)類則擁有更強(qiáng)的飛行能力，它們能夠高速飛行，甚至可以在風(fēng)中橫向穿梭或逆風(fēng)飛翔。因此，雷達(dá)上與風(fēng)向不一致的目標(biāo)更可能是鳥(niǎo)類。

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

▲雷達(dá)圖中成群飛行的蜉蝣長(zhǎng)這樣。圖片來(lái)源：The National Wildlife Federation

2. 蝙蝠

如果區(qū)分昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類還算容易，那么區(qū)分蝙蝠和鳥(niǎo)類的難度就大了不少，因?yàn)槎叩娘w行速度和行為模式更為相似。不過(guò)，幸運(yùn)的是，許多鳥(niǎo)類和蝙蝠通常都會(huì)按照各自獨(dú)有的時(shí)間表行動(dòng)。例如，在春季和秋季，鳥(niǎo)類往往會(huì)在當(dāng)?shù)厝章浜蠹s30-45分鐘左右開(kāi)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(dāng)然，僅僅依靠這種方法來(lái)區(qū)分鳥(niǎo)類和蝙蝠并非一勞永逸。例如，在美國(guó)南部的春季，大量蝙蝠與鳥(niǎo)類仍然可能在空間和時(shí)間上有所重疊。在這種情況下，研究人員就需要通過(guò)更為精細(xì)的分析和建模，并結(jié)合實(shí)地觀察的結(jié)果，來(lái)進(jìn)行綜合判斷。

▲夏日的傍晚，成群的蝙蝠飛出洞穴覓食。圖片來(lái)源：美國(guó)魚(yú)類及野生動(dòng)植物管理局（U.S. Fish and Wildlife Services）

舉個(gè)栗子，紫崖燕（英文名：Purple Martin，拉丁名：Progne subis）等鳥(niǎo)類在遷徙前和遷徙過(guò)程中經(jīng)常會(huì)大規(guī)模地聚集在夜棲地。當(dāng)這些鳥(niǎo)兒飛向天空時(shí)，它們的活動(dòng)軌跡會(huì)在雷達(dá)上勾勒出一道道獨(dú)特的“環(huán)形”圖案。同樣地，當(dāng)成千上萬(wàn)只蝙蝠離開(kāi)洞穴時(shí)，也會(huì)在雷達(dá)上呈現(xiàn)出類似的環(huán)形圖案。

因此，單從雷達(dá)圖上來(lái)看，人們無(wú)法準(zhǔn)確地區(qū)分蝙蝠和鳥(niǎo)類。然而，通過(guò)實(shí)地考察和了解紫崖燕（以及其他有類似行為的候鳥(niǎo)）的活動(dòng)時(shí)間和地點(diǎn)，研究人員就可以將某些“環(huán)”歸因于鳥(niǎo)類的活動(dòng)，而另一些則是蝙蝠形成的。

▲2017年8月4日，雷達(dá)圖上記錄到了由紫崖燕從夜棲地飛出覓食時(shí)所形成的典型“環(huán)形”圖像。動(dòng)圖來(lái)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(shí)的真實(shí)場(chǎng)面，請(qǐng)戳今天的第三條推送或點(diǎn)擊進(jìn)入b站收看https://www.bilibili.com/video/BV1584y127VS/

03

不只是“預(yù)報(bào)”

通過(guò)算法識(shí)別出雷達(dá)數(shù)據(jù)中的鳥(niǎo)類后，研究人員就可以預(yù)測(cè)并播報(bào)鳥(niǎo)類的遷徙實(shí)況。在“預(yù)報(bào)圖”中，人們可以獲得關(guān)于鳥(niǎo)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(niǎo)者制定觀鳥(niǎo)日程和計(jì)劃，也有助于科研工作者深入探究候鳥(niǎo)遷徙規(guī)律，為鳥(niǎo)類保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2022年4月21日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章便詳細(xì)講述了氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)在研究城市燈光導(dǎo)致鳥(niǎo)類死亡的問(wèn)題中發(fā)揮的作用。雷達(dá)數(shù)據(jù)繪制出的“鳥(niǎo)類遷徙預(yù)報(bào)圖”可以提前一周對(duì)鳥(niǎo)類飛行的時(shí)間和地點(diǎn)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合重點(diǎn)城市的燈光情況，決策者可以在相應(yīng)的時(shí)間降低城市燈光亮度，避免鳥(niǎo)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(diǎn)（北美東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間），雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示將有約5.48億只候鳥(niǎo)飛越美國(guó)上空，其中經(jīng)過(guò)芝加哥、達(dá)拉斯和休斯頓上空的遷徙鳥(niǎo)類數(shù)量相當(dāng)可觀。圖片來(lái)源：論文（由勺機(jī)構(gòu)漢化）

▲將通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)得到的遷徙經(jīng)過(guò)該城市的鳥(niǎo)類數(shù)量乘以夜間燈光亮度便能得到遷徙鳥(niǎo)類受夜間燈光的影響程度，可用于指導(dǎo)決策者制定相應(yīng)的“熄燈計(jì)劃”。圖片來(lái)源：論文（由勺機(jī)構(gòu)漢化）

此外，“鳥(niǎo)類遷徙預(yù)報(bào)”在防止鳥(niǎo)類撞上飛機(jī)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)等方面也在發(fā)揮著積極的作用。

雖然科技的進(jìn)步使我們能夠?qū)ⅧB(niǎo)類與降雨或其他飛行物區(qū)分開(kāi)來(lái)，但在辨別特定鳥(niǎo)類物種方面仍存在諸多挑戰(zhàn)。若想解決這一問(wèn)題，無(wú)疑要借助更多的實(shí)地觀察資料來(lái)為雷達(dá)數(shù)據(jù)提供佐證。因此，每位觀鳥(niǎo)者在鳥(niǎo)類觀察記錄平臺(tái)上提交的觀鳥(niǎo)記錄都能為未來(lái)的“鳥(niǎo)類遷徙預(yù)報(bào)”貢獻(xiàn)一份力量。

▲我國(guó)的觀鳥(niǎo)愛(ài)好者可以在中國(guó)觀鳥(niǎo)記錄中心上提交記錄。圖片來(lái)源：中國(guó)觀鳥(niǎo)記錄中心

目前，我國(guó)也在積極開(kāi)展氣象雷達(dá)的多種應(yīng)用場(chǎng)景，探索研發(fā)生物遷徙物候追蹤技術(shù)，包括候鳥(niǎo)和農(nóng)業(yè)遷飛害蟲(chóng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)等。

希望國(guó)內(nèi)的觀鳥(niǎo)愛(ài)好者也能早日擁有“鳥(niǎo)類遷徙預(yù)報(bào)”，等到每年的春秋時(shí)節(jié)，與神奇的候鳥(niǎo)來(lái)一場(chǎng)奇妙邂逅。

▲等你們喲！繪圖：Adele Yuhong Liu

參考文獻(xiàn)：

[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(dá)如何監(jiān)測(cè)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.