如何數鳥鳥鳥鳥鳥？科學家想到的這個方法絕了
每年的秋季和春季，氣流在高空匯聚成看不見的高速公路，成千上萬的候鳥在此踏上遷徙的旅程。當觀鳥愛好者們紛紛背起相機和望遠鏡往外跑，有一羣科學家卻忙着“雲觀鳥”，在雷達數據中尋找候鳥的蹤跡。
用雷達探測飛行動物的研究屬於一個前沿領域，稱爲空中生態學（aeroecology）。使用現有的氣象雷達，就可以對遷徙鳥類實現大範圍的全天候監測，歷史數據也能用於分析。
再結合公民科學觀測等其他來源的數據，科學家就能更加全面地掌握遷徙鳥類的數量和種類變化，以瞭解棲息地和環境是否健康，以及更大尺度上的氣候變化對生態造成了怎樣的影響。
北紅尾鴝是中國南方常見的冬候鳥 | 瑪雅藍
氣象雷達“搞副業”
雷達的設計原理來自於蝙蝠的回聲定位——向空中發射電磁波，然後分析反射回來的信號，就能獲得關於周圍環境的信息。這一技術誕生於第二次世界大戰期間，原本應用於軍事領域，而後在和平年代被應用於氣象監測等領域。
使用雷達進行物種監測的歷史，要從兩位著名的種羣生態學專家說起。1941 年在英國，鳥類學家大衛·拉克（David Lack）和昆蟲學家喬治·C·瓦利（George C. Varley）協助軍方調查一些神祕的雷達信號 [1]。
他們通過望遠鏡觀測證實，那些信號其實是飛過海面的北鰹鳥（Morus bassanus）。這項調查報告在二戰結束後解禁。歐美國家的科學家受到啓發，開始使用雷達監測數據統計鳥羣大小、飛行時間等信息。
氣象雷達 | Unsplash 圖源：參考文獻[8]
澳大利亞昆士蘭大學生態學博士師旭介紹，雷達能探測到的信息與波長有關，其中氣象雷達的波長常在 5~10 釐米之間，尤其適用於觀測雀形目的小型鳥類，如柳鶯、鶇。許多雀形目鳥類主要在夜間遷徙，很難通過人力進行觀測。而氣象雷達不僅可以全天候運行，還能覆蓋極大的範圍，監測半徑可達 250 公里，監測高度從地表附近到數千米高空都能覆蓋，而鳥類遷徙時的飛行高度通常在 3 千米以下。
許多國家擁有龐大的氣象雷達網絡。截至 2021 年，東亞-澳大利西亞遷飛區（EAAF）內各國總計擁有超過 430 臺氣象雷達，組成了龐大的監測網絡，覆蓋了一半鳥類物種的遷徙通道和越冬地，以及約 70%具有國際重要意義的遷徙濱鳥棲息地 [2]。中國是 EAAF 當中氣象雷達數量最多的國家，達到 200 多臺，擁有巨大的研究潛力。
很多氣象雷達保存着過去十餘年到二十餘年的數據，有助於揭示鳥類種羣數量、遷徙模式和分佈區域隨時間的變化。2019 年發表於《科學》期刊的一項研究顯示，在過去五十年間，美國和加拿大的鳥類數量減少了 29 億，下降幅度達 30% [3]。這項研究結合了鳥類監測項目與氣象雷達收集的數據，其中氣象雷達數據在覆蓋面積和監測時長上遠超人力監測，爲揭示夜間遷徙的鳥類種羣的變化趨勢提供了珍貴的信息。
這項研究的結論也表明，鳥類的生存狀況已經十分嚴峻。師旭指出，監測鳥類遷徙的軌跡，可以指導機場、風電場等工程項目的建設，讓工程選址避開遷徙熱點地區。這不僅是爲了降低工程的環境影響，也是爲了保護人身安全、減少經濟損失。
風力發電場，圖源：參考文獻 [9]
那是鳥，還是雲？
一般的鳥類監測項目要求人力識別和鑑定每個個體，但雷達信號無法識別單個像素點是什麼。科學家需要通過分析信號的性質和整體移動模式，並與其他來源相互驗證，以便判斷某一團信號是雲團、昆蟲或者某個類羣的鳥。一個重要指標就是信號的方差，即不同像素或信號之間的差異值。
“例如降雨的時候，信號的速度和強度在一定範圍內差異不大；而鳥類的飛行速度、方向差異變化非常大，信號之間的差異值大於降雨的差異值。通過這一點，我們可以大致判斷出它是鳥類還是其他物體。”師旭說。如果確定某個區域某個時段的雷達信號來自於鳥羣，科學家就能借助公民科學家提供的觀鳥數據，估算出其中大致的鳥類種羣構成。
除了氣象雷達之外，還有一種專門用於監測鳥類的小型雷達。它的探測範圍相對窄，只能垂直向上發射電磁波，但是精度非常高，可以記錄每隻鳥飛過的路徑以及飛行模式。根據不同的飛行模式，科學家就能大致判斷出這是哪個類羣的鳥類。
師旭介紹，很多雀形目小鳥飛行時會交替地振翅、滑翔；持續振翅的更有可能是鴴鷸類、雁鴨類，兩個類羣的振翅頻率不同；很少振翅的可能是猛禽，或大型的鶴、鸛。
遷徙的鳳頭蜂鷹 | 瑪雅藍
對於昆蟲，農業上也經常使用專門的雷達監測害蟲的動態。研究顯示，每年有 9 萬億夜間遷徙的昆蟲通過中國東部農業區域上空，折算成生物量大約有 15,000 噸 [4]。師旭評論說：“也就是說，在我們睡覺的時候，每年有 15,000 噸的昆蟲從中國東部天上飛過。雖然聽起來很難想象，但這樣的遷徙是真實存在的。
