瓶鼻海豚(侯雯)
台灣東部海域常見的齒鯨之一:瓶鼻海豚。圖片:台大鯨豚實驗室提供。攝影:侯雯。

廣闊大海,鯨豚恣意遨遊,但是鯨豚海上調查,對研究人員來說卻是費力且費時;好天氣出海必須忍受烈日曝曬,壞天氣出海則得抵抗胃內的翻騰。有時在海上搜尋半天,卻找不著半隻鯨豚的蹤影。還有甚麼方法可以幫助我們收集更多鯨豚的資料呢?所幸,鯨豚是個愛發聲的動物,牠們在能見度不佳的水下環境透過聲音聯繫、探測環境。因此,透過聽海洋中的聲音可以協助我們尋找鯨豚,從聲音的變化也可以推測鯨豚行為是否改變。近年來科技發展,許多新穎的海下設備也可以協助研究者收集長時間的水下錄音了。從2012年開始,台大鯨豚實驗室林子皓等人開始利用水下設備進行鯨豚的聲音紀錄觀察,並且獲得了讓研究團隊驚喜的發現,2015年4月發表於PLOS ONE國際期刊中。

從媽祖的順風耳 傾聽太平洋的鯨豚生態韻律

撰文:林子皓(國立台灣大學生態學與演化生物學研究所博士後研究員、台灣聲景協會)、余欣怡(國立台灣大學生態學與演化生物學研究所博士候選人、中華鯨豚協會)

海面下鯨豚都在做些什麼?

台灣東部海域擁有極為豐富的鯨豚資源,常見的鯨豚包含花紋海豚、長吻飛旋海豚、熱帶斑海豚、弗氏海豚、瓶鼻海豚,偶爾還可見到偽虎鯨、短肢領航鯨、真海豚,甚至是虎鯨。然而,我們對生活在黑潮中的鯨豚其實所知甚少,例如:各種鯨豚在白天、晚上的活動情形是否有所不同?各種鯨豚有特別偏好的活動時間嗎?鯨豚種類的組成會不會隨著春、夏、秋、冬四季而隨之變動?還是受到東北季風和西南季風的轉換而影響?

一直以來,要觀測鯨豚大多是研究者搭船憑自己的眼力來尋找、跟蹤鯨豚,但目視觀察只能在海況平穩時進行,否則惡劣的海況可能會影響觀察員搜尋鯨豚的能力。因此,台灣海域在強勁東北季風吹襲的秋、冬季,鮮少能夠出海進行觀測。除此之外,觀察員也只能在白天進行搜尋,對於夜晚的鯨豚生態仍是一無所知。

媽祖順風耳傾聽黑潮之聲

幸好,科技總能帶來新的突破。

近年來,隨著海下技術與演算法的進步,研究人員開始利用水下錄音機,來竊聽海洋中的鯨豚聲音,也就是所謂的「被動式聲學監測」。中央氣象局也在2011年啟用「台灣東部海域海纜觀測系統」,又名「媽祖計畫」(MACHO)。這套海纜觀測系統,除了可以監測地震活動來減低台灣受到海嘯的威脅之外,系統中也連接一組高解析度的水下麥克風,能夠收錄包含超音波範圍的各種聲音,讓研究者具備有如媽祖身旁大將順風耳的能力,可在岸上即時收聽宜蘭外海的水下錄音,每天二十四小時、全年無休的傳播黑潮之聲。

[聽聲音] whistle哨聲

像極了鳥鳴啾啾的鯨豚哨聲,音調起伏且多變。但和鳥類的差別是:不同種類的鯨豚很難單靠幾句哨聲辨識出發聲的種類,雖然各種鯨豚因為體型大小的差異而會使用不同音頻特徵的哨聲,但鯨豚在進行各種行為的哨聲變化相當大,目前要利用音頻特徵來推斷偵測到的種類都還讓全世界的研究者們頭疼。

處理巨量資料的幫手:「極大值偵測器」

只是,海纜系統傳回的資料量龐大,每天就有將近65GB!這1440分鐘的錄音如果土法煉鋼透過人力去耳聽、分析,就像電影「模擬遊戲」中使用人力去破解敵軍利用機器建構出的密碼一樣難以進行。

由於目前在東部海域所建置的鯨豚聲音資料庫,仍極度缺乏足夠的水下錄音,很難透過既有的資料來偵測MACHO所收錄到的各種鯨豚哨聲。為了解決這個問題,台灣大學鯨豚研究室的博士後研究員林子皓,一反過去利用既有資料模板進行偵測的方法,開發出可以偵測各種具有哨聲特質的「極大值偵測器」,針對聲音頻譜中具狹窄頻寬且連續出現的訊號分析其尖峰頻率;如果尖峰頻率在一定的時間與頻率範圍內出現的密度高於偵測閾值則將之儲存起來。

