Waterfowl on weather radar: applying ground-truth to classify and quantify bird movements

ABSTRACT Local and migratory movements aloft have important implications for the ecology and conservation of birds, but are difficult to quantify. Weather surveillance radar (WSR) offers a unique tool for observing movements of birds, but until now has been used primarily to address broad taxonomic questions. Herein, we demonstrate how natural history information and ground-truthing can be used to answer quantitative and taxon-specific questions regarding bird movements on WSR. We found that super-resolution Level II data from the National Oceanic and Atmospheric Administration's mass storage system was the most effective format and source of WSR data, and that several software packages were needed for thorough analysis of WSR data. Using WSR, we identified potential movements of birds emigrating from a waterfowl stopover area in Illinois in fall (1 September–31 December) 2006 and 2007. We compared spatial and temporal patterns of these movements to the natural history of taxa occupying the source habitat and classified these radar targets as dabbling ducks (tribe Anatini). A portable X-band radar measured the cruising heights of ducks at 400–600 m. During fall 2008, we conducted ground-truthing with a thermal infrared camera to enumerate birds passing over our field site during nocturnal migration events. This estimate of bird density, paired with an associated sample of WSR echo strength, provided a mean radar cross section the same as dabbling ducks (112.5 cm2) and supported our natural-history-based classification. Thermal infrared-estimated duck densities explained most of the variation (R2= 0.91) in WSR echo strength across seven migration events of varying intensities, suggesting that radar cross sections of dabbling ducks and WSR reflectivity can be used to estimate duck numbers in other comparable contexts. Our results suggest that careful investigation of the spatial and temporal patterns of movements on radar, along with field-based ground-truthing, can be used to study and quantify the movements of specific bird taxa. Los movimientos locales y migratorias de aves en vuelo tienen importantes implicaciones para la ecología y conservación de las aves, pero son difíciles de cuantificar. El radar para monitorear el tiempo (RMT) ofrece una herramienta única para la observación de los movimientos de las aves, pero hasta ahora ha sido usado principalmente para responder a preguntas taxonomicamente amplias. Aquí demostramos como la información sobre la historia natural y la verificación de campo pueden ser usadas para responder a preguntas cuantitativas y taxonomicamente específicas en términos de los movimientos de las aves en el RMT. Encontramos que los datos con una súper resolución de Nivel II del sistema de almacenamiento masivo del National Oceanic and Atmospheric Administration fue el formato y origen mas efectivo de datos del RMT. Una variedad de paquetes de software fueron necesarios para un análisis completo de los datos del RMT. Usando el RMT, identificamos movimientos potenciales de aves emigrando de un sitio de paso de aves acuáticas en Illinois en el otoño (1 de Septiembre-31 de Diciembre) del 2006 y 2007. Comparamos patrones espaciales y temporales de estos movimientos a la historia natural de taxones que ocupan el hábitat del sitio de origen y clasificamos estos puntos en el radar como aves del tribu Anatini. Un radar portátil de banda X midió la altura de vuelo crucero de patos, cual fue de 400–600 m. Durante el otoño del 2008 realizamos la verificación de campo con una cámara térmica infrarroja para contar las aves que estaban pasando encima de nuestro sitio durante los eventos de migración nocturna. Esta estimación de la densidad de las aves en combinación con una muestra de la fuerza del eco del RMT proveo un promedio de la muestra similar a la del tribu Anatini (112.5 cm2) y dio apoyo a nuestra clasificación basado en la historia natural. Las densidades de patos estimadas por la cámara térmica infrarroja explicaron la mayoría de la variación (R2= 0.91) en la fuerza del eco del RMT para siete eventos migratorios de intensidad variable, cual sugiere que las muestras del radar del tribu Anatini y la cantidad del reflejo del RMT pueden ser usadas para estimar los números de patos en otros contextos comparables. Nuestros resultados sugieren que una investigación cuidadosa de los patrones espaciales y temporales de los movimientos en el radar en combinación con la verificación de campo pueden ser usadas para el estudio y cuantificación de los movimientos de taxones específicos de aves.