2010年11月6日 星期六

【非關科學】鷹蹤顯影--氣象雷達的第二春

這是這一期經典雜誌實驗傳奇的內容,
剛好搭配灰面鵟鷹赤腹鷹過境,看看氣象雷達能否追蹤老鷹的飛行路徑。

照片在這
http://www.rhythmsmonthly.com/?p=10256

這期比較有趣的地方
是跟著長榮的同學住在社頂梅花鹿保育區工作站,
跟三個小男生同住一間,真是無福消受啊:p

因為在梅花鹿保育區,
早上四點多起床到廁所的時候,聽到「刷」的很大一聲,
一群梅花鹿在廁所外面被嚇到跑走。我也嚇了一跳馬上清醒。

我在山上記者兼保母,要負責煮三餐,
看銷路還不錯:p
管理員還會叫我提醒同學曬衣繩不要掛外面之類的。

這次最困難的,就是整篇文章一開始要有一張主照片,
主照片就是要把整個文章的概念呈現出來,
也就是要有「老鷹」和「雷達」。

但當老鷹飛到雷達那邊,高度就太高了,
根本拍不到,我開玩笑跟攝影說,抓一隻到雷達站放開讓他飛,
我攝影竟然認真的沉思起可能性,
我趕快叫他不要想了,用插畫就好了。

所以各位如果有機會翻翻雜誌,就會看到很壯觀的插畫。
這是我們插畫家自己畫的,完全沒有範本可以參考!
更厲害的是,插畫家完全沒跟我講到半句話,
靠著我傳話給編輯、編輯傳話給美術總監、美術總監再傳話給插畫家。
一有問題,就是插畫家問美術總監、美術總監再問編輯、編輯再問我。

這樣N級傳播竟然也完成了這麼美麗的插畫。大家去書店一定要翻翻囉!

還有當初標題我下「雷達很忙」!結果瞬間被否決。
經典真的是太規矩了@@

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作家張小嫻說: 「守候的本身,便是愛情, 不需要有任何的結果。」守候的甘苦,遠距的戀人知道,等候鷹群過境的賞鳥人也嘗過。墾丁社頂公園凌霄亭從九月起就有多雙熱切的眼睛仰望天空,深怕錯過猛禽遷徙。

「讚讚讚讚讚讚讚!」台灣猛禽研究會的大哥拿起大砲鏡頭,快門機關槍式地連發。我以為有什麼好東西,順著方向看去,一隻一臉跩樣的林鵰在樹頭上打盹。九月初的這天,除了幾隻家燕、日本松雀鷹和零星的鳥兒,沒看到半隻主角──赤腹鷹(Accipiter soloensis )和灰面鵟鷹(Butastur indicus )。但「空等」似乎不減損賞鳥人的熱情,據說這些人患了「鳥癌」、中了「鳥毒」,就算望著天空都能飲鴆止渴。

凌霄亭上還有幾張不太甘願的臉,除了每七、八分鐘起身對天空拍照,其餘時間就鬆著臉、眼神失焦地飄著。這些是長榮大學環境資訊研究中心賴信志教授的學生,不甘願是有原因的,平日打電動到半夜好幾點的小宅男,被要求早上四點起床。

四個人靠著一台不太靈光的手排重機車,由一個會認路的同學來回三趟,把其他成員從住宿的社頂工作站運送到社頂公園停車場。路途不遠,但要在漆黑中穿越大小石頭及雨後冒出的小瀑布時還頗令人心驚。沿途還會跳出幾隻想不開的梅花鹿、各種各樣的蛇、用獠牙挖著樹根的山豬、加上民間流傳的鬼故事,讓這段路顯得十分漫長。之後還要靠比月光還微弱的手電筒,摸黑走過泥濘溼滑的山路,才能到達賞鳥視野最好的凌霄亭。

