天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)

胡 程 崔 鎧 王 銳 龍 騰 吳東麗 吳孔明

（1.北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究院，北京 100081；2.嵌入式實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院，山東濟(jì)南 250300；4.北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100081；5.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081；6.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所植物病蟲害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

1 引言

每年數(shù)以億計(jì)的昆蟲、候鳥、蝙蝠等空中動(dòng)物在繁殖地和越冬地之間遠(yuǎn)距離遷飛，遷飛范圍覆蓋全球［1］。動(dòng)物的遷飛行為顯著影響空中生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，它直接影響食物鏈中各級(jí)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的種群數(shù)量，同時(shí)也在間接層面影響營(yíng)養(yǎng)、能量和病原體的傳播路徑［2］。近年來(lái)，全球變暖、森林碎片化、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)變化等全球氣候與環(huán)境的變化，導(dǎo)致候鳥種群數(shù)量逐年減少，而昆蟲繁殖數(shù)量顯著上升，空中生態(tài)環(huán)境急劇惡化［3-5］。此外，空中生態(tài)還與人類生活密切相關(guān)，昆蟲遷飛可致農(nóng)作物遭受病蟲害，鳥類遷飛可影響航空安全，蝙蝠遷飛可致人畜疫病流行，對(duì)人類的生命和健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［6-7］。

目前，空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)多樣，但傳統(tǒng)GPS 跟蹤、環(huán)志標(biāo)記等方法難以用于昆蟲監(jiān)測(cè)，而空中網(wǎng)捕、燈光誘集等方法無(wú)法獲取空中動(dòng)物飛行狀態(tài)［8-9］。雷達(dá)具有全天候、全天時(shí)、大空域取樣的優(yōu)勢(shì)，是監(jiān)測(cè)空中動(dòng)物遷飛的有效手段之一［9-10］。其中，昆蟲雷達(dá)與探鳥雷達(dá)等小尺度監(jiān)測(cè)雷達(dá)的相繼出現(xiàn)［11-13］，可實(shí)現(xiàn)空中個(gè)體飛行動(dòng)物的體長(zhǎng)、體重、高度、體軸朝向、振翅頻率等生物學(xué)和行為學(xué)參數(shù)的遙感精細(xì)測(cè)量［14-16］。而以天氣雷達(dá)為代表的大尺度監(jiān)測(cè)雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)百千千米洲際尺度動(dòng)物群體遷飛生物量和遷飛軌跡的宏觀監(jiān)測(cè)，是對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)物遷飛監(jiān)測(cè)手段的重要補(bǔ)充［17-18］。昆蟲雷達(dá)、探鳥雷達(dá)等點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)通常采用X 波段（波長(zhǎng)3 cm）、Ku波段（波長(zhǎng)1.5 cm）等較高頻段，并采用脈沖壓縮技術(shù)和高增益天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)百米至數(shù)千米內(nèi)空中微弱點(diǎn)目標(biāo)的高分辨高靈敏小尺度探測(cè)。同時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)還經(jīng)常采用相控陣天線和高重頻等技術(shù)，快速搜索并持續(xù)跟蹤空中目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行精確測(cè)量。天氣雷達(dá)采用S波段（波長(zhǎng)10 cm）、C波段（波長(zhǎng)5 cm）等相對(duì)較低的工作頻段，并采用較寬脈沖寬度和高峰值發(fā)射功率（幾百千瓦量級(jí)），實(shí)現(xiàn)數(shù)百千米內(nèi)云滴、雨滴等氣象粒子群和蟲群、鳥群等生物群體目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)間大尺度探測(cè)。與傳統(tǒng)點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)相比，天氣雷達(dá)雖然無(wú)法精確測(cè)量單個(gè)目標(biāo)的大小、位置和速度信息，但是卻可以對(duì)空中彌散群體目標(biāo)進(jìn)行數(shù)百千米范圍的大尺度探測(cè)。并且，天氣雷達(dá)作為氣象監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，其常年業(yè)務(wù)運(yùn)行的特點(diǎn)也使得雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)中包含了大量動(dòng)物遷飛信息。通過(guò)分析挖掘天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，可以評(píng)估遷飛鳥類、昆蟲和蝙蝠對(duì)物候變化的響應(yīng)，解譯宏觀生態(tài)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)空中生態(tài)研究由微觀到宏觀的跨越式發(fā)展［19-21］。

早在二十世紀(jì)中葉，Lack 等人就發(fā)現(xiàn)軍用雷達(dá)和氣象雷達(dá)中可觀測(cè)到很多既非軍事也非天氣的目標(biāo)點(diǎn)，隨著研究的深入，最終證實(shí)這些目標(biāo)為鳥類［22］；此外，Rainey 等人利用艦載雷達(dá)還觀測(cè)到夜間高空蝗群的大規(guī)模跨區(qū)域遷飛現(xiàn)象［23］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，Browning 等人在利用多普勒雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)晴空時(shí)有離散昆蟲點(diǎn)目標(biāo)，并發(fā)現(xiàn)其多普勒特征可作為風(fēng)速觀測(cè)的示蹤物，這是第一次利用多普勒雷達(dá)對(duì)空中遷飛動(dòng)物進(jìn)行觀測(cè)［24］；之后，Hardy 等人的長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果確認(rèn)了多普勒雷達(dá)回波中昆蟲和鳥類產(chǎn)生的散射回波占據(jù)了雷達(dá)晴空回波的主要部分［25］。1970 年，Gauthreaux 等人首次發(fā)現(xiàn)天氣雷達(dá)可以探測(cè)到大尺度動(dòng)物遷飛，開(kāi)啟了利用天氣雷達(dá)研究空中生態(tài)學(xué)的大門［26-28］；然后，Riley 等人又進(jìn)一步推導(dǎo)了筆形波束雷達(dá)在方位掃描模式下的密度反演算法，推動(dòng)雷達(dá)昆蟲探測(cè)進(jìn)入定量化階段［12］；接著，Mueller 等人及Wilczak 等人分別利用雙極化雷達(dá)成功觀測(cè)到了遷飛昆蟲的極化回波［29-30］；此外，Vaughn 等人還從電磁仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果中詳細(xì)總結(jié)了鳥類和昆蟲作為雷達(dá)目標(biāo)的極化電磁散射特性［31］。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，具備大尺度組網(wǎng)天氣雷達(dá)的美國(guó)、歐洲和中國(guó)均已開(kāi)展天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)研究。至此，天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)的基本框架已經(jīng)確立。

因此，天氣雷達(dá)已成為未來(lái)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)際熱點(diǎn)研究方向，可為揭示動(dòng)物遷飛規(guī)律、研究空中生態(tài)環(huán)境變遷、保護(hù)生物多樣性等科學(xué)研究提供重要宏觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本文綜述了天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展：首先，梳理了全球天氣雷達(dá)組網(wǎng)現(xiàn)狀；隨后，總結(jié)了全球基于天氣雷達(dá)的空中生態(tài)科學(xué)研究進(jìn)展；接著，整理了天氣雷達(dá)遷飛動(dòng)物監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)；之后，詳細(xì)介紹了中國(guó)天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展；最后，對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望和總結(jié)。

2 全球天氣雷達(dá)組網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，可應(yīng)用于天氣雷達(dá)空中生態(tài)宏觀監(jiān)測(cè)的組網(wǎng)平臺(tái)共有三個(gè)，分別為基于歐洲各國(guó)現(xiàn)有天氣雷達(dá)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)共享工程（Operational Program for Exchange of Weather Radar Information，OPERA），中國(guó)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)（China New Generation Weather Radar，CINRAD），以及美國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)（The Next Generation Weather Radar，NEXRAD），如圖1 所示。其中，歐洲OPERA工程包含30個(gè)成員國(guó)家共200余部天氣雷達(dá)，主要以C 波段雷達(dá)，有少量S 波段和X波段雷達(dá)；中國(guó)CINRAD天氣雷達(dá)網(wǎng)由236部S和C波段天氣雷達(dá)構(gòu)成，覆蓋東北、華北、華東、華南以及西北西南部分地區(qū)；美國(guó)NEXRAD天氣雷達(dá)網(wǎng)由160部高分辨率S波段雙極化天氣雷達(dá)組成，覆蓋美國(guó)大陸國(guó)土以及部分沿海海域和島嶼。

