构建天空的秩序：低层大气中迁徙动物运动的日变化动态

《Ecology》：Structuring the skies: Diel dynamics of migratory animal movement in the lower atmosphere

地球低层大气作为生态栖息地，其结构和时空利用模式对候鸟等生物迁徙至关重要。本研究基于1995-2022年美国143个NEXRAD雷达的1.08亿个5分钟观测数据，量化了春季、夏季和秋季24小时周期内的大气空间利用特征。结果显示：春季和秋季约88%的空中活动发生在夜间，夏季则为54%；北部高纬度地区夜间活动比例更高，且峰值出现时间随纬度变化呈现规律性偏移。空间利用方面，50%的迁徙活动集中在垂直高度516米范围内，起飞高度约355米，且西部地区高空活动更显著。研究证实低层大气作为结构化生态栖息地的核心地位，为减少光污染、风力涡轮机撞击等生态冲突提供了时空数据支撑。

　　地球的低层大气是一个至关重要的生态栖息地，为数以万亿计的生物提供了生存、觅食和迁徙的环境。尽管这一空间对生态系统具有深远的影响，但它往往未被当作主要的生态或保护优先区域，因此成为研究最少的环境之一。然而，低层大气在连接全球生态系统方面发挥着关键作用，它作为生物量、天气和无机物质转移的重要通道，其复杂的时空结构对生态学核心问题的研究至关重要。本研究旨在通过分析超过1亿零800万份的5分钟雷达观测数据，深入探讨迁徙动物在空气中的使用模式，特别是春季、夏季和秋季24小时周期内的活动分布。

### 研究背景与意义

低层大气的生态价值长期以来被低估。作为地球最大的栖息地之一，它覆盖了超过地球表面积71%的海洋，其体积却远远超过海洋。尽管人类对海洋生态系统的关注度较高，但低层大气作为生物迁徙、觅食和活动的重要场所，其研究却相对滞后。这种忽视导致了对空中生态系统的理解不足，进而影响了相关的生态保护政策和实践。迁徙动物，如鸟类、蝙蝠和昆虫，通常依赖低层大气作为其主要的活动空间。这些生物的生存和繁衍直接受到空气环境中资源的影响，包括风力、热力上升气流以及食物来源等。

因此，研究低层大气的使用模式不仅有助于揭示迁徙动物的生态行为，还能够为人类活动带来的影响提供科学依据。例如，建筑、通信塔和风力涡轮机等人类设施在低层大气中不断扩展，这些结构可能对迁徙动物造成威胁，尤其是在夜间迁徙时，光污染和结构碰撞成为主要风险。此外，空气污染，如烟尘、野火残留物和气体污染物，也在一定程度上影响了动物的迁徙路径和行为。因此，理解低层大气的使用特征，有助于制定更有效的保护措施，减少人类活动对迁徙动物的干扰。

### 研究方法

为了系统地分析低层大气的使用模式，研究团队利用了143个NEXRAD（下一代雷达气象系统）站点从1995年到2022年的雷达观测数据。这些数据覆盖了美国大陆的广泛区域，时间跨度长达28年，提供了丰富的时空信息。研究通过处理每小时的雷达扫描，区分了昼夜活动的差异，将“夜间”定义为太阳角度低于0度的时间段。

在数据处理过程中，团队首先使用MISTNET算法（一种卷积神经网络）去除降水干扰，确保仅保留与生物活动相关的雷达信号。随后，他们整合了五个最低仰角的扫描数据，从2.5到50公里的范围内构建垂直剖面，从而覆盖了最高达3000米的空中活动。为了提高数据的可比性，研究还对时间采样进行了标准化处理，将非均匀的时间间隔调整为每5分钟一次，并通过线性插值方法填补数据空白。

研究团队进一步分析了夜间与白天活动的比例，以及活动高峰期的时间和空间分布。通过构建广义可加模型（GAMs），他们能够识别出迁徙活动的高峰时间，并结合空间分布数据，计算出覆盖50%迁徙流量的垂直高度范围。这些分析不仅提供了迁徙活动的时间窗口，还揭示了不同地理位置和季节对迁徙行为的影响。

### 研究结果

分析结果显示，迁徙活动在春季和秋季主要集中在夜间，分别占总活动的87.7%和87.6%。相比之下，夏季的迁徙活动在昼夜之间分布较为均衡，夜间活动仅占54%。这种差异可能与季节性气候条件和生物活动模式有关。在春季和秋季，随着纬度的增加，夜间活动的比例也相应提高，而在夏季，纬度越高，夜间活动的比例则下降。这一现象可能与不同纬度地区昆虫的昼夜活动模式相关，例如，高纬度地区昆虫的活动集中在白天，而低纬度地区昆虫的活动则更为频繁。