雷達怎麼賞鳥
這幾個小朋友做的事情很簡單,就是利用魚眼相機拍天空的雲。這是「墾丁國家公園猛禽遷徙資訊系統建置計畫」(簡稱「鳥計畫」)的一部分。簡單說來,整個計畫想利用墾丁氣象雷達站的回波資料來辨識猛禽,進一步歸納猛禽產生的回波訊息。如果順利的話,未來也許能作為特定猛禽抵台的預報系統。

墾丁氣象雷達外表像顆綠色的足球,內部是碟狀天線。天線隨碟子朝著不同仰角、方位轉動,並主動發出電磁波束,電磁波撞擊到空氣中的物質產生回波,雷達再自己接收回波,然後得到半徑兩百五十公里左右的水氣分布情形。

關鍵字是「物質」!雷達不會告訴你打出的電磁波撞到了什麼,可能是氣象局想要的水氣分布,也有可能是飛機、高山、鳥群等等。對報氣象的人來說,地形、飛機、鳥群所產生的是「雜訊」,但對鳥計畫來說,若能辨識哪些雜訊就是要觀察的鳥,這些雜訊就能垃圾變黃金,成為生態研究上的要角。

台灣四個氣象雷達全為「都卜勒雷達」, 就是應用都卜勒效應( T h e Doppler Effect)的雷達。都卜勒效應告訴我們,為何在睡夢中也打得到蚊子。當「嗡嗡」頻率越高,就算不用睜眼就知道牠飛近了,頻率低就知道牠飛遠了。

蚊子當然不會故意「嗡」得比較尖銳讓你打牠。拍打翅膀的「嗡嗡」頻率是固定的。造成我們聽覺的差異,就是都卜勒效應。都卜勒效應除了適用在聲波,也適用於由雷達所發出的電磁波。

拜都卜勒效應所賜,雷達不僅能從回波強度得知物質的分布,還能判斷「徑向速度」,也就是物質朝雷達方向的移動速度,以及回波的分散程度(如果電磁波撞擊到的是同一種物質,彈回的回波組成單純,分散度就小;如果夾雜著水氣、飛機等等,分散度就會大。可以藉此判斷回波中是否有多種物質)。

氣象雷達賞鳥史
台灣從二○○二年起,矮胖如綠色蘑菇的墾丁氣象雷達有了氣象觀測外的第二專長──觀測猛禽。主要是當地過境猛禽──灰面鵟鷹和赤腹鷹的觀測。

因為這兩種鳥是墾丁的明星物種,也是台灣少數長期監測的動物,有足夠的背景知識可以應用。另外,台灣大學森林環境暨資源學系丁宗蘇教授分析,想用雷達觀測鳥類有幾個前提:第一,背景要乾淨,例如在海上。若在地形地貌複雜的陸上,就有過多雜訊干擾;第二,鳥的飛行高度要夠高。就算在海上低空飛行,還是有海面雜訊干擾。所以飛彈都強調低空飛行,才不容易被對方雷達攔截;第三,雷達回波要夠強。最好就是大隻、大群遷徙的鳥類。

台灣符合這些前提的鳥種寥寥可數。灰面鵟鷹和赤腹鷹靠垂直熱對流滑行,能夠飛得高,閃掉地面雜訊干擾;牠們體型夠大,又有集結遷徙行為,尤其在秋季出海時特別明顯;最重要的是,這兩種鳥又非常配合地錯開時間抵台──秋季時赤腹鷹九月抵台,而灰面鵟鷹在十月;春季,灰面鵟鷹三月抵台,赤腹鷹在四月。衡量各項限制和條件後發現,這兩種猛禽很適合雷達觀測。

屏東科技大學野生動物保育研究所孫元勳教授,帶領學生利用氣象雷達進行灰面鵟鷹調查。那時尚未研發軟體將雷達圖上的水氣資料過濾掉,所以是用肉眼在雷達圖圈出「鷹河」位置。

直到這兩年,「鳥計畫」由中央大學太空科學研究所潘貞杰所長(在接這計畫前,他只認識鴿子和白鷺鷥),和長榮大學環境資訊研究中心賴信志主任合作,才帶入資訊處理的概念,利用全天空相
機、電腦軟體把水氣資料濾掉,剩下清晰的雜訊,進一步歸納雜訊的模式。