簡單來說,只要聽起來像是哨聲,時間長度又夠長,就先不管可能是何種神祕動物的聲音,都先記錄下來。研究團隊決定,與其現在一一去比對手上極少數的資料,先將各種鯨豚哨聲片段,從巨量資料中偵測、保存下來,留待未來資料庫建置完成之後再比對鯨豚種類。

MACHO帶來的驚喜發現

仔細聽著MACHO所傳回的水下錄音,有時可聆聽到一連串清脆的「脈衝聲波」,這是台灣周遭海域常見的齒鯨(包含花紋海豚、長吻飛旋海豚、熱帶斑海豚、弗氏海豚、瓶鼻海豚、偽虎鯨、短肢領航鯨、真海豚、虎鯨等)利用回聲定位搜尋獵物時所發出的聲波。研究發現,齒鯨在追捕獵物的最後階段,特別會利用間隔極短的脈衝聲波來持續鎖定獵物,以在一片黑暗的深海環境中準確且有效的覓食。

台大鯨豚實驗室研究團隊將根據MACHO錄音所獲得的研究成果,發表於2015年4月的PLOS ONE期刊。文中指出,透過自動化分析MACHO收錄的大量錄音,研究團隊驚喜的發現,原來在宜蘭外海約300公尺深的海域中,齒鯨最常在日落後聚集於此,並且頻繁的使用密集脈衝聲波,但在白天偵測到這些密集脈衝聲波的機率卻大幅降低。這項結果顯示,宜蘭外海的齒鯨可能常在日落過後覓食搜尋、捕捉獵物;但在白天則是主要進行移動、休息等行為。

被動式聲學監測,突破了過去我們只能在白天搭船觀察的盲點,透過水下監聽才發現日落過後的鯨豚活動更頻繁,而且記錄到更多在白天所觀察不到的野外覓食行為,大幅增進我們對牠們日常作息的了解。

[聽聲音] burst-pulse 脈衝聲波

齒鯨所發出的一連串脈衝聲波,脈衝聲波的間隔有時較長、有時則逐漸縮短。齒鯨在追捕獵物的最後階段,會不斷發出脈衝聲波來近距離追蹤獵物的位置,此時間隔極短的脈衝聲波在頻譜上會呈現出特殊的音頻特徵,研究人員便可以此辨識出鯨豚覓食行為的時間。

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從MACHO所偵測到的齒鯨密集脈衝聲波(a)和哨叫聲(b)在一年之中各個小時的時間長度,顏色越接近黃、紅色,代表偵測到的聲音數量越多。可以觀察到大多數的聲音都在日落之後(黑色虛線)和日出之前(白色虛線)被偵測到。圖片:林子皓提供。

鯨豚活動可能有季節性週期變化

從整年度的水下錄音中也發現,偵測到齒鯨哨聲的時間長度隨季節而變,夏季偵測哨聲的時間較為短暫,相反的,在冬季錄音中偵測哨聲的機會反而較高。由於哨聲被偵測到的機率可能和齒鯨進入到監測範圍活動的頻繁度以及逗留時間的長度有關,顯示宜蘭外海的齒鯨活動可能有明顯的季節性週期變化。

由於台灣東部海域的黑潮路徑在不同季節之間改變,加上冬季東北季風和夏季西南季風的交替,研究團隊推測海洋環境的季節性變化可能是影響宜蘭外海鯨豚活動頻度與行為的關鍵因素。

哨聲音頻在冬春兩季較低沉複雜 推測此時鯨豚更為多樣

另一方面,從齒鯨哨聲的音頻特徵、曲譜複雜度和結構來看,當地齒鯨所使用的哨聲音頻在冬、春兩季較為低沉,且冬季所偵測到的哨聲曲譜較夏季更為複雜,且序列結構多變。初步和研究團隊所收集到的少量鯨豚錄音進行比對,可以推測哨聲的季節變化可能和鯨豚種類組成在各個季節之間的變化有關。

研究團隊進一步推測可能在冬、春季的錄音中較容易偵測到體型略大、音頻較低的齒鯨(如:偽虎鯨),但在夏季偵測到體型較小、音頻較高的小型齒鯨(如:長吻飛旋海豚、熱帶斑海豚)機會較高。我們經常在海況較好的夏季出海賞鯨,往往只注意到那不斷跳躍旋轉的飛旋海豚,但其實宜蘭海域的鯨豚多樣性之高,冬、春季也許更有機會在白浪滔滔之中欣賞到更多不同的鯨豚種類。

MACHO在2014年5月已因疑似附近海域漁船作業導致器材損壞,無法傳回水下錄音,讓研究團隊在東部海域喪失了珍貴的順風耳。但從MACHO過去所傳回的錄音中,我們已經「聽」到東部的鯨豚資源除了豐富之外,更蘊含許多變化和韻律。白天、夜晚不同時段、各個季節內的鯨豚種類與行為都可能呈現不同風貌,還等待我們持續去發現、學習,了解太平洋的這些海中精靈如何與黑潮共舞。

研究團隊:台大鯨豚實驗室林子皓、余欣怡、陳琪芳、周蓮香