圖1 全球天氣雷達(dá)網(wǎng)Fig.1 Global weather radar network

2013 年，歐洲組織了動(dòng)物遷飛雷達(dá)監(jiān)測(cè)專項(xiàng)（European Network for the Radar surveillance of Animal Movement，ENRAM）［33］，組建了由生態(tài)學(xué)家、氣象學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家等人員組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，專門開(kāi)發(fā)基于天氣雷達(dá)的動(dòng)物遷飛監(jiān)測(cè)技術(shù)［36］。組網(wǎng)天氣雷達(dá)的宏觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不僅可以對(duì)空中遷飛動(dòng)物進(jìn)行分類和跟蹤，還能夠發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測(cè)它們的重要經(jīng)停地和棲息地［37］，評(píng)估它們對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響［38］，幫助它們應(yīng)對(duì)環(huán)境變化［39］。通過(guò)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)生態(tài)信息處理軟件，能夠使生態(tài)學(xué)家和生物學(xué)家更有效地訪問(wèn)和分析雷達(dá)數(shù)據(jù)，促進(jìn)雷達(dá)在生態(tài)研究中的應(yīng)用［40-41］。綜上所述，天氣雷達(dá)已經(jīng)不僅局限于傳統(tǒng)天氣過(guò)程的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，還在生物多樣性保護(hù)、遷飛性蟲害監(jiān)測(cè)、疫源疫病傳播防控等全球性重大空中生態(tài)議題中起到日益重要的作用。

3 基于天氣雷達(dá)的空中生態(tài)科學(xué)研究進(jìn)展

3.1 全球科研項(xiàng)目布局

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（National Science Foundation，NSF）自2011年起，在天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域資助的經(jīng)費(fèi)總額超千萬(wàn)美元，開(kāi)展綜合利用天氣雷達(dá)、聲學(xué)監(jiān)測(cè)、光學(xué)記錄等手段的遷飛動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［42-45］，探索遷飛動(dòng)物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制等宏觀科學(xué)規(guī)律［46-48］，并利用洲際尺度組網(wǎng)天氣雷達(dá)和人工智能技術(shù)對(duì)空中生態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)［49-50］，已經(jīng)在空中生態(tài)監(jiān)測(cè)與應(yīng)用領(lǐng)域取得多項(xiàng)重要進(jìn)展。

歐洲在2006年開(kāi)發(fā)了航空安全鳥類預(yù)警模型項(xiàng)目（FlySafe Bird Avoidance Model，F(xiàn)lySafe-BAM），幫助鳥擊事故預(yù)警［51］，之后歐洲動(dòng)物遷飛雷達(dá)監(jiān)測(cè)ENRAM 專項(xiàng)為歐洲天氣雷達(dá)網(wǎng)的協(xié)同組網(wǎng)奠定基礎(chǔ)，提供洲際尺度動(dòng)物遷飛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，而后在2018 年開(kāi)始資助全球空中生物流量監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)計(jì)劃（Global Biomass flows of Aerial Migrants，GloBAM），旨在利用全球天氣雷達(dá)網(wǎng)監(jiān)測(cè)空中動(dòng)物動(dòng)態(tài)，解譯全球遷飛路線及節(jié)律，并預(yù)測(cè)全球變化對(duì)遷飛的影響。

中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金在2017 年資助了國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目（部門推薦）“面向動(dòng)物遷飛機(jī)理分析的高分辨多維協(xié)同雷達(dá)測(cè)量?jī)x”，該項(xiàng)目由北京理工大學(xué)牽頭，聯(lián)合多家合作單位，總資助金額9000余萬(wàn)元，研制一套高分辨動(dòng)物探測(cè)雷達(dá)，并和中國(guó)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遷飛動(dòng)物的多尺度和廣覆蓋監(jiān)測(cè)。

3.2 重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)

天氣雷達(dá)網(wǎng)可以提高空中遷飛動(dòng)物的高度探測(cè)覆蓋范圍，探索生物多樣性監(jiān)測(cè)等宏觀生態(tài)規(guī)律，彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段缺憾，填補(bǔ)生態(tài)研究空白［52-53］。例如，利用天氣雷達(dá)可以對(duì)鳥類、蝙蝠等多種空中動(dòng)物的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以定量評(píng)估空中動(dòng)物的種群變化、確定遷飛動(dòng)物死亡原因，以及制定、評(píng)估和實(shí)施降低遷飛動(dòng)物死亡風(fēng)險(xiǎn)的方法［54］。目前，基于天氣雷達(dá)遷飛動(dòng)物監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)，國(guó)際學(xué)者已經(jīng)有多項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

（1）鳥類監(jiān)測(cè)研究

利用天氣雷達(dá)可以研究鳥類對(duì)煙火、日食、夜光等光照條件變化的行為反應(yīng)，分析鳥撞事故發(fā)生原因，有助于減少鳥類活動(dòng)受人造光源的影響，并制定空中生態(tài)保護(hù)策略。其中，在煙火對(duì)鳥類飛行影響分析方面，利用天氣雷達(dá)定量觀測(cè)鳥類對(duì)煙火事件做出的大規(guī)模行為反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)荷蘭新年夜煙火慶祝表演時(shí)上萬(wàn)只鳥類在煙火之后短時(shí)間內(nèi)起飛，并利用雷達(dá)數(shù)據(jù)估計(jì)了這些鳥類的高強(qiáng)度活動(dòng)持續(xù)時(shí)間和聚集高度［55］。在日食對(duì)鳥類飛行影響分析方面，利用全美143部天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)定量評(píng)估了日全食時(shí)期的空中動(dòng)物活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)日食雖然不足以引發(fā)類似日落時(shí)的夜間動(dòng)物活動(dòng)，但足以抑制白天的動(dòng)物活動(dòng)［56］。在夜間燈光對(duì)鳥類飛行影響分析方面，通過(guò)仿真和分析紐約911紀(jì)念光柱開(kāi)啟期間附近天氣雷達(dá)和聲學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)光柱在七天中共影響超過(guò)110 萬(wàn)只鳥類，選擇性移除夜晚燈光是減少鳥類被人造光源吸引致死的一種可行策略［57］。在鳥撞事故發(fā)生原因的分析方面，結(jié)合機(jī)場(chǎng)鳥擊數(shù)據(jù)和eBird觀鳥數(shù)據(jù)，建立鳥擊危害等級(jí)模型，確定鳥擊事故數(shù)和遷飛強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鳥擊事故并不僅限于鳥類夜間活動(dòng)中，由于白天遷飛鳥類體型更大，日間遷飛可能具有更大的鳥擊事故風(fēng)險(xiǎn)［58］；利用人工記錄鳥類撞窗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)反演的鳥類遷飛強(qiáng)度和夜晚鳥類撞窗死亡數(shù)量有關(guān)，雷達(dá)可以作為預(yù)測(cè)鳥類撞窗的有效預(yù)測(cè)手段，可以指導(dǎo)減少夜間燈光等生態(tài)保護(hù)操作［59］；還發(fā)現(xiàn)鳥類夜間遷飛強(qiáng)度、建筑物光照強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)情況是鳥類撞窗死亡數(shù)量的重要預(yù)測(cè)因子，燈光減半可以減少60%的鳥類死亡［60］。

