Saharská poušť (SD)
během 1950-2015 pozorovaný index klimatu ukazuje, že SDOBS-Clim pokrývá asi 9,5 × 106 km2 v celé severní Africe (obr. 1a a tabulka 1), v rozsahu, který uvádí Tucker et al.6. SDOBS-Clim má obecnou expanzi během 1950-2015, asi 11,000 km2 / rok a zvyšuje 8% během 1950-2015, což je obecně v souladu s předchozími studiami2. Jižní hranice SDOBS-Clim postupuje na jih asi 100 km od roku 1950 do roku 2015 (obr. 1b). Tato obecná expanze však není časově konstantní. Oblasti Sahelu zažily dramatickou změnu z mokrých podmínek v padesátých letech na mnohem suchší podmínky v 80. letech, poté se částečně zotavily po 80. letech.během 1980s15,28 byl identifikován posun klimatického režimu. Na rozdíl od předchozích studií SD, které identifikují pouze jeden trend za celé studijní období, rok 1984, je v této studii identifikován jako body obratu podle Eq. (9) pro označení období rozšíření SD-smršťování. V souladu s klimatickým posunem má SD expanzi 35 000 km2 / rok (p < 0,01, Mann – Kendallův test) v letech 1950-1984 a zmenšení 12 000 km2 / rok (p < 0,01) v letech 1984-2015 (obr. 1f). K největšímu rozšíření na jih dochází v letech 1950-1984, přičemž jižní hranice SD se rozšiřuje o 170 km a celková expanze 1 200 000 km2 (asi dvojnásobek plochy Francie).
Saharská poušť (SD) rozsah a změna hranic na základě indexů klimatu a vegetace. a) klimatické zóny severní Afriky byly v průměru v letech 1950-2015. SD southern boundary changes based on climate index from (b) observation and (c) CFS/SSiB4 simulation during 1950-2015, and (d) CFS/SSiB4 simulation during 2015-2050. Pozorované a simulované (e) časové řady A (f) trend rozsahu SD definovaný indexy klimatu a vegetace. Chybové sloupce v písmenu f) udávají jednu směrodatnou odchylku vzhledem k rozsahu ne vegetačního kritéria založeného na LAI 0,08-0,12 m2 / m2. * in (f) označuje hodnotu s významnou úrovní při p < 0,01 (Mann-Kendallův test). Obrázek včetně map v (a-d) jsou vytvořeny NCL (verze 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
simulované klimatické indexy správně reprodukují rozsah SD a jeho změny v průběhu let 1950-2015 (Tabulka 1). Časové řady SDCFS / SSiB2-Clim a SDCFS/SSiB4-Clim jsou dobře korelovány s SDOBS-Clim (obr. 1e), přičemž Časové korelace jsou větší než 0.71 (p < 0,01, pětiletý provozní průměr). Modely CFS generují přibližně 7600 km2/rok (CFS/SSiB2, p = 0.02) a 8000 km2/rok (CFS/SSiB4, p < 0.01) rozšíření od roku 1950 do roku 2015, doprovázené rozšířením jižních hranic o 70 km (CFS/ SSiB4, obr. 1c). Mezitím modely správně reprodukovat SD smršťování rychlost během 1984-2015. Jak CFS / SSiB2, tak CFS/SSiB4 však podceňují míru expanze před rokem 1984 přibližně o 30%. V Sahelu se orná půda a pastviny v 80. letech rozšířily o 30% ve srovnání s tím v 50. letech12 kvůli nadměrné pastvě, odlesňování a špatnému hospodaření s půdou8, 10. Experiment s více modely prokázal přínos využívání půdy a změny půdního pokryvu (LULCC)k suchu během 80. let, což by mělo způsobit degradaci půdy12. Tento antropogenní účinek v této simulaci CFS chybí, což může vést k podcenění rychlosti expanze SD během let 1950-1984. Navíc trvale méně změn v simulaci CFS/SSiB2 ve srovnání se změnami v CFS/SSiB4 v SD a po ArcTG ukazuje význam obousměrné zpětné vazby vegetace a klimatu při změně tvaru půdy. Modely CFS reprodukují až 70% pozorovaného trendu expanze v letech 1950-1984 bez ohledu na LULCC u modelů. Mezitím, během období smršťování SD, zatímco nedošlo k žádnému pozoruhodnému LULCC, modely CFS jsou schopny reprodukovat pozorovaný trend smršťování. Klimatické faktory proto dominují změnám SD ve srovnání s jinými účinky, jako je LULCC.
