Article title: Acoustic masking of blue whale calls by ship noise in Northern Chilean Patagonia

技术摘要：北智利巴塔哥尼亚地区船舶噪声对蓝鲸鸣叫声的声学掩蔽作用

问题陈述
人为水下噪声通过声学掩蔽减少了通信空间，对须鲸构成了显著威胁。北智利巴塔哥尼亚（NCP）是濒危物种东南太平洋蓝鲸（Balaenoptera musculus）的关键觅食地，但该区域也经历了大量的航运交通重叠。虽然先前的研究已经记录了该地区鲸类栖息地与船舶交通的空间重叠，并确立了噪声掩蔽的一般机制，但尚无研究量化过船舶噪声对该地区蓝鲸通信空间的具体影响。此外，现有的掩蔽研究通常依赖于模拟动物运动（animats），而非实证数据。本研究旨在填补理解当前航运条件下，东南太平洋蓝鲸通信掩蔽在时间与空间上的变异性的知识空白，并评估船舶减速（8 节和 10 节限速）作为缓解策略的潜在功效。

研究方法
本研究采用了一种声学掩蔽建模框架，并结合了四头经卫星标记的蓝鲸（B12、B13、B14 和 B15）以及 2019 年 2 月 4 日至 6 月 16 日期间收集的自动识别系统（AIS）船舶数据。

• 数据来源：

  • 鲸类轨迹： 利用卫星标记提供的实时运动数据，通过连续时间相关随机游走模型进行处理，以解释观测误差和海洋学变量。
  • 船舶数据： AIS 数据提供了船舶坐标、类别、长度和速度。船舶轨迹被抽取为 10 分钟间隔的航点。
  • 环境数据： 从 NCEP/NOAA 获取风速数据，用于模拟自然环境背景噪声。

• 建模方法：

  • 通信空间估算： 基于 Clark 等人（2009）的框架，计算了两种鸣叫类型的“发送者通信空间”（即声学通信可发生的最大区域）：远距离“歌咏鸣叫”（20–25 Hz）和短距离“D-calls”（38–88 Hz）。
  • 传播模型： 使用了介于球面扩散和柱面扩散之间的传播损失模型，并结合了来自 GEBCO 的地形数据。假设声源级对于歌咏鸣叫为 174 dB，对于 D-calls 为 166 dB。
  • 掩蔽计算： 在围绕鲸类轨迹的潜在接收器网格上计算信号剩余（Signal Excess, SE）。通过比较自然风噪声条件与包含船舶噪声条件下的通信空间，得出通信空间损失（$CS_{loss}$）和掩蔽程度（$M_s$）。
  • 情景设定： 模型模拟了四种情况：(a) 仅有风噪声；(b) 风噪声 + 当前船舶噪声；(c) 风噪声 + 实施 10 节限速后的船舶噪声；(d) 风噪声 + 实施 8 节限速后的船舶噪声。

关键结果

• 当前掩蔽水平： 在当前的船舶交通条件下，船舶噪声使四头被标记鲸类的歌咏鸣叫通信空间平均减少了 25%，D-calls 通信空间减少了 47%。
• 最大影响： 峰值掩蔽分别达到了歌咏鸣叫的 68.4% 和 D-calls 的 97.3%。
• 变异性： 掩蔽程度随时间和空间发生显著变化，受鲸类位置、地形、风况和船舶交通密度的影响。由于 D-calls 的声源级较低且频率较高，限制了其传播范围，因此 D-calls 经历的掩蔽程度始终高于歌咏鸣叫。
• 船舶规模影响： 长度大于 100 米的船舶产生的的中位掩蔽最高（歌咏鸣叫为 29%，D-calls 为 50%）。这比 51–100 米船舶产生的歌咏鸣叫掩蔽高出四倍以上，且对 D-calls 的影响超过两倍。
• 限速功效：
  • 实施 10 节限速 后，歌咏鸣叫的中位掩蔽降至 16–27%，D-calls 降至 33–43%。
  • 实施 8 节限速 后，根据特定鲸类轨迹的不同，歌咏鸣叫的中位掩蔽进一步降至 5–9%，D-calls 降至 22–32%。
  • 对于较小类别的船舶（<100 米），8 节限速导致歌咏鸣叫的掩蔽率为 0%。

意义与主张
作者声称，本研究是首个利用真实蓝鲸运动轨迹而非模拟动物（animats）来估算通信掩蔽的研究，从而更真实地评估了通信空间损失在时空上的变异性。

研究结论认为：

1. 船舶减速是一种有效的双重目的缓解措施。 将速度降低至 8 节或 10 节，可以同时减少声学掩蔽并降低致命船舶碰撞的风险，特别是对于对噪声和死亡率贡献最大的大型船舶。
2. D-calls 受到的影响不成比例。 D-calls 的高度掩蔽表明，船舶噪声特别损害了近距离的社会交流和觅食协调，而这些行为在这一觅食地至关重要。
3. 管理启示。 将速度管理纳入北智利巴塔哥尼亚地区的保护策略中，可以提供显著的生态效益。本研究支持将限速（特别是 8 节限速）作为减轻该关键蓝鲸栖息地航运声学足迹的可行策略。