應(yīng)用天氣雷達(dá)還可以對(duì)鳥類遷飛高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示夜間遷飛鳥類的高度選擇行為，定量評(píng)估遷飛鳥類對(duì)地表風(fēng)速、氣流條件和城市化等因素的應(yīng)對(duì)方式。在地表風(fēng)速對(duì)鳥類遷飛高度影響分析方面，通過(guò)測(cè)量春秋兩季夜間遷飛鳥類的飛行高度，發(fā)現(xiàn)鳥類會(huì)在地表風(fēng)速不利于其遷飛的情況下提高飛行高度來(lái)尋找更適合它們遷飛的風(fēng)場(chǎng)情況［61］，并且遷飛動(dòng)物會(huì)根據(jù)最適風(fēng)力情況調(diào)整他們的遷飛高度［62］，在特定夜晚會(huì)選擇具有最佳遷飛風(fēng)速的高海拔位置進(jìn)行遷飛，這種習(xí)性導(dǎo)致在最高高達(dá)3 km高的不同高度處形成結(jié)構(gòu)化層狀遷飛［63］。在氣流條件對(duì)鳥類遷飛高度影響分析方面，發(fā)現(xiàn)雨燕在黃昏和黎明時(shí)都會(huì)進(jìn)行爬升［64］；結(jié)合激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)春秋兩季遷飛動(dòng)物應(yīng)對(duì)低空急流時(shí)存在不同的遷飛高度選擇偏好［65］。在城市化程度對(duì)鳥類遷飛高度影響分析方面，統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域夜間鳥類遷飛時(shí)的垂直分布，發(fā)現(xiàn)城市地區(qū)鳥類遷飛高度更高［66］。

通過(guò)分析多年間天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可以統(tǒng)計(jì)和分析遷飛生物量、空間分布、遷飛策略、遷飛物候等多個(gè)鳥類遷飛關(guān)鍵指標(biāo)，可以幫助進(jìn)一步理解鳥類遷飛行為，保護(hù)空中生態(tài)系統(tǒng)。在遷飛生物量和空間分布分析方面，利用全美143部天氣雷達(dá)估計(jì)夜間鳥類遷飛流量，發(fā)現(xiàn)美國(guó)南部回遷生物量大于北部，遷徙到更南方的鳥類死亡率明顯低于在溫帶過(guò)冬的鳥類，強(qiáng)調(diào)了保護(hù)重要非繁殖棲息地的重要性［67］；結(jié)合多年鳥類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)北美鳥類相比于與1970年已經(jīng)減少30億只，迫切需要避免未來(lái)鳥類崩潰［4］；統(tǒng)計(jì)墨西哥灣區(qū)域鳥類在停留地的密度，和歷史氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)鳥類遷飛過(guò)程中經(jīng)歷的大范圍天氣影響了鳥類何時(shí)何地停下來(lái)休息和補(bǔ)充能量［68］；定量分析墨西哥灣遷飛通道的鳥類遷飛時(shí)間、強(qiáng)度和分布，發(fā)現(xiàn)每年遷飛數(shù)量和遷飛高峰期沒(méi)有顯著改變［69］。在遷飛策略分析方面，發(fā)現(xiàn)春季遷飛鳥類傾向于隨風(fēng)漂移，秋季遷飛行為和風(fēng)速之間的關(guān)系不顯著［70］；利用歐洲天氣雷達(dá)網(wǎng)數(shù)據(jù)確定洲際尺度鳥類遷飛路線，發(fā)現(xiàn)遷飛動(dòng)態(tài)和氣象風(fēng)場(chǎng)條件密切相關(guān)，大規(guī)模遷飛可以在風(fēng)速改變情況下迅速發(fā)生［71］；結(jié)合eBird 觀鳥數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同體型鳥類的飛行速度和風(fēng)飄補(bǔ)償?shù)冗w飛策略存在明顯差異［72］；結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，識(shí)別并統(tǒng)計(jì)鳥類數(shù)量受光污染影響的高峰時(shí)間和地點(diǎn)，可以針對(duì)特定鳥類遷飛策略制定動(dòng)態(tài)保護(hù)方案［73］；用停留途徑比分析北美鳥類遷飛通道季節(jié)性遷飛過(guò)程，發(fā)現(xiàn)春季鳥類聚集在海岸，秋季聚集在內(nèi)陸［74］；利用海量天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建鳥類預(yù)測(cè)系統(tǒng)，確定鳥類遷飛所需天數(shù)，發(fā)現(xiàn)制定固定時(shí)間窗口保護(hù)策略可以降低鳥類空中死亡風(fēng)險(xiǎn)［75］。在遷飛物候分析方面，發(fā)現(xiàn)北美春季鳥類遷飛具有明顯的年際變化，且與區(qū)域溫度的年際和低頻變化呈負(fù)相關(guān)［76-77］；還發(fā)現(xiàn)春秋季節(jié)遷飛高峰時(shí)間提前，并且緯度越高提前得越多［78］；結(jié)合eBird觀鳥數(shù)據(jù)計(jì)算的物候指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)和遷飛物候指標(biāo)具有正相關(guān)關(guān)系［79］。

（2）昆蟲監(jiān)測(cè)研究

利用天氣雷達(dá)還可以研究昆蟲的夜間遷飛行為，定量評(píng)估城市照明對(duì)遷飛昆蟲種群數(shù)量的影響，揭示昆蟲飛行行為受高空氣流的影響機(jī)制，并監(jiān)測(cè)評(píng)估害蟲重大爆發(fā)事件。天氣雷達(dá)可定位并監(jiān)測(cè)害蟲遷飛程度，估計(jì)昆蟲遷徙飛行的時(shí)間、強(qiáng)度和位移［80］；利用天氣雷達(dá)等遙感監(jiān)測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)在遷飛爆發(fā)的高峰期超過(guò)4500萬(wàn)只蝗蟲起飛，且在高強(qiáng)度城市照明區(qū)域最為集中，蝗蟲的密集活動(dòng)甚至導(dǎo)致地表植被指數(shù)出現(xiàn)下降［81］；將雷達(dá)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)結(jié)合，發(fā)現(xiàn)兩者有助于評(píng)估害蟲大爆發(fā)時(shí)期的發(fā)展動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)蛾類通常在溫度和風(fēng)速最高的逆溫層區(qū)域頂部分散，有助于改進(jìn)昆蟲遷飛大氣擴(kuò)散模型［82］；還發(fā)現(xiàn)飛過(guò)密西西比河上游的單次爆發(fā)蜉蝣可高達(dá)879億只，并釋放3078.6噸生物量到天空，且近年間蜉蝣的數(shù)量降低了50%［20］。

（3）蝙蝠監(jiān)測(cè)研究

利用多年天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)還可以監(jiān)測(cè)蝙蝠種群的遷徙行為和數(shù)量變化，揭示蝙蝠對(duì)氣候和天氣條件的靈活適應(yīng)性，有助于判斷氣候變化對(duì)蝙蝠遷徙和豐度的影響。通過(guò)天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)蝙蝠種群數(shù)量變化，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)量和傳統(tǒng)手段監(jiān)測(cè)的數(shù)量非常吻合，表明可以利用天氣雷達(dá)來(lái)監(jiān)測(cè)蝙蝠出洞活動(dòng)的時(shí)間和活動(dòng)方向［83］；還發(fā)現(xiàn)集群棲息蝙蝠物種的群體出現(xiàn)行為是蝙蝠對(duì)氣候和天氣條件的靈活反應(yīng)，其大規(guī)模群體出現(xiàn)行為是動(dòng)物對(duì)長(zhǎng)期氣候變化反應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)［84］；分析多年間洞穴蝙蝠夜間種群數(shù)量，發(fā)現(xiàn)春季遷徙和夏季繁殖期提前了大約2周，揭示了蝙蝠適應(yīng)資源不斷變化時(shí)的行為可塑性［21，85］；結(jié)合溫度、降水量和高空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析多年間蝙蝠種群數(shù)量，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)蝙蝠遷飛沒(méi)有造成影響，春季遷飛主要受風(fēng)場(chǎng)條件影響，秋季遷飛主要受降水影響［86］。

總體來(lái)看，美國(guó)、歐洲和中國(guó)等地開(kāi)展了多項(xiàng)空中生態(tài)科學(xué)研究項(xiàng)目，利用天氣雷達(dá)、聲學(xué)監(jiān)測(cè)、光學(xué)記錄等手段進(jìn)行空中遷飛動(dòng)物監(jiān)測(cè)研究。這些研究解答了諸多宏觀空中生態(tài)科學(xué)問(wèn)題，涵蓋了鳥類、昆蟲和蝙蝠等多個(gè)方面。對(duì)于鳥類監(jiān)測(cè)，利用天氣雷達(dá)揭示了它們對(duì)煙火、日食、夜光等客觀條件變化的行為反應(yīng)，并為制定空中生態(tài)保護(hù)策略提供了數(shù)據(jù)支持；對(duì)于昆蟲和蝙蝠的遷徙行為監(jiān)測(cè)，提供了評(píng)估種群數(shù)量變化和生態(tài)適應(yīng)性的研究新視角。綜合而言，基于天氣雷達(dá)的空中生態(tài)科學(xué)研究為理解和保護(hù)遷飛動(dòng)物及其生態(tài)系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的宏觀監(jiān)測(cè)工具和方法，取得了顯著的科研成果。