如果天上同時有鳥類和昆蟲飛過，如何在天氣雷達信號裏區分它們？
師旭團隊的一項研究探討了這個問題 [5]。他介紹，鳥的體型比昆蟲大很多，兩者同時出現的時候，鳥類的信號通常會覆蓋昆蟲的信號；鳥類的主動飛行能力也更強，飛行模式與風向和風速無關，而大部分的昆蟲遷徙依賴風力，表現出隨風擴散的規律。這其中數據處理的細節，就是科學家正在研究的課題了。
數鳥的方法有幾種？
與雷達相比，許多傳統的監測和研究手段顯得效率很低。目前依靠觀鳥愛好者收集的數據主要是日行性猛禽遷徙監測、鴴鷸類水鳥旗標記錄等。以遷徙猛禽監測爲例，監測員需要在戶外監測點進行全天候觀測，經受暴曬或寒風的洗禮，有時候一天下來只能統計到個位數的猛禽。
除此之外，科研中還經常使用環志標記、衛星追蹤定位等手段，以瞭解鳥類的活動軌跡。被追蹤的個體無法重新捕獲或者遭遇意外，都是常有的事情。那麼，有了雷達觀鳥，還需要人力監測嗎？
科學家爲水鳥佩戴旗標 | Wikipedia 圖源：參考文獻[10]
師旭認爲，雷達和其他類型的鳥類觀測數據可以相互補充，更加全面地反映鳥類種羣生存狀況。具體而言，定點觀測和雷達監測提供的數據，呈現的是一個“點”或者一定範圍內的“面”，能夠告訴我們在某個時間段有多少鳥兒從這裏經過。
而環志報告和衛星定位追蹤提供的數據是一條“線”，可以讓我們瞭解遷徙鳥類的生活軌跡，包括在整條路線上的停留地、繁殖地和越冬地，它們是生活在保護區內部還是外部，有沒有遭遇盜獵等，這對於保護工作來說是非常有價值的信息。
關於鳥類遷徙的研究已經有大約 200 年的歷史，但是大部分研究優先關注長距離遷徙、受到國際公約保護的鳥類，例如各種鴴鷸，我們對於其他遷徙距離較短的鳥類認識仍然有許多空白。師旭團隊今年 8 月發表的一項研究使用雷達數據與 eBird 上的觀鳥愛好者記錄，揭示了澳大利亞東部鳥類的遷徙模式 [6]。他說：“因爲雷達無法識別種類，所以我們需要更多的追蹤數據，以便詳細描述每種鳥的遷徙路徑。”
幫科學家數鳥，你也可以
澳大利亞的公民科學起步較早，eBird 上已經積累了多年的高質量數據，爲研究提供了便利。近些年，國內也出現了許多觀鳥愛好者和公民科學項目。師旭強調，愛好者們在中國觀鳥記錄中心等渠道提交數據的時候，一定要明確是否記錄了看到的所有鳥種，以及每種鳥類的數量。“這些（公民科學）數據原本是一份寶貴的記錄，但如果沒有包含這些信息，它的價值就會大打折扣。”
有的愛好者只記錄自己的目標物種，以完成“加新”，而沒有記錄麻雀之類的常見鳥；還有人只記錄當天看到了多少個物種，而沒有統計數量。實際上，區分其他鳥種究竟是沒有觀察到，還是沒有進行記錄，對生態學研究非常重要。儘管我們無法統計每一隻鳥，但是通過儘可能準確地進行完整的記錄，就可以幫助科學家掌握鳥類的相對數量、遷徙規律等信息。
觀鳥愛好者還可以參加公民科學項目，直接幫助科學家收集特定的數據。就在近期，隨着猛禽紛紛踏上秋季遷徙的旅程，遷徙猛禽監測網絡項目正在全國各地統計遷徙猛禽的數量和種類，並協助開展反盜獵工作，守護猛禽一路平安。
在城市裏，鳥類常常受到玻璃建築的反光和夜間照明干擾而撞上玻璃，造成傷亡。全國防鳥撞行動網絡發佈的調查報告顯示，鳥撞高發於春天和秋天的遷徙季節，柳鶯科、鶇科與噪鶥科等雀形目鳥類可能是受到鳥撞影響最大的羣體 [7]。志願者們可以幫助項目組識別和改造自己身邊具有鳥撞風險的建築，以挽救鳥類的生命，推動城市鳥類友好建設。
公民科學的意義不僅在於數據的科研價值，也在於每個參與者的體驗和收穫。如今，我們一年四季都能享受空調製造的宜人溫度，喫上各色各樣的蔬菜水果，而與候鳥的不期而遇使我們再一次感受到季節的流轉，找回與大自然的連接。
現在正是金秋時節，快走出家門，去尋找遷徙的鳥吧！
參考文獻
[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]全國防鳥撞行動網絡. 全國防鳥撞行動網絡 2025年度報告[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
策劃製作
本文爲科普中國·創作培育計劃扶持作品
出品丨中國科協科普部
監製丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
作者丨瑪雅藍 科普創作者
審覈丨黃乘明 中國科學院動物研究所研究員、海南大學特聘教授、中國動物學會監事、中國野生動物保護協會理事
策劃丨張林林
責編丨張林林
審校丨徐來
