A probabilistic cellular automata approach for predator–prey interactions of arrowtooth flounder (Atheresthes stomias) and walleye pollock (Theragra chalcogramma) in the eastern Bering Sea

We developed a hybrid cellular automata (CA) modelling approach to explore the dynamics of a key predator- prey interaction in a marine system; our study is motivated by the quest for better understanding of the scale and heteroge- neity-related effects on the arrowtooth flounder (Atheresthes stomias) and walleye pollock (Theragra chalcogramma) dynam- ics during the summer feeding season in the eastern Bering Sea (EBS), but can be readily extended to other systems. The spatially explicit and probabilistic CA model incorporates individual behaviours and strategies and local interactions among species, as well as spatial and temporal heterogeneity due to geographical and (or) environmental changes in the physical environment. The model is hybridized, with an individual-based model (IBM) approach for increasing its capacity and con- tinuum and for balancing between computational efficiency and model validity, which makes it suitable for simulating pred- ator-prey dynamics in a large, complex ecological environment. We focus on the functional and aggregative responses of predators to prey density at different spatial scales, the effects of individual behaviours, and the impacts of systematic heter- ogeneity. Simulations from the model with suitable parameter values share qualitatively similar features found in field obser- vations, e.g., local aggregations around hydrographical features. Spatial heterogeneity is an important aspect of whether local-scale functional and aggregative responses reflect those operating over large, or global, scales. Resume : Nous avons mis au point une modelisation de type automate cellulaire (CA) hybride afin d'explorer la dyna- mique d'une interaction predateur-proie essentielle dans un systeme marin; notre etude cherche a mieux comprendre l'e- chelle et les effets associes a l'heterogeneite dans la dynamique de la plie a grande bouche (Atheresthes stomias )e t de la goberge de l'Alaska (Theragra chalcogramma) durant la saison estivale d'alimentation dans l'est de la mer de Bering (EBS); notre methodologie peut s'appliquer facilement a d'autres systemes. Le modele CA, qui est spatialement explicite et probabiliste, incorpore les comportements et les strategies individuels, les interactions locales entre les especes, de meme que l'heterogeneite spatiale et temporelle due aux changements geographiques et (ou) environnementaux dans le milieu phy- sique. Le modele est hybride avec un modele base sur l'individu (IBM) afin d'augmenter sa capacite et son continuum et pour etablir un equilibre entre l'efficacite informatique et la validite du modele, ce qui le rend approprie pour simuler la dy- namique predateur-proie dans un milieu ecologique complexe et de grande taille. Nous nous interessons particulierement aux reactions fonctionnelles et agregatives des predateurs en fonction de la densite des proies a differentes echelles spatiales, aux effets des comportements individuels et aux impacts de l'heterogeneite systematique. Les simulations produites par le modele avec des valeurs appropriees des parametres presentent des caracteristiques communes qualitativement semblables a celles observees sur le terrain, par ex., les agregations locales autour des structures hydrologiques. L'heterogeneite spatiale est un aspect important a considerer lorsqu'on veut determiner si les reactions fonctionnelles et agregatives observees a l'e- chelle locale representent bien celles qui agissent aux echelles plus larges ou globales. (Traduit par la Redaction)