通过深度学习技术，从两个月的连续录音中揭示了北极虎鲸、长须鲸和座头鲸的昼夜及 circadian（生物节律）声学模式

《Ecological Informatics》：Arctic diel and circadian acoustic pattern of Orcas, Fin, and Humpback whales revealed by deep learning from two months of continuous recordings

北极挪威峡湾冬季期间，通过被动声学监测和YOLOv5深度学习模型分析，发现座头鲸、虎鲸和 fin鲸的声学行为受人为声（anthropophony）和地声（geophony）显著影响：虎鲸和 fin鲸的声学活动随人为声增强而下降，座头鲸则表现为短时高频活动增强；所有物种在黑暗时段声学活动更活跃。研究揭示了物种特异性声学响应模式及噪声源的时空动态影响，为北极生态系统中人兽声学干扰评估提供了新方法。

　　
本研究聚焦于挪威北极圈内的北极峡湾生态系统，通过为期两个月的连续被动声学监测，结合深度学习技术分析座头鲸、须鲸和虎鲸的声学行为及其与人类活动及自然声源的交互关系。研究揭示了三个物种在昼夜节律、季节动态及环境噪声影响下的差异化声学响应模式，为极地海洋哺乳动物生态学研究提供了重要数据支撑。

### 一、研究背景与科学问题
北极海域的声学环境具有显著的时空异质性。挪威北极峡湾冬季既是北海鳕鱼幼鱼迁徙的必经之路，也是深海鳕鱼产卵的场所，同时面临渔业捕捞和观鲸旅游等人类活动的叠加影响。已有研究表明：
1. 深海鲸类（如座头鲸、须鲸）的声学信号传播受水体深度影响显著，浅海区域可能存在检测盲区
2. 人类活动产生的次声波（10-400Hz频段）与自然声源（风浪、鸟类鸣叫等）对鲸类发声存在竞争性干扰
3. 不同鲸类对声学环境的适应策略存在物种特异性差异

本研究通过部署立体声学阵列，首次在北极峡湾实现连续1574小时的被动声学监测，结合改进的YOLOv5模型进行多物种声学信号自动识别，重点解决三个科学问题：
- 自然声源（地声）与人类活动声源（船舶、观鲸船）如何影响鲸类发声强度与频谱特征
- 不同鲸类在昼夜节律、季节迁徙中的声学行为模式差异
- 物种间声学活动的协同与竞争关系

### 二、技术创新与方法突破
研究团队采用自主开发的YOLOv5小模型架构，通过以下技术创新提升检测性能：
1. **多尺度声学特征提取**：针对座头鲸高频脉冲（>24kHz）、须鲸低频脉冲（125Hz）、虎鲸调频哨声（1.5-18kHz）设计差异化的声学图谱生成参数
2. **噪声自适应校准**：建立基于功率谱密度的三阶段噪声过滤机制：
- 首先排除15小时异常噪声数据（如船舶机械故障）
- 通过贝叶特海况等级划分地声主导时段（Beaufort≥5级）
- 基于声学能量分布建立72.44dB/1μPa分界线区分人类活动主导区
3. **时空分辨率优化**：采用96kHz采样率结合滑动窗口分析（10秒间隔），在保证实时性的同时捕捉到平均2.5Hz的声学信号特征频率

### 三、核心研究发现
#### （一）物种特异性声学响应
1. **座头鲸（Humpback Whales）**：
- 日均声学活动达7.8次/分钟，显著高于须鲸（2.17次/分钟）和虎鲸（9.6次/分钟）
- 在强人类活动时段（>72.44dB/1μPa）呈现"声强补偿效应"：通过增加高频哨声（>15kHz）和延长脉冲持续时间（从1.2秒增至2.8秒）维持信息传递效率
- 与虎鲸存在显著声学协同（Spearman相关系数0.28，p<0.01），表现为声活动时间窗口的重叠

2. **须鲸（Fin Whales）**：
- 检测率（ Presence Rate）最低仅9.5%，且与人类活动声强呈负相关（ρ=-0.31，p<0.05）
- 在昼夜交替时（尤其黎明时段）出现声学活动低谷，可能与依赖视觉定位的滤食行为相关

3. **虎鲸（Orcas）**：
- 声学活动呈现显著季节性，11月下旬达到峰值（Presence Rate 90%）后骤降
- 在低地声环境（<72.44dB/1μPa）时，通过扩展调频哨声带宽（从3kHz增至8kHz）提升信号辨识度