4 天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

針對(duì)天氣雷達(dá)在空中生態(tài)監(jiān)測(cè)中存在的空間分辨率低、氣象回波干擾等問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了一系列天氣雷達(dá)空中生態(tài)專用技術(shù)。其中，電磁散射建?？芍庇^反映遷飛動(dòng)物在天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中的回波特性，為后續(xù)回波提取和生物量化提供關(guān)鍵信息；基于遷飛動(dòng)物和氣象粒子等的回波特征差異可實(shí)現(xiàn)遷飛動(dòng)物回波的提取，剔除氣象等回波的干擾；而后，參數(shù)反演實(shí)現(xiàn)從天氣雷達(dá)回波提取量化的遷飛信息；利用高分辨雷達(dá)等設(shè)備開(kāi)展天氣雷達(dá)遷飛監(jiān)測(cè)外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)；結(jié)合天氣雷達(dá)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間大尺度的宏觀模型，為生態(tài)變遷研究提供數(shù)據(jù)支撐。這一系列技術(shù)的應(yīng)用有望顯著提高天氣雷達(dá)在生態(tài)監(jiān)測(cè)中的性能和應(yīng)用前景。

4.1 遷飛動(dòng)物電磁散射建模

遷飛動(dòng)物的電磁散射模型是通過(guò)天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)反演遷飛動(dòng)物信息的基礎(chǔ)。目前針對(duì)昆蟲等空中動(dòng)物，已經(jīng)在給定波長(zhǎng)、入射角和極化方式的情況下開(kāi)展室內(nèi)測(cè)量試驗(yàn)，積累了大量散射信息數(shù)據(jù)。但目前這種研究主要針對(duì)電磁波固定入射角或者有限的幾個(gè)方位、俯仰角開(kāi)展，并且通常針對(duì)專用探蟲、探鳥雷達(dá)工作波長(zhǎng)和極化方式。天氣雷達(dá)遷飛動(dòng)物監(jiān)測(cè)由于其觀測(cè)俯仰角低，且360°全向方位掃描，對(duì)天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的解譯必須明確遷飛動(dòng)物各個(gè)入射角方向的電磁散射特性。為了獲取全方位入射角的空中動(dòng)物電磁散射特性，可以通過(guò)對(duì)空中動(dòng)物進(jìn)行電磁散射建模，仿真得到其全向雷達(dá)散射矩陣，進(jìn)而得到其RCS等相關(guān)信息。空中動(dòng)物精確全向單站RCS 信息有助于利用天氣雷達(dá)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)空中動(dòng)物密度、遷飛率以及種群數(shù)量進(jìn)行精確量化應(yīng)用。

針對(duì)遷飛動(dòng)物全向RCS 的研究，主要包括對(duì)空中動(dòng)物進(jìn)行電磁散射建模和外場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證兩種。對(duì)天氣雷達(dá)升級(jí)雙極化后，研究人員已經(jīng)對(duì)空中鳥類、蝙蝠和昆蟲等動(dòng)物的共振散射效應(yīng)、去極化效應(yīng)，以及其對(duì)差分相位、差分反射率因子、相關(guān)系數(shù)等極化天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)測(cè)量參數(shù)的影響進(jìn)行了分析和解讀，為極化雷達(dá)研究空中生態(tài)學(xué)提供了新思路［87］。對(duì)于昆蟲目標(biāo)，重點(diǎn)分析了昆蟲幾何參數(shù)和節(jié)點(diǎn)模型對(duì)散射特性準(zhǔn)確度的影響，通過(guò)分析不同幾何尺寸模型和昆蟲標(biāo)本的RCS測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)昆蟲介質(zhì)的長(zhǎng)橢球模型對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)效果最好，為進(jìn)一步建模工作提供了一種合適的技術(shù)手段［88］。對(duì)于蝙蝠目標(biāo)，通過(guò)三維結(jié)構(gòu)建模電磁仿真結(jié)果和外場(chǎng)懸吊蝙蝠全向極化RCS 數(shù)據(jù)，建立了優(yōu)于傳統(tǒng)橢球模型的三維電磁散射模型。并且，利用移動(dòng)雙極化氣象雷達(dá)對(duì)野外蝙蝠活動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，驗(yàn)證了天氣雷達(dá)極化測(cè)量參數(shù)中有足夠的特征用來(lái)對(duì)遷飛動(dòng)物進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)［89］，如圖2 所示。還進(jìn)一步通過(guò)仿真穴居巴西無(wú)尾蝠夜間出洞的物理模型，疊加蝙蝠個(gè)體RCS 散射特性，開(kāi)發(fā)了合成極化脈沖多普勒雷達(dá)基帶信號(hào)的仿真方法［90］。

圖2 蝙蝠3D模型及全極化RCS仿真結(jié)果［89］Fig.2 3D model of bat and simulation results of fully polarized RCS［89］

4.2 遷飛動(dòng)物回波提取

天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后處理與傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理存在很大差異。傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理主要在快時(shí)間或慢時(shí)間內(nèi)對(duì)接收機(jī)采樣得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤或成像等任務(wù)。但業(yè)務(wù)運(yùn)行的天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中并不包含原始IQ原始數(shù)據(jù)，而是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行專門天氣信號(hào)處理過(guò)后的反射率因子、徑向速度、多普勒譜寬等每個(gè)雷達(dá)分辨單元的統(tǒng)計(jì)信息。并且天氣雷達(dá)對(duì)空間進(jìn)行多仰角全方位空域覆蓋掃描，使得天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含對(duì)整個(gè)空域的大范圍采樣，監(jiān)測(cè)的氣象、遷飛動(dòng)物、地物雜波等不同種類的雷達(dá)回波在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在不同的水平、垂直空間結(jié)構(gòu)特征。除此之外，由于天氣雷達(dá)全天候不間斷工作，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還存在時(shí)間連續(xù)性，不同種類的回波在天氣雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列中的時(shí)空態(tài)勢(shì)也存在較大區(qū)別。

對(duì)天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的遷飛動(dòng)物信息進(jìn)行解譯，需要對(duì)雷達(dá)回波種類進(jìn)行辨識(shí)，并從中提取遷飛動(dòng)物回波?，F(xiàn)有方法主要包括三類，第一類是依靠雷達(dá)極化數(shù)據(jù)特性從散射機(jī)理上區(qū)分遷飛動(dòng)物回波和氣象回波。該類方法對(duì)遷飛動(dòng)物回波的識(shí)別效果較好，但要求雷達(dá)系統(tǒng)必須具備雙極化監(jiān)測(cè)能力。

極化天氣雷達(dá)通過(guò)同時(shí)或交替發(fā)射水平、垂直線極化電磁波，在遇到目標(biāo)發(fā)生散射之后同時(shí)接收兩個(gè)極化分量，可得到目標(biāo)的極化散射特性。利用氣象粒子與遷飛動(dòng)物個(gè)體之間極化散射差異，可準(zhǔn)確區(qū)分目標(biāo)類別。對(duì)于鳥類和昆蟲來(lái)說(shuō)，兩者的極化測(cè)量參數(shù)之間存在統(tǒng)計(jì)差異，可由各項(xiàng)極化參數(shù)的判斷具體生物類別。在利用極化天氣雷達(dá)觀測(cè)颶風(fēng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中存在著部分回波差分反射率因子遠(yuǎn)高于氣象目標(biāo)，同時(shí)同極化相關(guān)系數(shù)很低，最終表明它們屬于生物回波［91］。極化天氣雷達(dá)中差分反射率的方差、與三維反射率結(jié)構(gòu)有關(guān)的變量，以及差分相移率對(duì)區(qū)分降水、非降水回波最為重要［92］。利用雙極化雷達(dá)對(duì)昆蟲和鳥類回波進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)生物回波極化參數(shù)明顯低于氣象回波，并且昆蟲和鳥類的雙極化參數(shù)差異較大，可以利用雙極化參數(shù)區(qū)分兩者［93］。進(jìn)一步，利用無(wú)監(jiān)督分層聚類分析方法并結(jié)合雙極化天氣雷達(dá)和燈誘昆蟲數(shù)據(jù)，可以對(duì)極化天氣雷達(dá)準(zhǔn)垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，利用雷達(dá)觀測(cè)值特征差異區(qū)分不同種昆蟲［94-95］，如圖3所示。

