[论文解读] Ergodicity breaking and lack of a typical waiting time in area-restricted search of avian predators

Ohad Vilk, Yotam Orchan+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2021

Diffusion and Search Dynamics参考文献 3被引用 9

一句话总结

本研究揭示，鸟类捕食者在觅食斑块内的运动表现出亚扩散性与遍历性破坏，其停顿时间分布符合幂律分布且均值发散，表明不存在典型的停顿时间。基于70只个体的高分辨率GPS数据与连续时间随机游走建模，研究明确识别出局部区域受限搜索与大尺度迁徙之间的相变，挑战了动物运动中尺度无关的超扩散假设。

ABSTRACT

Movement tracks of wild animals frequently fit models of anomalous rather than simple diffusion, mostly reported as ergodic superdiffusive motion combining area-restricted search within a local patch and larger-scale commuting between patches, as highlighted by the Levy walk paradigm. Since Levy walks are scale invariant, superdiffusive motion is also expected within patches, yet investigation of such local movements has been precluded by the lack of accurate high-resolution data at this scale. Here, using rich high-resolution movement datasets ($>\! 7 imes 10^7$ localizations) from 70 individuals and continuous-time random walk modeling, we found subdiffusive behavior and ergodicity breaking in the localized movement of three species of avian predators. Small-scale, within-patch movement was qualitatively different, not inferrable and separated from large-scale inter-patch movement via a clear phase transition. Local search is characterized by long power-law-distributed waiting times with diverging mean, giving rise to ergodicity breaking in the form of considerable variability uniquely observed at this scale. This implies that wild animal movement is scale specific rather than scale free, with no typical waiting time at the local scale. Placing these findings in the context of the static-ambush to mobile-cruise foraging continuum, we verify predictions based on the hunting behavior of the study species and the constraints imposed by their prey.

研究动机与目标

• 探究鸟类捕食者在觅食斑块内的局部运动是否如Lévy游走范式所预测的那样呈现尺度无关的超扩散模式。
• 确定高分辨率运动数据是否在局部尺度上揭示亚扩散行为与遍历性破坏。
• 识别局部区域受限搜索与大尺度迁徙之间是否存在相分离的临界点。
• 评估捕食行为与猎物约束如何塑造所观察到的尺度特异性运动模式。

提出的方法

• 收集了来自三种鸟类捕食者物种的70只个体的高分辨率GPS追踪数据（>7×10^7次定位）。
• 应用连续时间随机游走（CTRW）模型，分析精细空间与时间尺度上的运动动态。
• 估算并拟合停顿时间分布至幂律函数，以检验停顿时间均值是否发散。
• 通过比较时间平均与系综平均的均方位移，评估遍历性破坏的存在性。
• 通过统计聚类与标度分析检测运动模式的变化，识别出局部运动与迁徙运动之间的相变。
• 结合静态伏击至移动巡航觅食连续谱的背景，解释研究发现，以验证行为预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高分辨率下，鸟类捕食者在斑块内的局部运动是否表现出超扩散或亚扩散特性？
• RQ2 是否存在遍历性破坏的证据，表现为非遍历行为及停顿时间均值发散？
• RQ3 局部区域受限搜索与大尺度迁徙之间是否存在明确的相变分离？
• RQ4 所观察到的运动模式是否与研究物种的觅食策略和猎物约束一致？

主要发现

• 在觅食斑块内的局部运动表现出亚扩散行为，与尺度无关的超扩散预期相矛盾。
• 通过时间平均与系综平均均方位移的显著差异，确认了遍历性破坏。
• 斑块内停顿时间服从幂律分布且均值发散，表明不存在典型的停顿时间。
• 明确的相变将局部区域受限搜索与大尺度迁徙分离开来，二者具有不同的运动模式。
• 运动的尺度特异性表明动物运动并非尺度无关，挑战了Lévy游走范式的普适性。
• 研究结果与研究物种的觅食行为和生态约束一致，支持从静态伏击到移动巡航觅食的连续谱理论。