Non-equilibrium early-warning signals for critical transitions in ecological systems

非平衡态热力学 熵产生 统计物理学 预警系统 政权更迭 熵(时间箭头) 物理 生态学 计算机科学 热力学 生态系统 生物 电信
作者
Li Xu,Denis Patterson,Simon A. Levin,Jin Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (5) 被引量:44
标识
DOI:10.1073/pnas.2218663120
摘要

Complex systems can exhibit sudden transitions or regime shifts from one stable state to another, typically referred to as critical transitions. It becomes a great challenge to identify a robust warning sufficiently early that action can be taken to avert a regime shift. We employ landscape-flux theory from nonequilibrium statistical mechanics as a general framework to quantify the global stability of ecological systems and provide warning signals for critical transitions. We quantify the average flux as the nonequilibrium driving force and the dynamical origin of the nonequilibrium transition while the entropy production rate as the nonequilibrium thermodynamic cost and thermodynamic origin of the nonequilibrium transition. Average flux, entropy production, nonequilibrium free energy, and time irreversibility quantified by the difference in cross-correlation functions forward and backward in time can serve as early warning signals for critical transitions much earlier than other conventional predictors. We utilize a classical shallow lake model as an exemplar for our early warning prediction. Our proposed method is general and can be readily applied to assess the resilience of many other ecological systems. The early warning signals proposed here can potentially predict critical transitions earlier than established methods and perhaps even sufficiently early to avert catastrophic shifts.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
量子星尘发布了新的文献求助30
1秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
2秒前
去码头整点薯条完成签到 ,获得积分10
2秒前
时代更迭完成签到 ,获得积分10
3秒前
4秒前
652183758完成签到 ,获得积分10
4秒前
活力酒窝完成签到 ,获得积分10
8秒前
lizuosheng1972完成签到,获得积分10
10秒前
12秒前
16秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
16秒前
16秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
18秒前
20秒前
andre20完成签到 ,获得积分10
21秒前
蔡从安完成签到,获得积分20
24秒前
爱学习的结香酱完成签到 ,获得积分20
28秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
29秒前
魁梧的觅松完成签到 ,获得积分10
29秒前
青水完成签到 ,获得积分10
30秒前
31秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
36秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
41秒前
lorentzh完成签到,获得积分10
43秒前
47秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
50秒前
在水一方应助King16采纳,获得10
51秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
53秒前
55秒前
科研摆渡人完成签到,获得积分10
56秒前
59秒前
lyw发布了新的文献求助10
1分钟前
量子星尘发布了新的文献求助10
1分钟前
King16发布了新的文献求助10
1分钟前
凌泉完成签到 ,获得积分10
1分钟前
量子星尘发布了新的文献求助10
1分钟前
魔幻沛菡完成签到 ,获得积分10
1分钟前
一颗红葡萄完成签到 ,获得积分10
1分钟前
搜集达人应助科研通管家采纳,获得10
1分钟前
安鹏应助科研通管家采纳,获得10
1分钟前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Encyclopedia of Forensic and Legal Medicine Third Edition 5000
Introduction to strong mixing conditions volume 1-3 5000
Agyptische Geschichte der 21.30. Dynastie 3000
„Semitische Wissenschaften“? 1510
从k到英国情人 1500
Cummings Otolaryngology Head and Neck Surgery 8th Edition 800
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 生物 医学 工程类 计算机科学 有机化学 物理 生物化学 纳米技术 复合材料 内科学 化学工程 人工智能 催化作用 遗传学 数学 基因 量子力学 物理化学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 5764867
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 5555863
关于积分的说明 15406689
捐赠科研通 4899790
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2635997
邀请新用户注册赠送积分活动 1584181
关于科研通互助平台的介绍 1539489