圖3 極化參數(shù)準(zhǔn)垂直廓線數(shù)據(jù)與昆蟲種類劃分結(jié)果［95］Fig.3 Data of quasi-vertical profiles of polarization parameters and results of insect species classification［95］

第二類是依靠雷達(dá)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策的方法判斷回波種類。該類方法依靠貝葉斯理論等統(tǒng)計(jì)決策模型，需積累大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建各種類回波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的概率密度分布情況，且大多僅考慮局部雷達(dá)測(cè)量參數(shù)對(duì)回波類型進(jìn)行判斷。在單極化天氣雷達(dá)無(wú)法簡(jiǎn)單通過(guò)閾值判斷的方法準(zhǔn)確區(qū)分回波類別的情況下，從概率學(xué)的角度采用統(tǒng)計(jì)決策理論的方法依靠貝葉斯決策理論的回波種類辨別技術(shù)開(kāi)始發(fā)展。對(duì)天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方式從以前側(cè)重去除非降水回波，逐漸過(guò)渡到天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中各種信息進(jìn)行充分解譯挖掘。發(fā)現(xiàn)平均反射率、速度數(shù)據(jù)覆蓋率、速度符號(hào)變化率等天氣雷達(dá)回波類型特征對(duì)回波分類非常重要［96］；然后利用大量包含真值的數(shù)據(jù)確定回波特征先驗(yàn)概率，依據(jù)貝葉斯統(tǒng)計(jì)決策理論得到基于回波特征的種類辨別公式［97］；并開(kāi)發(fā)了一種基于樸素貝葉斯分類器的天氣雷達(dá)回波類型識(shí)別方法，數(shù)據(jù)表明該分類器對(duì)降水回波可實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的準(zhǔn)確率［98］，如圖4所示。

圖4 基于貝葉斯分類器的天氣雷達(dá)回波分類辨識(shí)結(jié)果［98］Fig.4 Classification and identification results of weather radar echoes based on Bayesian classifier［98］

第三類是從雷達(dá)圖像角度依靠空間信息判斷回波種類。該類方法綜合考慮回波空間特征，對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)信息的利用率較高，對(duì)單極化天氣雷達(dá)回波分類能力比較好。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，圖像處理的手段開(kāi)始被引入天氣雷達(dá)回波分類提取領(lǐng)域，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可綜合利用天氣雷達(dá)海量歷史數(shù)據(jù)內(nèi)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，并綜合不同尺度內(nèi)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，可有效解決天氣雷達(dá)回波提取難題。將天氣雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)通過(guò)空間映射的方式轉(zhuǎn)換合成為雷達(dá)圖像，可以應(yīng)用圖像處理方法獲取空中生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［99］，并進(jìn)一步利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法基于數(shù)據(jù)特征、反射率垂直廓線、相鄰位置的徑向速度、速度譜寬等參數(shù)對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行分類［100-101］。應(yīng)用海量雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，其去除氣象回波的性能已經(jīng)超過(guò)傳統(tǒng)方法［102］，目前應(yīng)用廣泛的美國(guó)MistNet 天氣雷達(dá)遷飛生物回波識(shí)別模型中可識(shí)別95.9%的生物量［103］，如圖5所示。

圖5 MistNet天氣雷達(dá)鳥類遷飛回波提取網(wǎng)絡(luò)［103］Fig.5 MistNet weather radar bird migration echo extraction network［103］

4.3 遷飛動(dòng)物辨識(shí)反演方法

在完成遷飛動(dòng)物回波提取后，還需要對(duì)動(dòng)物回波的類型進(jìn)行判斷，區(qū)分昆蟲和鳥類。目前除雙極化天氣雷達(dá)可直接從遷飛動(dòng)物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中直接區(qū)分昆蟲和鳥類外，僅靠單極化天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)很難將昆蟲和鳥類區(qū)分開(kāi)，但可依靠目標(biāo)飛行空速、飛行高度、溫度等信息對(duì)遷飛動(dòng)物回波類型進(jìn)行細(xì)分。

目前辨別單極化天氣雷達(dá)遷飛動(dòng)物回波究竟是由昆蟲還是鳥類產(chǎn)生，主要依據(jù)空中目標(biāo)的凈飛行速度，也就是目標(biāo)的空速來(lái)判斷。目標(biāo)空速通常由雷達(dá)監(jiān)測(cè)的徑向速度通過(guò)VAD方式計(jì)算得到，減去探空氣球或者大氣再分析模型的背景風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到。昆蟲飛行能力一般弱于遷飛鳥類，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及仿真過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)兩者的飛行速度存在較大差異，雖然兩者的飛行速度分布存在一定重疊，但應(yīng)用門限監(jiān)測(cè)的方法可以判斷遷飛動(dòng)物的主要構(gòu)成。早在1991年，研究人員就已經(jīng)利用X 波段雷達(dá)對(duì)空中動(dòng)物開(kāi)展了大量觀測(cè)，并利用回波自相關(guān)提取目標(biāo)振翅頻率區(qū)分昆蟲和鳥類，發(fā)現(xiàn)昆蟲和鳥類的飛行速度區(qū)分界線大約在6 m/s［104］。除直接觀測(cè)外，還利用多種昆蟲和鳥類體型參數(shù)信息，通過(guò)飛行仿真模型軟件仿真了蟲鳥最小功率飛行的速度、最大航程時(shí)的速度以及平均飛行速度，最終認(rèn)定昆蟲和鳥類的最小功率飛行速度重合點(diǎn)5.5 m/s 和平均飛行速度重合點(diǎn)9 m/s之間為合適的速度辨別區(qū)間，其中以7 m/s作為檢測(cè)門限可以最小化昆蟲的影響，保留大部分鳥類［105］。而后大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)均表明，昆蟲空速在2～6 m/s 之間［106］，應(yīng)用5 m/s 至7 m/s 的空速門限可以較好地去除昆蟲活動(dòng)回波［107-109］。

2004 年開(kāi)始，研究人員開(kāi)始研究基于多普勒譜的氣象雷達(dá)目標(biāo)分類方法，從每個(gè)雷達(dá)空間分辨單元的原始雙極化IQ數(shù)據(jù)入手，利用非氣象目標(biāo)的譜型特點(diǎn)識(shí)別單個(gè)分辨單元內(nèi)的飛機(jī)、鳥類、昆蟲等多種目標(biāo)。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)飛機(jī)目標(biāo)在多普勒譜中有明顯螺旋槳旋轉(zhuǎn)旁瓣，并且不同飛機(jī)的多普勒譜存在差異［110-112］，進(jìn)一步對(duì)昆蟲和鳥類的極化多普勒譜特征進(jìn)行了細(xì)致的分析和研究［113］。通過(guò)分析S 波段雙極化天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在昆蟲和鳥類同時(shí)活動(dòng)的季節(jié)，在水平、垂直極化通道的多普勒譜中同時(shí)存在昆蟲和鳥類的兩個(gè)對(duì)應(yīng)不同平均速度的譜峰［114］。進(jìn)一步對(duì)沿距離向多普勒譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)昆蟲和鳥類的極化多普勒譜之間存在顯著差異，鳥類的極化譜峰差異較大，而昆蟲兩極化通道間的譜峰差異較為穩(wěn)定，基于這種方式可以對(duì)目標(biāo)類別進(jìn)行主觀判斷［115］。在此基礎(chǔ)上，提出譜速度方位顯示技術(shù)（Spectral Velocity Azimuth Display，SVAD）對(duì)極化多普勒譜進(jìn)行分析，由于群體飛行的昆蟲和鳥類各自的平均速度、方向和群體速度離散程度不同，可在SVAD 上觀察對(duì)群體昆蟲和鳥類進(jìn)行區(qū)分并分別估計(jì)其群體速度特征［116-117］。并提出利用極化通道間差分多普勒速度（Differential Doppler Velocities，DDVs）、譜估計(jì)參數(shù)等多種特征識(shí)別雷達(dá)回波中的昆蟲和鳥類的系列方法［118-119］，還進(jìn)一步應(yīng)用圖像處理技術(shù)從多普勒譜的速度、高度兩維數(shù)據(jù)識(shí)別昆蟲和鳥類［120］。

