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如何数鸟鸟鸟鸟鸟?科学家想到的这个方法绝了

景点排名 2025年10月18日 07:22 1 admin

每年的秋季和春季,气流在高空汇聚成看不见的高速公路,成千上万的候鸟在此踏上迁徙的旅程。当观鸟爱好者们纷纷背起相机和望远镜往外跑,有一群科学家却忙着“云观鸟”,在雷达数据中寻找候鸟的踪迹。

用雷达探测飞行动物的研究属于一个前沿领域,称为空中生态学(aeroecology)。使用现有的气象雷达,就可以对迁徙鸟类实现大范围的全天候监测,历史数据也能用于分析。

再结合公民科学观测等其他来源的数据,科学家就能更加全面地掌握迁徙鸟类的数量和种类变化,以了解栖息地和环境是否健康,以及更大尺度上的气候变化对生态造成了怎样的影响。

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北红尾鸲是中国南方常见的冬候鸟 | 玛雅蓝

气象雷达“搞副业”

雷达的设计原理来自于蝙蝠的回声定位——向空中发射电磁波,然后分析反射回来的信号,就能获得关于周围环境的信息。这一技术诞生于第二次世界大战期间,原本应用于军事领域,而后在和平年代被应用于气象监测等领域。

使用雷达进行物种监测的历史,要从两位著名的种群生态学专家说起。1941 年在英国,鸟类学家大卫·拉克(David Lack)和昆虫学家乔治·C·瓦利(George C. Varley)协助军方调查一些神秘的雷达信号 [1]。

他们通过望远镜观测证实,那些信号其实是飞过海面的北鲣鸟(Morus bassanus)。这项调查报告在二战结束后解禁。欧美国家的科学家受到启发,开始使用雷达监测数据统计鸟群大小、飞行时间等信息。

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气象雷达 | Unsplash 图源:参考文献[8]

澳大利亚昆士兰大学生态学博士师旭介绍,雷达能探测到的信息与波长有关,其中气象雷达的波长常在 5~10 厘米之间,尤其适用于观测雀形目的小型鸟类,如柳莺、鸫。许多雀形目鸟类主要在夜间迁徙,很难通过人力进行观测。而气象雷达不仅可以全天候运行,还能覆盖极大的范围,监测半径可达 250 公里,监测高度从地表附近到数千米高空都能覆盖,而鸟类迁徙时的飞行高度通常在 3 千米以下。

许多国家拥有庞大的气象雷达网络。截至 2021 年,东亚-澳大利西亚迁飞区(EAAF)内各国总计拥有超过 430 台气象雷达,组成了庞大的监测网络,覆盖了一半鸟类物种的迁徙通道和越冬地,以及约 70%具有国际重要意义的迁徙滨鸟栖息地 [2]。中国是 EAAF 当中气象雷达数量最多的国家,达到 200 多台,拥有巨大的研究潜力。

很多气象雷达保存着过去十余年到二十余年的数据,有助于揭示鸟类种群数量、迁徙模式和分布区域随时间的变化。2019 年发表于《科学》期刊的一项研究显示,在过去五十年间,美国和加拿大的鸟类数量减少了 29 亿,下降幅度达 30% [3]。这项研究结合了鸟类监测项目与气象雷达收集的数据,其中气象雷达数据在覆盖面积和监测时长上远超人力监测,为揭示夜间迁徙的鸟类种群的变化趋势提供了珍贵的信息。

这项研究的结论也表明,鸟类的生存状况已经十分严峻。师旭指出,监测鸟类迁徙的轨迹,可以指导机场、风电场等工程项目的建设,让工程选址避开迁徙热点地区。这不仅是为了降低工程的环境影响,也是为了保护人身安全、减少经济损失。

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风力发电场,图源:参考文献 [9]

那是鸟,还是云?

