如何利用风：漂泊信天翁和帆船选手的相似运动策略

海上的风速与高度呈正相关，形成风梯度。许多大型海鸟如漂泊信天翁（Diomedea exulans）能够利用风梯度，从大气中获取机械能，从而减少飞行中振翅的次数，这一独特的飞行方式被称为动态翱翔（dynamic soaring）。在动态翱翔中，风影响着鸟类的行进速度和能量消耗。已有大量研究表明，具备动态翱翔的海鸟在觅食过程中倾向于利用侧风，以实现更高速的风行和更低的能量消耗。然而，在归巢时，“巢”是海鸟飞行的明确目标，目标方向与海鸟对侧风的偏好间可能产生冲突，特别是当目标与侧风方向不一致时，在这种情况下海鸟会使用什么策略来回巢呢？

帆船的航行机制与鸟类的动态翱翔之间存在相似性，尤其在风向对速度的影响上，帆船的运动速度同样在侧风中最大，而在顺风和逆风时减小。由于帆船的速度取决于风速，因此在帆船比赛时当目标位于顺风或逆风方向时，帆船选手通常会采用“时间最小化策略”，通过调整航向使帆船偏离目标方向，以更快地到达。

2024年5月，日本名古屋大学Yusuke Goto等组成的研究团队以“Albatrosses employ orientation and routing strategies similar to yacht racers”为题，以帆船运动中的“时间最小化策略”定性解释了漂泊信天翁的归巢策略。该研究发表在美国科学院院报（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。

动态翱翔时鸟类表现出周期性的运动，即在风梯度的内部上下移动。根据动态翱翔的数量，作者将漂泊信天翁的运动分为三个尺度：宏观（macro）、介观（meso）、微观（micro）。微观尺度仅包含一个动态翱翔周期，对于漂泊信天翁，其持续时间约为10秒，飞行的距离最远可达200米；介观尺度包含了几十个动态翱翔，持续数分钟，跨越数公里，较微观尺度大十倍；宏观尺度则包含几千个动态翱翔，持续数小时，可覆盖数百公里，较介观尺度大百倍。

基于帆船运作中的“时间最小化策略”，即速度越快越好（VMC：Velocity Made good on Course），作者预测，当目标位于顺风方向或逆风方向时，漂泊信天翁：

1）在介观尺度上偏离目标飞行； 

2）在宏观尺度上增加转弯次数。

如图1所示，作者收集了来自法国南太平洋属地克洛泽群岛（Crozet Islands）繁殖的149只漂泊信天翁的跟踪数据（平均2 min记录一次数据，共407659个数据点）和2020年Vendée Globe帆船比赛中28名参赛选手的跟踪数据（平均30 min记录一次数据，共102922个数据点）。

强风影响下

漂泊信天翁和帆船运动速度的相似性

漂泊信天翁和帆船都主要在南纬40°至60°运动，并持续暴露在强风中，漂泊信天翁飞行中的平均风速为8.7 ± 3.4 m/s，帆船运动时的平均风速为8.1 ± 3.0 m/s。通过连接两个连续数据点计算得到漂泊信天翁和帆船的速度和方向如图2所示，漂泊信天翁和帆船在两个数据点之间运动的平均距离分别为1.5 ± 0.6 km和12.1 ± 3.4 km。漂泊信天翁的平均运动速度为12.4 ± 5.2 m/s，帆船的平均运动速度为6. 7 ± 1.9 m/s。漂泊信天翁和帆船的极坐标图呈相似的蝴蝶状（如图2A、2B）。

图2 强风影响下漂泊信天翁和帆船速度的二维直方图

漂泊信天翁（A）和帆船（B）对地速度的二维直方图，（A）中每小格代表1 m/s，（B）中每小格代表0.5 m/s，颜色表示每格中数据点的数量。白线表示通过将广义相加模型（GAM）应用于数据后所得到的极坐标图，其中实线表示风速为9 m/s，点线表示风速为6 m/s，虚线表示风速为12 m/s。

