基于耦合映像格子的时空离散捕食系统混沌路径上的斑图自组织与转变

In recent years, the researchers developed a new coupled map lattice model and applied it to investigate the pattern self-organization in space- and time-discrete predator-prey systems. However, in exhibiting the pattern diversity, most of research works focused on qualitative analysis, and few were relative to quantitative investigation. Based on previous research, the present study applies the coupled map lattice to further quantitatively investigate the pattern self-organization and pattern transition in space- and time-discrete predator-prey systems. First, the multi-scale method is utilized to conduct amplitude equations for the coupled map lattice, which is applied for studying pattern selection and pattern stability. On this basis, numerical analyses are performed to quantitatively investigate the regularity of pattern transition on the routes to chaos and the sensitivity of pattern transition to parameter variations. Lastly, the method of Turing instability analysis is improved for complex coupled map lattices under multi-processes coupling. Simultaneously, the influences of population migration and cross-diffusion on pattern transitions on the routes to chaos are also studied. The present study firstly explores the pattern self-organization mechanisms and pattern transition regularity on the routes to chaos in space- and time-discrete predator-prey systems. And the results founded for spatiotemporal complexity can not only contribute to reveal the evolution regularity of predator-prey systems in fragmented habitats, but also provide theoretical basis for predicting spatiotemporal dynamical behaviors of the space- and time-discrete predator-prey systems.

近年来，研究者们发展了新的耦合映像格子模型，将之应用于时空离散捕食系统的斑图自组织研究，在揭示时空复杂性上取得了一些进展。然而，在展现斑图多样性时，相关进展多侧重定性分析，少有涉及定量研究。基于前人工作，本研究应用耦合映像格子进一步开展时空离散捕食系统斑图自组织和转变的定量化研究。研究利用多尺度分析法，推导出耦合映像格子的振幅方程，研究斑图选择和斑图稳定性；在此基础上，通过数值分析定量化研究混沌路径上斑图的转变规律以及对参数变化的敏感性；最后，针对多过程耦合下的复杂耦合映像格子，完善其图灵失稳分析方法，并研究种群迁移和交叉扩散对混沌路径上斑图转变的影响。本研究首次对时空离散捕食系统混沌路径上的斑图自组织机制和斑图转变规律进行定量化探索，所发现的时空复杂性结果，不但有助于揭示碎片化生境下捕食系统的演变规律，还可为预测时空离散捕食系统的时空动力学行为提供理论基础。

捕食系统的非线性动力学是几十年来广受关注的热点问题。近年来，研究者们发展出耦合映像格子模型研究捕食系统的斑图自组织，在揭示时空复杂性上取得了进展。然而，相关研究在斑图选择、稳定性和时空混沌特征分析等方面还存在空白。基于前人工作，本研究应用耦合映像格子进一步开展时空离散捕食系统斑图自组织和转变的定量化研究。研究结果如下：.（1）针对时空离散反应扩散迁移捕食系统构建三链耦合映像格子模型，发现了捕食者和食饵种群在扩散和迁移驱动机制下产生的丰富有精细自组织结构的图灵和非图灵斑图，探讨了种群迁移对于混沌路径上斑图形成和斑图转变的影响，揭示了捕食系统新的非线性特征和时空复杂性。.（2）针对基于摩尔邻体结构的种群扩散情形，分析了时空离散捕食系统的纯图灵失稳、Neimark-Sacker-图灵失稳和倍周期-图灵失稳等三种非线性机制，探讨了种群扩散驱动空间对称性破缺机制下的斑图自组织形成，再现了前人研究的斑图基本类型，揭示了新的时空混沌斑图。.（3）针对时空离散捕食系统的耦合映像格子模型，首次建立连续近似系统研究斑图选择的方法，该近似系统展现了耦合映像格子的高度非线性和捕食系统的交叉扩散特性；通过振幅方程推导、斑图失稳分析和数值模拟验证，成功预测了离散系统的六边形、条形和六边形-条形斑图的形成。.（4）针对时空离散捕食系统在混沌路径上的时空动态和斑图转变，通过Kolmogorov–Sinai熵、时空振幅等方法探讨了了斑图的特性，并对时空混沌进行了定量分析，揭示了捕食系统在混沌路径上的斑图转变模式。.本研究首次对时空离散捕食系统混沌路径上的斑图自组织和转变进行定量化探索，研究结果不但有助于揭示碎片化生境下捕食系统的时空复杂性规律，还可为生态系统演变预测和生态修复技术研发提供基础理论和方法。