一般的鸟类监测项目要求人力识别和鉴定每个个体,但雷达信号无法识别单个像素点是什么。科学家需要通过分析信号的性质和整体移动模式,并与其他来源相互验证,以便判断某一团信号是云团、昆虫或者某个类群的鸟。一个重要指标就是信号的方差,即不同像素或信号之间的差异值。

例如降雨的时候,信号的速度和强度在一定范围内差异不大;而鸟类的飞行速度、方向差异变化非常大,信号之间的差异值大于降雨的差异值。通过这一点,我们可以大致判断出它是鸟类还是其他物体。”师旭说。如果确定某个区域某个时段的雷达信号来自于鸟群,科学家就能借助公民科学家提供的观鸟数据,估算出其中大致的鸟类种群构成。

除了气象雷达之外,还有一种专门用于监测鸟类的小型雷达。它的探测范围相对窄,只能垂直向上发射电磁波,但是精度非常高,可以记录每只鸟飞过的路径以及飞行模式。根据不同的飞行模式,科学家就能大致判断出这是哪个类群的鸟类。

师旭介绍,很多雀形目小鸟飞行时会交替地振翅、滑翔;持续振翅的更有可能是鸻鹬类、雁鸭类,两个类群的振翅频率不同;很少振翅的可能是猛禽,或大型的鹤、鹳。

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迁徙的凤头蜂鹰 | 玛雅蓝

对于昆虫,农业上也经常使用专门的雷达监测害虫的动态。研究显示,每年有 9 万亿夜间迁徙的昆虫通过中国东部农业区域上空,折算成生物量大约有 15,000 吨 [4]。师旭评论说:“也就是说,在我们睡觉的时候,每年有 15,000 吨的昆虫从中国东部天上飞过。虽然听起来很难想象,但这样的迁徙是真实存在的。

如果天上同时有鸟类和昆虫飞过,如何在天气雷达信号里区分它们?

师旭团队的一项研究探讨了这个问题 [5]。他介绍,鸟的体型比昆虫大很多,两者同时出现的时候,鸟类的信号通常会覆盖昆虫的信号;鸟类的主动飞行能力也更强,飞行模式与风向和风速无关,而大部分的昆虫迁徙依赖风力,表现出随风扩散的规律。这其中数据处理的细节,就是科学家正在研究的课题了。

数鸟的方法有几种?

与雷达相比,许多传统的监测和研究手段显得效率很低。目前依靠观鸟爱好者收集的数据主要是日行性猛禽迁徙监测、鸻鹬类水鸟旗标记录等。以迁徙猛禽监测为例,监测员需要在户外监测点进行全天候观测,经受暴晒或寒风的洗礼,有时候一天下来只能统计到个位数的猛禽。

除此之外,科研中还经常使用环志标记、卫星追踪定位等手段,以了解鸟类的活动轨迹。被追踪的个体无法重新捕获或者遭遇意外,都是常有的事情。那么,有了雷达观鸟,还需要人力监测吗?

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科学家为水鸟佩戴旗标 | Wikipedia 图源:参考文献[10]

师旭认为,雷达和其他类型的鸟类观测数据可以相互补充,更加全面地反映鸟类种群生存状况。具体而言,定点观测和雷达监测提供的数据,呈现的是一个“点”或者一定范围内的“面”,能够告诉我们在某个时间段有多少鸟儿从这里经过。

而环志报告和卫星定位追踪提供的数据是一条“线”,可以让我们了解迁徙鸟类的生活轨迹,包括在整条路线上的停留地、繁殖地和越冬地,它们是生活在保护区内部还是外部,有没有遭遇盗猎等,这对于保护工作来说是非常有价值的信息。

关于鸟类迁徙的研究已经有大约 200 年的历史,但是大部分研究优先关注长距离迁徙、受到国际公约保护的鸟类,例如各种鸻鹬,我们对于其他迁徙距离较短的鸟类认识仍然有许多空白。师旭团队今年 8 月发表的一项研究使用雷达数据与 eBird 上的观鸟爱好者记录,揭示了澳大利亚东部鸟类的迁徙模式 [6]。他说:“因为雷达无法识别种类,所以我们需要更多的追踪数据,以便详细描述每种鸟的迁徙路径。”

