每年的春秋两季，是动植物爱好者钟爱的黄金时节。春季，百花齐放，百鸟争鸣，生机盎然；秋季，层林尽染，候鸟南飞，美不胜收。如今，天气预报早已成为我们的日常，而热衷于植物和鸟类的人们，同样可以通过各种形式的“预报”来提前获取关于最佳赏花期或鸟类迁徙的信息。

随着科技的迅猛发展，美国的BirdCast团队借助雷达数据，成功构建了精准可靠的算法和模型，得以为科研人员和鸟类观察者提供详尽的“鸟类迁徙预报”。然而，在此之前，想要预知鸟类的迁徙动态并不容易。

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雷达技术与鸟类迁徙

“鸟类迁徙预报”离不开成熟的雷达系统和强大的计算机技术支持。

雷达一词源自英文单词“Radar”的音译，而“Radar”则是英文“Radio Detection and Ranging”（无线电侦测和定距）的缩写。

雷达是一种利用电磁波探测目标物的电子设备，其发射的电磁波在遇到目标后会发生散射，然后雷达接收到这种后向散射，形成回波。基于这个原理，雷达可以“捕捉”到任何能够将电磁波反射回来的物体，如空中飞行的飞机、撒哈拉沙漠的尘埃、成群齐飞的昆虫以及森林大火产生的烟羽等。

▲雷达的工作原理示意图。制图：David Babb；动图来源：https://www.e-education.psu.edu/meteo101/l3_p10.html

起初，人们开发雷达是为了在第二次世界大战中探测敌方战机。在这种应用场景下，天空中飘浮的“云朵”等物体产生的回波就成了干扰信号。而如今，随着技术的发展和人类需求的多元化，雷达已经成为研究大气层各类物体的重要工具。像云朵产生的回波等不同类型的信号在天气预报领域得到了广泛应用。

因此，目前雷达最常见的应用之一便是探测气象事件，特别是那些可能对人类生活造成严重影响的天气情况，如雷暴、龙卷风、台风等。

除了云朵等天气现象以外，在雷达诞生的早期，人们还留意到屏幕上出现的一些神秘的圆点。那些圆点既不是任何一种天气状况，也不是飞机的身影，当时的人们只能根据其短暂出现又迅速消失的特性，将其称为“天使”。在战争时期，弄清这些“天使”的真实身份显得极为重要，因为每一次探测的结果都关乎无数生命的存亡。

不久之后，资深的野外观察家和鸟类学家爱德华·格雷（Edward Gray）与戴维·莱克（David Lack）提出了一种假设，他们认为这些未知的回波可能是由鸟类引起的。经过一番深入研究之后，他们的假设得到了验证，这些圆点的“罪魁祸首”正是在空中飞行的鸟类。

于是，雷达的鸟类学时代正式拉开了序幕。

▲雷达发射的电磁波（紫红色波浪线）在碰到空中飞行的鸟类之后，会传回相应的回波（蓝色波浪线）。动图来源：BirdCast

然而，尽管人们知道雷达屏幕上的那些圆点是迁徙中的鸟类，但当时的计算机能力、数据存储和计算机算法还不足以让人们从雷达数据中分辨出鸟类。此外，想要获取和处理这些鸟类学相关的信息也是困难重重，因为计算机检索和处理数据信息的时间极为漫长，往往要耗费数小时甚至数天。

于是，又过了五十年，转眼来到了二十世纪九十年代。随着下一代天气雷达（NEXRAD）技术在美国投入使用，雷达在鸟类学领域的应用才算得上是真正开始。此外，计算机的计算能力也变得更快、更高效，在双重技术革新的推动下，人们终于拥有了从雷达数据中提取鸟类相关信息的可靠工具。

▲BirdCast团队在今年春天发布的美国大陆候鸟春迁高峰预报图（数据采集自143个雷达站）。此次春迁从南边的4月21日起，到北边的5月21日结束，为期约1个月。图片来源：The Cornell Lab of Ornithology

02

如何知道是否是鸟类呢？

不同形态的回波经常会在雷达观测数据中交错呈现，此时就需要研究人员开发恰当的方法，对各类回波加以识别和区分，并从中筛选出合适的目标。

以鸟类、蝙蝠和昆虫等生物为例，它们的迁飞高度通常位于500米至2000米之间，产生的生物回波恰好处于天气雷达的有效探测范围内，与天气回波相混杂。目前，雷达产生的电磁波能够对空中目标的含水量进行探测，因此，研究人员可以对回波的高度、形状等信息展开分析，并结合空中生物的飞行速度等特征来判别雷达接收到的信号到底是天气回波还是生物回波。

▲目前的技术可以分辨出由雨、雪等形成的天气回波以及由鸟类、蝙蝠和昆虫形成的生物回波。拍摄：Kenrick Mills

2013年，美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）在其雷达系统中引入了“双偏振”功能，该功能为更好地辨别雷达目标开辟了全新的方向。

对于气象学家而言，双偏振雷达能够更精准地区分雨夹雪和雨滴等不同形态和形状的降水粒子，而对于鸟类学家来说，双偏振雷达能够让研究人员掌握目标的大小、形状等信息，从而更轻松地将鸟类与降水以及其他飞行生物区分开来。