在明確遷飛動(dòng)物電磁散射特性并從天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中完成遷飛動(dòng)物回波提取后，需要對(duì)蟲鳥回波中的遷飛參數(shù)信息進(jìn)行反演和估計(jì)。目前可從天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取的遷飛參數(shù)主要包括反映空中生物數(shù)量信息的空中動(dòng)物密度，反映遷飛高度偏好的空中動(dòng)物密度垂直廓線、反映遷飛路線信息的遷飛方向及朝向。對(duì)于空中動(dòng)物密度，可將天氣雷達(dá)直接觀測(cè)的反射率因子轉(zhuǎn)換為雷達(dá)反射率，根據(jù)雷達(dá)反射率、目標(biāo)密度、目標(biāo)平均雷達(dá)截面積的關(guān)系定量空中動(dòng)物密度［121］；對(duì)于遷飛方向和朝向，可利用雷達(dá)極化參數(shù)中的方位向掃描的徑向速度反演遷飛動(dòng)物飛行方向，并利用相關(guān)系數(shù)關(guān)于對(duì)稱目標(biāo)軸向的方位對(duì)稱性估計(jì)頭部朝向，獲取遷飛動(dòng)物飛行參數(shù)的垂直剖面數(shù)據(jù)［122-124］。

4.4 外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

在建立遷飛動(dòng)物電磁散射模型，并應(yīng)用回波提取方法對(duì)天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)遷飛參數(shù)進(jìn)行估計(jì)后，需開(kāi)展外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，評(píng)估方法和模型的準(zhǔn)確性，為實(shí)際應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)和平均RCS等模型參數(shù)。目前可與天氣雷達(dá)遷飛動(dòng)物數(shù)量、密度進(jìn)行比較驗(yàn)證的技術(shù)手段包括望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)［27］、人工觀鳥記錄［125-126］、熱紅外相機(jī)［127］、聲學(xué)記錄器［128］、高分辨雷達(dá)［18，129-130］等多種方式。其中，天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的鳥類雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)與望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)和eBird 人工觀鳥記錄數(shù)據(jù)均顯著強(qiáng)相關(guān)，表明天氣雷達(dá)有潛力幫助理解遷飛系統(tǒng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)以及它們對(duì)氣候變化的響應(yīng)。而天氣雷達(dá)與熱紅外攝像機(jī)、聲學(xué)記錄器等夜間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高一致性表明天氣雷達(dá)可以提供了夜間遷飛強(qiáng)度，不受晝夜影響。高分辨雷達(dá)在獲取空中動(dòng)物數(shù)量、密度的同時(shí)，還可以獲得高度分布、飛行速度等信息，可實(shí)現(xiàn)定量對(duì)比驗(yàn)證的效果。天氣雷達(dá)與探鳥雷達(dá)、航海雷達(dá)等高分辨雷達(dá)的聯(lián)合觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果均表明天氣雷達(dá)可以作為定量觀測(cè)空中鳥類密度的可靠業(yè)務(wù)觀測(cè)手段，可以連續(xù)觀測(cè)宏觀鳥類生物流量。

4.5 宏觀遷飛模型

綜合天氣雷達(dá)網(wǎng)中每部雷達(dá)的局部監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以建立洲際尺度的宏觀生物遷飛模型，獲取遷飛動(dòng)物在大范圍內(nèi)的空間變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有助于解答宏觀生態(tài)學(xué)科學(xué)問(wèn)題［131］。將雷達(dá)多仰角掃描信息直觀整合為二維雷達(dá)反射率空間圖像，可獲取并評(píng)估大尺度動(dòng)物遷飛態(tài)勢(shì)，并分析影響動(dòng)物遷飛的區(qū)域和精細(xì)尺度因素［132］，可為北美紫燕等遷飛生物繁殖過(guò)程中的位置和動(dòng)態(tài)提供關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［133］。利用天氣雷達(dá)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值和遷飛流建模，可統(tǒng)計(jì)洲際尺度不同日期、時(shí)間夜間遷徙鳥類的密度、遷徙路線、空速和地速等宏觀生態(tài)數(shù)據(jù)，有助于在時(shí)間和空間上確定遷飛物候和長(zhǎng)期種群趨勢(shì)，并研究季節(jié)性決策模式和氣候變化對(duì)飛行策略的影響，填補(bǔ)鳥類年周期的知識(shí)空白［109，134-135］；結(jié)合軌跡模擬技術(shù)，可以進(jìn)一步對(duì)鳥類遷飛進(jìn)行72 小時(shí)預(yù)測(cè)［136］。利用法國(guó)比斯開(kāi)灣2015年春季5部天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)計(jì)算夜間遷飛鳥類的飛行方向和遷飛流量，發(fā)現(xiàn)春季鳥類進(jìn)行了跨海和跨陸地的遷飛，跨海遷飛距離最遠(yuǎn)可達(dá)500 km［137］。結(jié)合鳥類GPS數(shù)據(jù)，可以模擬它們的遷飛軌跡，發(fā)現(xiàn)區(qū)域性東風(fēng)調(diào)節(jié)著遷飛鳥類的流量，驗(yàn)證了氣候變化對(duì)食物鏈的連鎖效應(yīng)［138］。將天氣雷達(dá)網(wǎng)宏觀數(shù)據(jù)和遷飛動(dòng)物的晝間發(fā)生概率進(jìn)行建模分析，發(fā)現(xiàn)生物遷飛高度的風(fēng)速最能預(yù)測(cè)高峰遷飛強(qiáng)度［139］，氣候變化可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生連鎖影響［140］。

綜上所述，對(duì)于天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)難點(diǎn)，特別是天氣雷達(dá)空間分辨率低和存在氣象回波干擾等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了大量創(chuàng)新技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)電磁散射建模、遷飛動(dòng)物回波提取等技術(shù)，成功解析了遷飛動(dòng)物在雷達(dá)數(shù)據(jù)中的特征，提高了雷達(dá)在生態(tài)監(jiān)測(cè)中的性能。其中，對(duì)遷飛動(dòng)物的電磁散射建模涉及昆蟲、蝙蝠等多個(gè)目標(biāo)，通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證提供了可靠的散射信息。在回波提取方面，通過(guò)極化數(shù)據(jù)特性、統(tǒng)計(jì)決策模型以及圖像處理等方法，成功辨識(shí)了遷飛動(dòng)物回波，為生態(tài)學(xué)研究提供了數(shù)據(jù)支持。進(jìn)一步，針對(duì)遷飛動(dòng)物的辨識(shí)反演方法，通過(guò)目標(biāo)空速和雷達(dá)多普勒譜等信息，有效判斷了昆蟲和鳥類。外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明天氣雷達(dá)在遷飛動(dòng)物密度觀測(cè)上具有可靠性，而宏觀遷飛模型的構(gòu)建進(jìn)一步拓展了空中動(dòng)物遷飛研究的尺度和深度。這些技術(shù)難點(diǎn)的突破有望顯著提高天氣雷達(dá)在生態(tài)監(jiān)測(cè)中的性能和應(yīng)用前景。

5 中國(guó)天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

天氣雷達(dá)網(wǎng)作為我國(guó)氣象探測(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施，其雷達(dá)回波不僅包含空中云雨等氣象回波，還包含了大量的空中生物回波。2018 年，北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所聯(lián)合中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心等多家單位，獲批國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“面向動(dòng)物遷飛機(jī)理分析的高分辨多維協(xié)同雷達(dá)測(cè)量?jī)x”，研制動(dòng)物遷飛監(jiān)測(cè)專用雷達(dá)，并結(jié)合天氣雷達(dá)網(wǎng)開(kāi)展空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，推進(jìn)了中國(guó)天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)研究和科學(xué)應(yīng)用。