迁徙活动的高峰时间通常出现在日落后的4小时内，春季和秋季的高峰时间分别为4.1±0.7小时和4.0±0.8小时。然而，这种高峰时间在不同地理位置和季节之间存在显著差异。例如，在春季，一些位于沿海地区的站点表现出更早的高峰时间，而在夏季，高峰时间更加分散且不规律。此外，某些特定地区的迁徙活动表现出明显的季节性变化，如美国加利福尼亚州的圣华金谷（KHNX）在春季的迁徙活动高度显著高于秋季，这可能与该地区周边的地形特征有关。

### 研究讨论

研究结果表明，低层大气不仅是迁徙动物的重要活动空间，其时空结构对生态系统的整体功能具有深远影响。迁徙动物在夜间活动的模式与地理分布密切相关，特别是在高纬度地区，夜间活动的比例更高。这种现象可能与环境条件、资源可用性以及迁徙动物的生理适应有关。例如，夜间迁徙有助于避开天敌、减少捕食风险，并利用有利的风向和气流条件。

尽管雷达数据提供了广泛的迁徙活动信息，但它并不能完全区分不同物种的活动模式。例如，雷达信号往往偏向于较大的反射体，如鸟类和昆虫，而蝙蝠的活动则相对较少被记录。因此，研究结果可能低估了蝙蝠在迁徙活动中的贡献。此外，雷达在低空探测方面存在一定的局限性，可能导致部分迁徙活动未被完全捕捉，尤其是在夏季，非迁徙性的低空活动可能占据主导地位。

为了更全面地理解迁徙动物在低层大气中的使用模式，研究团队建议未来应结合其他数据来源，如声学监测和个体追踪技术。例如，飞行叫声监测可以提供物种特异性信息，有助于识别迁徙动物之间的群体行为。此外，基于活动和压力的追踪设备可以记录个体的飞行行为，包括飞行高度、方向和速度等，从而提供更细致的生态学分析。这些数据的整合将有助于揭示迁徙动物在低层大气中的行为模式，并为保护措施的制定提供更科学的依据。

### 研究意义与应用

本研究的结果对迁徙动物的保护具有重要的指导意义。首先，通过确定迁徙活动的高峰时间和高度范围，可以更好地评估迁徙动物与人类基础设施（如风力涡轮机）之间的碰撞风险。这种风险在迁徙动物的飞行高度与涡轮机的旋转范围重叠时尤为明显。因此，了解迁徙动物的活动模式有助于制定更有效的避让策略，例如在夜间关闭不必要的灯光，以减少对迁徙动物的干扰。

其次，研究结果可以为政策制定者提供科学依据，以优化迁徙动物的保护措施。例如，在制定州野生动物行动计划（SWAPs）时，可以结合雷达数据和地理信息系统（GIS）技术，识别出迁徙动物最频繁使用的区域，并在这些区域采取针对性的保护措施。此外，研究还强调了低层大气作为生态栖息地的重要性，呼吁将低层大气纳入生态保护的优先考虑范围。

### 研究局限与未来方向

尽管本研究提供了重要的迁徙活动数据，但其方法也存在一定的局限性。首先，雷达数据主要反映的是生物体的总体活动，而无法精确区分不同物种的活动模式。因此，未来的研究可以结合声学监测和个体追踪技术，以更细致地分析迁徙动物的组成和行为。其次，雷达在低空探测方面的不足可能导致部分迁徙活动未被完全记录，特别是在夏季，非迁徙性的低空活动可能占据主导地位。因此，未来的研究应考虑其他数据来源，以弥补雷达数据的不足。

此外，研究还指出，低层大气的使用模式可能受到多种因素的影响，包括风速、风向、温度、能见度等。这些因素在不同季节和地理位置之间存在显著差异，因此需要进一步研究这些环境变量对迁徙行为的影响。例如，在春季，某些地区的迁徙活动可能受到较强的风力支持，而在秋季，迁徙活动可能受到地形因素的影响。因此，未来的研究应结合多种环境数据，以更全面地理解迁徙动物在低层大气中的使用模式。

### 结论

综上所述，本研究通过分析大规模的雷达数据，揭示了迁徙动物在低层大气中的使用模式，特别是在春季和秋季，夜间活动占据了主导地位。研究还发现，迁徙活动的高峰时间与地理位置和季节密切相关，且不同地区的迁徙活动表现出显著的时空差异。这些发现不仅有助于理解迁徙动物的生态行为，还为制定更有效的保护措施提供了科学依据。未来的研究应结合其他数据来源，如声学监测和个体追踪技术，以更全面地揭示迁徙动物在低层大气中的使用模式，并进一步优化保护策略，以减少人类活动对迁徙动物的影响。