帮科学家数鸟,你也可以

澳大利亚的公民科学起步较早,eBird 上已经积累了多年的高质量数据,为研究提供了便利。近些年,国内也出现了许多观鸟爱好者和公民科学项目。师旭强调,爱好者们在中国观鸟记录中心等渠道提交数据的时候,一定要明确是否记录了看到的所有鸟种,以及每种鸟类的数量。“这些(公民科学)数据原本是一份宝贵的记录,但如果没有包含这些信息,它的价值就会大打折扣。”

有的爱好者只记录自己的目标物种,以完成“加新”,而没有记录麻雀之类的常见鸟;还有人只记录当天看到了多少个物种,而没有统计数量。实际上,区分其他鸟种究竟是没有观察到,还是没有进行记录,对生态学研究非常重要。尽管我们无法统计每一只鸟,但是通过尽可能准确地进行完整的记录,就可以帮助科学家掌握鸟类的相对数量、迁徙规律等信息。

观鸟爱好者还可以参加公民科学项目,直接帮助科学家收集特定的数据。就在近期,随着猛禽纷纷踏上秋季迁徙的旅程,迁徙猛禽监测网络项目正在全国各地统计迁徙猛禽的数量和种类,并协助开展反盗猎工作,守护猛禽一路平安。

在城市里,鸟类常常受到玻璃建筑的反光和夜间照明干扰而撞上玻璃,造成伤亡。全国防鸟撞行动网络发布的调查报告显示,鸟撞高发于春天和秋天的迁徙季节,柳莺科、鸫科与噪鹛科等雀形目鸟类可能是受到鸟撞影响最大的群体 [7]。志愿者们可以帮助项目组识别和改造自己身边具有鸟撞风险的建筑,以挽救鸟类的生命,推动城市鸟类友好建设。

公民科学的意义不仅在于数据的科研价值,也在于每个参与者的体验和收获。如今,我们一年四季都能享受空调制造的宜人温度,吃上各色各样的蔬菜水果,而与候鸟的不期而遇使我们再一次感受到季节的流转,找回与大自然的连接。

现在正是金秋时节,快走出家门,去寻找迁徙的鸟吧!

参考文献

[1]Heisman R. A Brief History of How Scientists Have Learned About Bird Migration[EB/OL]. Audubon magazine. https://www.audubon.org/magazine/brief-history-how-scientists-have-learned-about-bird-migration. Spring 2022/2025-09-20.

[2]Shi X, Hu C, Soderholm J, et al. Prospects for monitoring bird migration along the East Asian‐Australasian Flyway using weather radar. Remote Sensing[J]. Ecology and Conservation, 2023 Apr;9(2):169-81.

[3]Rosenberg K V, Dokter A M, Blancher P J, et al. Decline of the North American avifauna[J]. Science, 2019, 366(6461): 120-124.

[4]Huang J, Feng H, Drake V A, et al. Massive seasonal high-altitude migrations of nocturnal insects above the agricultural plains of East China[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(18): e2317646121.

[5]Shi X, Drucker J, Chapman J W, et al. Analysis of mixtures of birds and insects in weather radar profile data[J]. Ornithological Applications, 2025: duaf020.

[6]Shi X, Clarke R H, Simmonds J S, et al. Characterising Migratory Bird Assemblages in Understudied Regions by Integrating Radar and Citizen Science Data[J]. Global Ecology and Biogeography, 2025, 34(8): e70104.

[7]全国防鸟撞行动网络. 全国防鸟撞行动网络 2025年度报告[EB/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/aG3CS7YQGXL4xRITtOgkrA. 2025-09-04/2025-09-20.

[8]https://unsplash.com/photos/weather-radar-dome-on-a-hill-with-clouds-o--lAWssg5I

[9]https://www.pexels.com/zh-cn/photo/532192/

[10]https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bird_Ringing_by_BNHS_by_Raju_Kasambe_DSC_2456_(18)_09.jpg

策划制作

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨玛雅蓝 科普创作者

审核丨黄乘明 中国科学院动物研究所研究员、海南大学特聘教授、中国动物学会监事、中国野生动物保护协会理事

策划丨张林林

责编丨张林林

审校丨徐来

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