5.1 技術(shù)研究

利用高分辨雷達(dá)儀器獲取空中遷飛動(dòng)物真值信息，開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空中動(dòng)物回波識(shí)別、遷飛蟲鳥定量反演，和宏觀動(dòng)物遷飛的智能預(yù)測(cè)，促進(jìn)了天氣雷達(dá)生物監(jiān)測(cè)由定性向定量化發(fā)展，填補(bǔ)了我國(guó)天氣雷達(dá)用于空中生態(tài)監(jiān)測(cè)研究的空白，可為探索空中生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能、動(dòng)物遷飛動(dòng)力學(xué)行為機(jī)制、動(dòng)物宏觀遷飛規(guī)律等科學(xué)問(wèn)題提供基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

具體包括：

（1）天氣雷達(dá)遷飛生物智能識(shí)別模型

針對(duì)天氣雷達(dá)回波中存在多種云/雨/冰雹等氣象回波，難以挖掘海量雷達(dá)數(shù)據(jù)中鳥類、昆蟲等生物回波的問(wèn)題，提出結(jié)合編碼器解碼器結(jié)構(gòu)，利用擴(kuò)張卷積操作提取雷達(dá)回波多尺度特征（如低維特征：像素級(jí)的邊緣、角點(diǎn)、強(qiáng)度等細(xì)節(jié)特征；高維特征：網(wǎng)絡(luò)權(quán)重、形態(tài)等抽象的空間特征），綜合整體和局部特征權(quán)重，構(gòu)建天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)生物回波智能提取網(wǎng)絡(luò)［141］，如圖6 所示。并進(jìn)一步提出使用雙流卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，融合壓縮激勵(lì)模塊和帶孔金字塔池化等模塊，增強(qiáng)對(duì)特征圖的注意力并擴(kuò)展感受野，幫助網(wǎng)絡(luò)理解雷達(dá)圖像全局形狀信息［142］?；谖覈?guó)天氣雷達(dá)大量歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建由17 個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)6 年間11294 條數(shù)據(jù)構(gòu)成的生物回波數(shù)據(jù)集，完成生物回波智能提取網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練測(cè)試。該系列生物智能識(shí)別模型，可以應(yīng)對(duì)天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中復(fù)雜的天氣條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物遷飛回波的長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和提取，可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)宏觀生物遷飛強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)分析［143-144］。

圖6 天氣雷達(dá)生物回波提取網(wǎng)絡(luò)流程圖［141］Fig.6 Flow chart of weather radar biological echo extraction network［141］

（2）遷飛昆蟲和鳥類的生物密度精確反演算法

針對(duì)天氣雷達(dá)群體生物遷飛定量觀測(cè)誤差大的問(wèn)題，基于雷達(dá)觀測(cè)幾何關(guān)系與大尺度遷飛情況下動(dòng)物聚集成層的特點(diǎn)，構(gòu)建了其垂直反射率廓線與雷達(dá)觀測(cè)值之間的生物密度廓線觀測(cè)方程，引入正則化手段求解病態(tài)問(wèn)題，提高了遷飛動(dòng)物反射率垂直廓線反演的準(zhǔn)確度和分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物遷飛垂直密度廓線的準(zhǔn)確估計(jì)，使得天氣雷達(dá)對(duì)大尺度遷飛動(dòng)物的垂直分布觀測(cè)性能有了很大提高［145］。并且，針對(duì)天氣雷達(dá)昆蟲、鳥類定量監(jiān)測(cè)中生物密度映射關(guān)系不確定的問(wèn)題，分別在山東東營(yíng)農(nóng)科院基地和山東濟(jì)南開(kāi)展了高分辨昆蟲雷達(dá)、相控陣探鳥雷達(dá)和天氣雷達(dá)的聯(lián)合觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)天氣雷達(dá)反射率和空中遷飛昆蟲和鳥類密度之間的定量關(guān)系進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)探測(cè)。東營(yíng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中天氣雷達(dá)垂直累積反射率和昆蟲雷達(dá)密度的線性擬合結(jié)果對(duì)應(yīng)的平均RCS 為0.17 cm2，相關(guān)系數(shù)為0.63。濟(jì)南試驗(yàn)數(shù)據(jù)中秋季夜晚鳥類活動(dòng)頻繁，空間密度可達(dá)15只每立方千米，兩雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.91，且天氣雷達(dá)的垂直累積反射率和探鳥雷達(dá)監(jiān)測(cè)的鳥類累積密度在時(shí)間序列上較為吻合［146］，如圖7所示。兩項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表明天氣雷達(dá)可以作為定量監(jiān)測(cè)遷飛昆蟲和鳥類的新技術(shù)手段。此外，通過(guò)對(duì)昆蟲電磁散射特性的仿真并借助昆蟲雷達(dá)高分辨低盲距波形，可以開(kāi)展與天氣雷達(dá)的聯(lián)合觀測(cè)試驗(yàn)，確定雷達(dá)回波強(qiáng)度和生物量的映射關(guān)系［147-148］。

圖7 天氣雷達(dá)鳥類定量觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果［146］Fig.7 Results of quantitative observation of birds by weather radar［146］

（3）基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遷飛智能預(yù)測(cè)方法

針對(duì)洲際尺度生物遷飛趨勢(shì)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的問(wèn)題，利用圖卷積和門控循環(huán)單元獲取雷達(dá)站點(diǎn)間的時(shí)空相關(guān)性，結(jié)合注意力機(jī)制提高長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性，開(kāi)發(fā)了一套大尺度動(dòng)物遷飛時(shí)空預(yù)測(cè)方法，該方法預(yù)測(cè)時(shí)段最長(zhǎng)為6小時(shí)，輸入數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)時(shí)段之前6小時(shí)的遷飛強(qiáng)度以及預(yù)測(cè)時(shí)段前一天對(duì)應(yīng)6 小時(shí)時(shí)段的遷飛強(qiáng)度，同時(shí)利用近期段和周期段遷飛數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)遷飛強(qiáng)度?；?017 年秋季我國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)東部地區(qū)40 部S 波段天氣雷達(dá)30分鐘間隔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了該方法的預(yù)測(cè)效果，遷飛生物量的預(yù)測(cè)結(jié)果決定系數(shù)R2可達(dá)0.78，與傳統(tǒng)基于梯度提升樹(shù)的方法相比，生物量預(yù)測(cè)的均方根誤差降低了23%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，可以基于天氣雷達(dá)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)宏觀生物遷飛態(tài)勢(shì)的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)［149］，如圖8所示。

圖8 基于天氣雷達(dá)的宏觀遷飛預(yù)測(cè)方法［149］Fig.8 Macro migration prediction method based on weather radar［149］

5.2 科學(xué)應(yīng)用

基于以上技術(shù)研究成果，利用天氣雷達(dá)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)解析了渤海灣區(qū)域空中生物年際間、季節(jié)性跨海遷飛現(xiàn)象，為揭示渤海灣生物跨海遷飛物候規(guī)律提供關(guān)鍵支撐；獲得我國(guó)大尺度生物回遷收益態(tài)勢(shì)，為生物遷飛宏觀生態(tài)調(diào)控、蟲害預(yù)警防控等提供核心支撐。