鳥計畫用的概念是這樣的:首先,研究團隊有氣象雷達資料,其中包含了水氣、海浪、雜訊。在地面上,雷達雜訊可能來自鳥群或是地形地物,但在海面上,沒有地形地物的干擾,因此研究人員覺得可以大略判斷雜訊就是鳥類。

另外,鳥計畫還用了全天空和魚眼相機,記錄雲分布的情形。若將天空照片中「沒有雲」的地方,比對同時段雷達圖中的同個位置,發現雷達圖中出現訊號,因為相片告訴你當時沒有雲,就可以推斷雷達回波訊號就是鳥群。大量累積無雲狀態時雷達圖的雜訊,就可以找到鳥群模式,把這模式拿來訓練電腦,將來電腦就可以自動辨識鳥的位置。

這計畫還有幾個衍生目標像是利用回波強度計算鳥的數量。配合地面調查,可以估算多強的回波值代表多少鳥。數鳥任務鳥的數量調查一直很令人頭大。當今科技可以複製生物、排列原子,但卻算不出鳥有多少隻。過去地面調查,礙於人力有限,因此有漏算的可能,外加大群過境時,整個天空成千上百隻鳥,根本就眼花來不及算。

鳥計畫想找出雷達回波強度和鳥數量的關係,但雷達的解析度還不足以辨識種類,既然不知道種類又怎麼能夠算數量呢?人工、雷達兩個方法都有限制,很難推算對應的數值。賴信志教授說,這個方法誤差還太大,不過一個研究的成功與否,要連同設備本身限制一併考量,不是要求研究能達到完美,而是要看能否把擁有的資源發揮到最好。

這兩年馬來西亞大學的研究生也來墾丁賞鷹,透過拍照協助數鳥,用電腦影像分析其中的黑點以計算數量。但是,畢竟鳥群不像高速公路車流只會順著一個方向飛,牠們可能會閃過攝影機、或是不斷搶鏡頭,而造成計數上的誤差。

此外,擁有大量遙測資源的中央大學,也發現衛星影像可能派得上用場。雖然衛星一天只經過台灣一次,但可以藉著照片上不同地區的反射率判斷哪兒是田、哪裡是河。研究團隊發現赤腹鷹和灰面鵟鷹過夜的地方,由於排泄物遍布的關係,棲息地的反射率在衛星影像上略有差異。研究團隊很開心,希望能藉由反射率追蹤棲息地並推算數量。

但要準確測量排泄物的反射率,需要有一張A4紙大小的排泄物。剛好特有生物保育中心撿到一隻受傷的灰面鵟鷹,但這隻鳥吃少拉少,好不容易集滿一張A4大小的排泄物,馬上冷凍宅配到中央大學太空科學所研究。然而,想「比對」特定物種的排泄物反射率,就代表要鳥類排泄物反射率的資料庫。要這些太空科學學者「不務正業」地蒐集鳥糞建立資料庫,似乎也太辛苦。

不少媒體對「預測」、「預報」、「監測」搞不清楚,認為鳥計畫是猛禽「預報」系統,可以在猛禽來台前即時通知賞鳥人,免得槓龜。「這不是預報系統,」墾丁國家公園管理處技士,也是計畫發起人之一的蔡乙榮告訴我,「目前它只能每小時告知鳥群現在位置、移動速度。」但若能更長期監測,搭配專業預報人才,是有機會成為猛禽預報系統的。

不論是氣象或是地震,想做到「預報」,就要有大量的監測基礎。鳥計畫這兩年都還在進行監測工作,想達到預報目的,準確告訴賞鳥人何時、什麼鳥種、多少數量、從哪個方向、會抵達何處,這計畫還必須克服不少限制。最大的限制,就是雷達無法辨識鳥種。在台灣,灰面鵟鷹和赤腹鷹的行為和過境時間不同,所以得以藉此區分,但這不是雷達的功勞,而是奠基於鳥類本身的行為和長期的地面調查。