漂泊信天翁和帆船运动模式的相似性

作者将漂泊信天翁的繁殖岛作为其“目标”，将位于东经115°08′09″的检查点（图1F）作为帆船选手的“目标”，分别分析漂泊信天翁和帆船距离目标500 km范围内的运动轨迹。

介观尺度上，作者的第一个猜测得到验证。如图3D和3E，展示了帆船和漂泊信天翁在不同风向下相对目标的运动方向直方图，当目标位于顺风方向时，帆船和漂泊信天翁的运动方向均偏离目标，而对于漂泊信天翁，当目标位于逆风方向时运动方向同样偏离目标。

宏观尺度上，作者的第二个猜测同样得到验证。如图3F所示，当目标位于下风或逆风方向时，帆船和漂泊信天翁的运动轨迹呈之字，而当目标位于横风方向时，二者的运动轨迹呈直线。图3G和3H展示了帆船和漂泊信天翁的转弯发生率（TOR，Turn Occurrence Rates），可见目标位于顺风或逆风方向时，二者的转弯发生率增加。

图3 基于VMC的漂泊信天翁运动预测与跟踪数据检验

（A）VMC的定义；（B）每种风况下最大VMC时的运动方向。蓝色箭头表示风向，橙色箭头指向目标方向，黑色箭头表示最大VMC时的运动方向；（C）根据最大VMC策略预测的宏观尺度运动模式。红点代表转向点；（D和E）帆船（D）和漂泊信天翁（E）相对于目标方向的运动方向直方图，每一行表示相对于目标方向的不同风向。直方图由图1中的数据生成（距离终点线或巢500公里范围内），橙色箭头表示目标方向。青色的扇形表示相对于目标方向的风向范围，黑色箭头表示最大VMC方向，由轨迹数据获得的极坐标图计算得出，粉红色的实线表示基于BIC选择模型得出的对轨道方向估计分布，粉红色的虚线 表示消耗成本一定但运动距离最长时的运动方向；箭头和分布分别对应目标方向相对于风向（θp）呈0°、± 30°、 ± 60°、 ± 90°、 ± 120°、 ± 150°和180°，漂泊信天翁经历的风速为8.7 m/s，帆船经历的风速为8.9 m/s，均为距离目标500 km内的平均风速；（F）距离目标500 km范围内帆船和信天翁的运动轨迹（黑色实线），橙线代表比赛中的中间检查站（可看作目标终点），橙点代表鸟类的巢；蓝色箭头代表风向，红点代表转向点；当目标位于顺风和逆风 （第一、三、五行）时，与侧风条件（第二和四行）相比，二者运动均发生了更多的转向；帆船（G）和漂泊信天翁（H）的TOR，x轴代表θp，y轴代表据目标的距离，运动轨迹以浅灰色显示，转弯处用红边框的白点指示，热图表示根据数据估计的TOR；（I）距离目标100 km（实线）和400 km（虚线）时的TOR，阴影区域表示75%置信区间，青色代表帆船，粉色代表信天翁。

漂泊信天翁和帆船的运动具有一定差异

图3I展示了二者距离目标100 km和400 km时的转弯发生率，漂泊信天翁在接近目标时转弯发生率明显增加。同时，漂泊信天翁的实际飞行方向（图3E中直方图）与“时间最小化策略”下的运动方向（图3E中黑色箭头）有一定偏差，这意味着对于归巢的漂泊信天翁，时间可能不是唯一的飞行成本，仅是在飞行过程中需要最小化的变量之一。

漂泊信天翁等海鸟能够利用风实现动态翱翔。归巢时，漂泊信天翁的运动轨迹显示出直线和之字形两种变化，这与帆船运动时的轨迹类似。通过分析漂泊信天翁和帆船的轨迹数据，作者探索了这种可变性产生的原因，并发现风向对漂泊信天翁和帆船的运动起到重要作用。当目标位于侧风方向，二者采取直线路线；当目标位于逆风或顺风方向，则可能为了缩短到达目标的时间而采取之字形路线。漂泊信天翁与帆船选手的决策一致性，提示了人类运动可能为运动生态学研究提供新思路。