具體包括：

（1）渤海灣跨海遷飛規(guī)律分析

渤海灣區(qū)域作為連接華北平原和東北平原的遷飛要道，通過(guò)分析近十年天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，計(jì)算了每個(gè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中單位時(shí)間和截線長(zhǎng)度的遷飛動(dòng)物總雷達(dá)反射率，即動(dòng)物遷飛率，并對(duì)各季節(jié)的動(dòng)物遷飛率進(jìn)行了時(shí)間累加，完成了生物遷飛總量的季節(jié)性變化規(guī)律評(píng)估，遷飛節(jié)律受氣溫的影響分析，和空中生物季節(jié)跨海遷飛策略分析。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)渤海灣區(qū)域與典型站點(diǎn)近十二年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)秋季的遷飛生物量相當(dāng)于春季的2.32倍，各年間年遷飛總量最高值和最低值的比值可達(dá)2.88，如圖9 所示。計(jì)算春、秋遷飛季節(jié)的遷飛總量和反映遷飛節(jié)律的遷飛高峰日，以大氣再分析數(shù)據(jù)中的地表溫度作為反映氣溫的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)春季溫度升高將導(dǎo)致春季北遷提前，而秋季溫度升高將導(dǎo)致南遷延后。此外，將渤海灣區(qū)域劃分為山東半島、渤海灣西側(cè)和遼東半島三部分，分別計(jì)算春、秋遷飛季節(jié)平均遷飛總量。結(jié)果表明，春季山東半島占渤海灣區(qū)域遷飛總量的55.7%，而在秋季遼東半島占遷飛總量的53%，渤海灣西側(cè)春秋季相差較小，分別為21.8%和32.2%，表明山東半島和遼東半島是渤海灣區(qū)域生物春、秋季遷飛的主要區(qū)域，進(jìn)一步反映了生物聚集到陸地邊緣然后集中遷飛的跨海遷飛策略。

圖9 生物遷飛率計(jì)算過(guò)程以及天津塘沽雷達(dá)站近12年統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.9 Calculation process of biological migration rate and statistical results of Tianjin Tanggu radar Station in recent 12 years

（2）全國(guó)遷飛態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析

利用覆蓋我國(guó)大部分城市地區(qū)的全國(guó)天氣雷達(dá)網(wǎng)，可以對(duì)全國(guó)生物遷飛態(tài)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)我國(guó)宏觀生物遷飛態(tài)勢(shì)進(jìn)行空間量化，并根據(jù)季節(jié)性遷飛量差異確定宏觀生物遷飛路線。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)我國(guó)2017 年秋季遷飛季超90 部天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)我國(guó)遷飛較強(qiáng)的地區(qū)主要位于華北平原以及湖北湖南地區(qū)，并發(fā)現(xiàn)在10月上旬有明顯的遷飛高峰區(qū)域由北向南移動(dòng)的過(guò)程，如圖10所示。分別計(jì)算春季北遷和秋季南遷累積生物量，然后根據(jù)春秋累積生物量比值確定秋季宏觀遷飛通道，發(fā)現(xiàn)除長(zhǎng)三角、長(zhǎng)江中游和山東半島外大部分區(qū)域秋季遷飛強(qiáng)度均大于春季，基于天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了我國(guó)有中部和東部?jī)蓷l主要的遷飛路線。

圖10 2017年秋季典型遷飛過(guò)程空間插值結(jié)果Fig.10 Spatial interpolation results of typical migration process in autumn 2017

總的來(lái)說(shuō)，以北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所為代表的多個(gè)中國(guó)天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)研究團(tuán)隊(duì)，在技術(shù)研究和科學(xué)應(yīng)用方面取得了一系列成果。研究團(tuán)隊(duì)提出了天氣雷達(dá)回波智能識(shí)別模型、生物密度反演算法和遷飛智能預(yù)測(cè)方法等針對(duì)中國(guó)天氣雷達(dá)的空中生態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，極大解決了雷達(dá)數(shù)據(jù)中的生物回波提取難、定量觀測(cè)誤差大等問(wèn)題。在科學(xué)應(yīng)用方面，揭示了渤海灣長(zhǎng)達(dá)十二年的生物遷飛規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)了全國(guó)范圍內(nèi)宏觀生物遷飛態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)。這一系列成果填補(bǔ)了中國(guó)天氣雷達(dá)在空中生態(tài)監(jiān)測(cè)方面的研究空白，為科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

6 未來(lái)發(fā)展方向

目前，天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)初具雛形，相關(guān)科學(xué)發(fā)現(xiàn)正逐步涌現(xiàn)。在監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，從微觀層面的遷飛動(dòng)物電磁散射建模，到單站雷達(dá)尺度的遷飛動(dòng)物回波提取和遷飛參數(shù)反演方法，以及相應(yīng)的外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，再到組網(wǎng)雷達(dá)的宏觀遷飛可視化及預(yù)測(cè)技術(shù)，天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)的全流程技術(shù)已經(jīng)基本可以滿足研究與應(yīng)用需求。在科學(xué)發(fā)現(xiàn)方面，已經(jīng)利用天氣雷達(dá)網(wǎng)開(kāi)展了大量昆蟲、鳥類和蝙蝠的遷飛規(guī)律研究，從遷飛強(qiáng)度受煙火、人造光源、日食等光照條件的影響機(jī)制，到動(dòng)物遷飛高度與溫度、風(fēng)場(chǎng)、地表類型等因素的關(guān)系，再到長(zhǎng)達(dá)十?dāng)?shù)年間的種群物候變化長(zhǎng)期規(guī)律，基于天氣雷達(dá)的空中生態(tài)研究已經(jīng)可以解答部分宏觀生態(tài)規(guī)律。

盡管天氣雷達(dá)在空中生態(tài)監(jiān)測(cè)研究方面已經(jīng)取得了一些成果，但是針對(duì)中國(guó)當(dāng)前農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測(cè)和鳥類遷飛宏觀監(jiān)測(cè)的重大需求，仍然需要進(jìn)一步突破遷飛動(dòng)物的精準(zhǔn)探測(cè)、信息反演和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)重大遷飛事件天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果的詳盡解讀，并分析宏觀遷飛的周期性規(guī)律以及遷飛動(dòng)物在不同氣象條件下的反應(yīng)，進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)天氣雷達(dá)在空中生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

（1）擴(kuò)維探測(cè)

當(dāng)前僅從天氣雷達(dá)譜矩估計(jì)產(chǎn)品的少量參數(shù)維度探測(cè)空中生物目標(biāo)，需要充分發(fā)揮雷達(dá)在多普勒、極化、頻段、觀測(cè)模式等多個(gè)測(cè)量維度的探測(cè)能力，提高空中生物目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別水平［115］。通過(guò)改造現(xiàn)有天氣雷達(dá)信號(hào)處理通道，融合多頻段和多極化雷達(dá)的多維探測(cè)信息，切實(shí)提高天氣雷達(dá)空中生態(tài)精細(xì)探測(cè)能力［150］。

（2）多參反演

天氣雷達(dá)對(duì)空中生物目標(biāo)的觀測(cè)視角單一，且目標(biāo)三維體型和散射介質(zhì)復(fù)雜且時(shí)變，造成參數(shù)反演信息量不足，限制了天氣雷達(dá)空中生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。未來(lái)可以在當(dāng)前雷達(dá)基數(shù)據(jù)參數(shù)反演技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在多普勒、多頻段、多極化、多觀測(cè)角度等多個(gè)維度提取目標(biāo)參數(shù)，開(kāi)展針對(duì)空中生態(tài)的多參反演技術(shù)研究，有望提高對(duì)空中動(dòng)物群體目標(biāo)的信息獲取能力。

（3）多源預(yù)測(cè)

宏觀生態(tài)變化過(guò)程受到風(fēng)場(chǎng)、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，同時(shí)還受地表高程、植被覆蓋等地理因素耦合影響，并且，宏觀遷飛行為還受到遷飛狀態(tài)的時(shí)間和空間連續(xù)演變規(guī)律的約束。因此，要精準(zhǔn)預(yù)測(cè)宏觀遷飛態(tài)勢(shì)，必須綜合考慮時(shí)間規(guī)律、各個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)之間的空間關(guān)系，以及大尺度風(fēng)溫背景場(chǎng)等信息，開(kāi)展針對(duì)空中生態(tài)的多源預(yù)測(cè)技術(shù)研究，提高天氣雷達(dá)空中生態(tài)的應(yīng)用價(jià)值。

未來(lái)，依靠天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步探索擴(kuò)維探測(cè)、多參反演，以及多源預(yù)測(cè)技術(shù)手段，有望進(jìn)一步提高空中昆蟲和鳥類種類辨識(shí)和參數(shù)反演能力，拓展和提升氣象監(jiān)測(cè)雷達(dá)在空中生態(tài)研究中的應(yīng)用價(jià)值，增強(qiáng)對(duì)空中生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知。