▲双偏振雷达技术是指雷达探测电磁波在传播时同时具有水平（蓝色）和垂直（红色）方向的偏振波，从而获得更多的参数来综合分析观测目标。图片来源：BirdCast

初步分辨出天气回波和生物回波后，不同生物之间的回波又该如何区分呢？

1. 昆虫

昆虫和鸟类都会借助风来提高飞行速度，但由于昆虫的体型较小，它们对风的依赖度更高。这就导致大多数昆虫的飞行轨迹与风向较为一致，经常随风飘荡或顺风飞行。相对而言，鸟类则拥有更强的飞行能力，它们能够高速飞行，甚至可以在风中横向穿梭或逆风飞翔。因此，雷达上与风向不一致的目标更可能是鸟类。

▲2017年7月11日晚上，在美国明尼苏达州、艾奥瓦州和威斯康星州的三州交界处，雷达捕捉到了大量蜉蝣飞行的场景（图片中下部的黑色箭头所指之处）。左下角的信号是降水云图。图片正中间的黑色圆点是天气雷达站。图片来源：BirdCast

▲雷达图中成群飞行的蜉蝣长这样。图片来源：The National Wildlife Federation

2. 蝙蝠

如果区分昆虫和鸟类还算容易，那么区分蝙蝠和鸟类的难度就大了不少，因为二者的飞行速度和行为模式更为相似。不过，幸运的是，许多鸟类和蝙蝠通常都会按照各自独有的时间表行动。例如，在春季和秋季，鸟类往往会在当地日落后约30-45分钟左右开始迁徙，而许多蝙蝠则主要在夏季飞行觅食。因此，季节性差异在数据分析中具有至关重要的作用。

当然，仅仅依靠这种方法来区分鸟类和蝙蝠并非一劳永逸。例如，在美国南部的春季，大量蝙蝠与鸟类仍然可能在空间和时间上有所重叠。在这种情况下，研究人员就需要通过更为精细的分析和建模，并结合实地观察的结果，来进行综合判断。

▲夏日的傍晚，成群的蝙蝠飞出洞穴觅食。图片来源：美国鱼类及野生动植物管理局（U.S. Fish and Wildlife Services）

举个栗子，紫崖燕（英文名：Purple Martin，拉丁名：Progne subis）等鸟类在迁徙前和迁徙过程中经常会大规模地聚集在夜栖地。当这些鸟儿飞向天空时，它们的活动轨迹会在雷达上勾勒出一道道独特的“环形”图案。同样地，当成千上万只蝙蝠离开洞穴时，也会在雷达上呈现出类似的环形图案。

因此，单从雷达图上来看，人们无法准确地区分蝙蝠和鸟类。然而，通过实地考察和了解紫崖燕（以及其他有类似行为的候鸟）的活动时间和地点，研究人员就可以将某些“环”归因于鸟类的活动，而另一些则是蝙蝠形成的。

▲2017年8月4日，雷达图上记录到了由紫崖燕从夜栖地飞出觅食时所形成的典型“环形”图像。动图来源：BirdCast

▲正在休息的雄性紫崖燕。拍摄：VJAnderson如果想看紫崖燕夜栖时的真实场面，请戳今天的第三条推送或点击进入b站收看https://www.bilibili.com/video/BV1584y127VS/

03

不只是“预报”

通过算法识别出雷达数据中的鸟类后，研究人员就可以预测并播报鸟类的迁徙实况。在“预报图”中，人们可以获得关于鸟类迁徙密度、飞行速度和方向等信息，这些信息不仅能够供观鸟者制定观鸟日程和计划，也有助于科研工作者深入探究候鸟迁徙规律，为鸟类保护提供科学依据。

2022年4月21日发表在《科学》杂志上的一篇文章便详细讲述了气象雷达数据在研究城市灯光导致鸟类死亡的问题中发挥的作用。雷达数据绘制出的“鸟类迁徙预报图”可以提前一周对鸟类飞行的时间和地点变化进行预测，结合重点城市的灯光情况，决策者可以在相应的时间降低城市灯光亮度，避免鸟类被灯光吸引并迷失方向，甚至是死亡。

▲2021年9月8日晚上8点（北美东部标准时间），雷达数据显示将有约5.48亿只候鸟飞越美国上空，其中经过芝加哥、达拉斯和休斯顿上空的迁徙鸟类数量相当可观。图片来源：论文（由勺机构汉化）

▲将通过雷达数据得到的迁徙经过该城市的鸟类数量乘以夜间灯光亮度便能得到迁徙鸟类受夜间灯光的影响程度，可用于指导决策者制定相应的“熄灯计划”。图片来源：论文（由勺机构汉化）

此外，“鸟类迁徙预报”在防止鸟类撞上飞机或风力发电机等方面也在发挥着积极的作用。

虽然科技的进步使我们能够将鸟类与降雨或其他飞行物区分开来，但在辨别特定鸟类物种方面仍存在诸多挑战。若想解决这一问题，无疑要借助更多的实地观察资料来为雷达数据提供佐证。因此，每位观鸟者在鸟类观察记录平台上提交的观鸟记录都能为未来的“鸟类迁徙预报”贡献一份力量。

▲我国的观鸟爱好者可以在中国观鸟记录中心上提交记录。图片来源：中国观鸟记录中心

目前，我国也在积极开展气象雷达的多种应用场景，探索研发生物迁徙物候追踪技术，包括候鸟和农业迁飞害虫的动态监测和预报等。

希望国内的观鸟爱好者也能早日拥有“鸟类迁徙预报”，等到每年的春秋时节，与神奇的候鸟来一场奇妙邂逅。

▲等你们哟！绘图：Adele Yuhong Liu

参考文献：

[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] 《天气雷达如何监测空中生物》。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.