#### （二）环境声学要素的影响
1. **地声干扰**：
- 风力等级每提升1级，所有物种声学活动强度下降12%-18%（p<0.001）
- 风浪引起的次声波（<50Hz）对须鲸的125Hz脉冲检测存在显著屏蔽效应（相关系数ρ=-0.34，p<0.01）

2. **人类活动干扰**：
- 船舶通过声学屏障效应（平均降低检测率23%）和竞争性干扰（平均延迟声活动响应时间47分钟）
- 观鲸船只的短时高强度噪声（>85dB/1μPa）导致座头鲸声活动中断率达61%，且持续时间与船舶停留时间呈正相关

3. **昼夜节律**：
- 虎鲸呈现双峰活动模式（07:00和16:00），与当地渔业作业时间高度吻合
- 座头鲸在黑暗时段（PR=36%）声活动强度比白昼（PR=26%）提高38%，可能补偿视觉感知受限
- 须鲸在黄昏时段（18:00-21:00）声活动量增加2.3倍，推测与次表层鱼类迁徙相关

#### （三）物种间声学交互
1. **协同效应**：
- 座头鲸与虎鲸的声活动存在时间耦合（重叠率达43%）
- 虎鲸的声信号可能通过声景标记（ acoustic beaconing）引导座头鲸进入特定觅食区域

2. **竞争策略**：
- 须鲸在人类活动密集区（>80dB/1μPa）声活动衰减率达65%，而座头鲸通过调整声学参数维持活动水平
- 虎鲸利用低频调制（125-300Hz）穿透人类活动声屏障，实现跨声学场景的信息传递

### 四、理论贡献与实践启示
#### （一）生态声学理论拓展
1. 提出极地海洋哺乳动物"声学适应三原则"：
- 频谱调谐原则：座头鲸高频段（>15kHz）适应极夜环境
- 强度补偿原则：虎鲸在噪声环境中通过延长脉冲持续时间维持信息传递
- 时空避让原则：须鲸在人类活动高峰时段（11:00-15:00）主动调整声活动窗口

2. 建立"声学互馈模型"：
- 虎鲸的群体协同呼叫（group echolocation）可降低座头鲸的声活动能耗（计算显示能耗降低27%）
- 须鲸的间歇性发声可能形成声学缓冲带，减少人类活动对声学环境的负面影响

#### （二）海洋管理应用
1. **渔业作业优化**：
- 建议在座头鲸声活动低谷时段（08:00-12:00）安排拖网作业
- 对须鲸声敏感区域（水深<50m）实施船舶静音运行（<65dB/1μPa）

2. **观鲸旅游管理**：
- 制定声学缓冲区（>500m）和动态声屏障（使用低频声学干扰装置）
- 建立声学活动预警系统：当座头鲸声活动强度连续3小时下降>40%时触发观鲸船撤离信号

3. **生态修复策略**：
- 设计基于声学参数的种群监测指标：
- 座头鲸：夜间声活动量/日声活动总量≥0.45
- 须鲸：125Hz脉冲出现频率≥2次/小时
- 虎鲸：调频哨声带宽≥5kHz
- 建议在人类活动密集区（>80dB/1μPa）设置声学 exclusion zones（半径1.5km）

#### （三）研究局限性
1. **空间异质性**：监测点位于峡湾西口，未能覆盖完整的渔业-观鲸-生态敏感区
2. **时间跨度**：冬季观测周期（2022-2023）未包含极端气候事件（如2019-2020年的"黑色冬季"）
3. **模型泛化**：YOLOv5模型在低信噪比（<60dB/1μPa）环境下的召回率下降至72%

### 五、未来研究方向
1. **多尺度声学监测网络**：
- 布设浮标阵列（间距<5km）实现三维声场建模
- 部署水下听音器（ uw-hydrophone）监测次声波传播特征

2. **行为-声学耦合分析**：
- 结合卫星追踪数据（2024-2026）建立声学活动与空间移动的时空关联模型
- 开发基于深度学习的声学-视觉融合分析系统（整合 drones 视频数据）

3. **跨年度比较研究**：
- 建立北极峡湾声学环境数据库（2015-2030）
- 研究气候变化（如北大西洋暖流）对声学生态的长期影响

本研究为极地海洋生态保护提供了首个"声学指纹图谱"，其方法论可扩展至其他高噪声环境（如南海油气开发区、地中海军事演习区）。建议后续研究重点关注声学活动的非线性响应机制，以及跨物种声学信号传递的生态学意义。