無法辨識種類,除了影響數量計算,也連帶影響這方法的使用範圍。研究人員告訴我,當猛禽南遷時,如果聯合其他國家的監測資料,會是很廣大的監測利器。但是,其他國家鳥種組成跟我們不一樣,不見得能夠如此順利區分。

另外,鳥計畫僅採用墾丁氣象雷達資訊,但是墾丁雷達北面有老佛山擋著,只能看見南邊海面上、進入陸地前的春季北返鳥兒,和秋季已經出海後的鳥兒。所以,墾丁雷達也許可以預報猛禽何時抵達墾丁,但想在北部看鳥的人,就要自己推算鳥群從墾丁飛到北部的時間,然後就看天候和鳥兒賞不賞臉了。

提出這些難關絕不是要打擊研究人員,而是表達對他們的敬意。生態研究比其他科學領域更多限制,外加台灣彆腳的生態研究環境、不少人摩拳擦掌等著潑冷水,這些學者和賞鳥人士仍保有源源不絕的創意和熱情,勇敢走出「舒服區」,尋找和其他領域的人對話合作的機會,實屬難能可貴。丁宗蘇教授很用力地告訴我:「一定要鼓勵!」


十月中,我和攝影記者又回到社頂。長榮大學剩鍾文鴻同學留守凌霄亭。一個月不見,鍾文鴻滔滔不絕講著最近發生的大小事。某個颱風夜,一隻躲雨的龜殼花跑到宿舍裡;他早上爬山時差點弄壞人面蜘蛛的網子,又輕描淡寫帶過下雨摔車的事;最後還提醒要去滿州觀落鷹(觀看集體降落棲息的老鷹)的我們,記得回報鳥況給數鳥的大哥。短短一個月,這個小朋友已經完全沒有當初沒飯吃也心心念念要打Wii的宅男影子了。

出發前兩天,聽說灰面鵟鷹瘋狂飛一早上,數量高達七千隻。我們滿懷期望地下了墾丁,卻發現一朵厚厚的積雨雲跟在頭上,一夥人在大鐵棚下躲雨,當然是什麼也沒看到。隔天早上六點我們又出發到凌霄亭,可惜也沒什麼鳥,但賞鳥的人仍捧著大砲相機,保持高度興奮狀態,不斷碎念著「來了來了!再靠近點吧!」或「喔!這個讚!」比少女等待偶像還要熱切。

正失望沒看到幾隻鳥時,接到墾丁雷達站鄧財文博士的電話,他關切又開心地問:「有看到鳥吧?我在雷達上也有看到喔!」後來我們去雷達站找他,他指著藍花花的雷達圖上一條亮藍色細線說:「這是大概二十幾公里的鷹河。」我回想了一下雷達掃瞄的時間,同個時間地點,我們在凌霄亭只看見了不到十隻的灰面鵟鷹,令我不禁有點擔心雷達和人類視野的落差。

下午,我們又到了滿州,一對從高雄來滿州觀落鷹的夫婦告訴我,可能是因為今年還沒有落山風,所以鷹群不需要集體躲在滿州這個背風處,而可以到處停棲。聊著聊著,一個臉頰深凹、戴著太陽眼鏡的老伯賣力踩著骨頭快散了的腳踏車迎向我們。就在窄窄的田間小路中央,當自己家一樣停了下來,不顧後面卡著一台要通過的黑色轎車。

老伯遞給我們一張B 4的紙,上面印了幾則賞鷹新聞,用準備吵架的音量安慰我們 :「沒關係,明年春天去八卦山看!」然後又用力踩著「嘰嘰喳喳」的腳踏車發著自製的「賞鷹快訊」。我心裡升起一股暖意,因為這群過境的鳥兒,將不分地區、不同背景的人串連了起來。在台灣的南端,雖然天空不作美、鳥兒不賞臉,但是,遇到這麼多可愛的人們,空等一場也值得。