pro budoucí projekci do roku 2050 se scénářem RCP (Representative Concentration Pathway) 4.5 Mezivládního panelu pro změnu klimatu 5th Assessment Report (AR5), který je schopen provádět pouze CFS, simulované indexy klimatu ukazují, že bez LULCC se SD dále rozšíří asi o 6000 km2/rok (p = 0,18 pro CFS/SSiB2 a p = 0,15 pro CFS/SSiB4). Předpokládá se asymetrický posun hranic, s asi 40 km na sever v západním Sahelu a 60 km na jih ve východním Sahelu (obr. 1d). V budoucí projekci se předpokládá, že teplota Sahelu bude o 1, 8 °C teplejší než průměr v letech 1986-2015. Navzdory předpokládanému nárůstu srážek v polovině 21. století dominuje vysoké odpařování vyvolané oteplováním a činí oblast sušší a poskytuje expanzi SD. Tepelný stres na sahelském ekosystému je v KTC dobře zastoupen a má důležité důsledky pro budoucí projekci. Mezitím předpokládaná heterogenní distribuce anomálií srážek vede k různým rizikům dezertifikace pro různé Sahelské země.
na rozdíl od předchozích podobných studií jsme v této studii také použili vegetační indexy odvozené z pozorování a spojený klimaticko-ekosystémový model k posouzení rozšíření SD a jeho změny, což poskytuje jasnější geografickou definici a lze jej použít ke křížovému ověření výsledků z klimatického indexu. Tento ekosystémový model byl rozsáhle hodnocen pro svůj výkon na variabilitě a trendech severoamerických a globálních ekosystémů15, 30. Zaměstnáváme rozsah 0.08-0.12 m2 / m2 jako ne vegetační kritérium pro výpočet rozsahu SD a jeho odchylky s přiřazeným rozsahem LAI. Pozorované a simulované střední zeměpisné rozsahy SD (SDOBS-Veg a SDSSiB4-Veg) založené na tomto rozmezí jsou 9,5 × 106 km2 a 9,6 × 106 km2, s hranicemi téměř shodnými s hranicemi založenými na jejich odpovídajících klimatických indexech (obr. 1a).
SDOBS-Veg začíná v roce 1980, kdy jsou k dispozici satelitní data a zaznamenává období obnovy SD. V letech 1984-2015 vykazuje SDOBS-Veg snížení o 10 000 ± 2000 km2 / rok (p < 0.01), v blízkosti změny založené na SDOBS-Clim (12 000 km2 / rok, obr. 1e, f). Simulovaný SDCFS / SSiB4-Veg je přibližně stejný jako klimatický index s expanzí 8000 ± 800 km2/rok (p < 0.01) během 1950-2015. V letech 2015-2050 SDCFS / SSiB4-Veg předpokládal expanzi 6900 ± 600 km2 / rok (p = 0,14), která se blíží expanzi odvozené z klimatického indexu. Kromě toho je časová řada SDCFS/SSiB4-Veg také v souladu s SDCFS/SSiB4-Clim s korelačním koeficientem 0,73 (p < 0,01) (obr. 1e, f) pro celé období 1950-2050.
jižní hranice SDCFS / SSiB4-Veg se během let 1950-2015 rozšiřuje o 90 km na jih a během let 2015-2050 bude postupovat o 40 km dále na jih ve východním Sahelu. V západním Sahelu se v letech 2015-2050 nepředpokládá žádná významná změna, která by se lišila od projekce založené na klimatickém indexu. CFS / SSiB2 používá zadané LAI. Proto nelze na základě vegetačního indexu provést žádné hodnocení. Se dvěma definicemi křížově vyhodnocujeme nejistotu při posuzování / projektování rozšíření SD kvůli dvěma různým definicím a ukazujeme, že jsou obecně konzistentní. Některé nesrovnalosti jsou pravděpodobně způsobeny chybami v Lai odvozených ze satelitů a simulovanými proměnnými klimatu a vegetace v řídké vegetační oblasti31.
Arktida
zrychlená míra oteplování v polárních oblastech a intenzivní interakce mezi klimatem a vegetací, sněhem a ledovcem vedly v posledních desetiletích k pozoruhodným změnám stavu půdy v oblasti ArcTG (Lloyd et al., 2003; Swann et al., 2010; Schaefer a kol., 2011; Pearson a kol., 2013; Frost a Epstein, 2014), ale zprávy o změně tvaru půdy v kontinentálním měřítku chybí. Pozorovaný index klimatu ukazuje, že průměrný ArcTGOBS-Clim pokrývá 5,7 × 106 km2 v letech 1950-2015 (obr. 2a a tabulka 1) a je snížena rychlostí 14 000 km2 / rok (p < 0,01, celkem 16% během tohoto období, o oblasti Britské Kolumbie, Kanada) monotonicky od roku 1950 do roku 2015 v reakci na globální oteplování (obr. 3c,d). Smršťovací rychlost se zrychluje po 80. letech. smršťování je doprovázeno hraničním ústupem po celém polárním kruhu (obr. 2b): 60 km poleward v Severní Americe a 40 km poleward v Eurasii v letech 1950-2015.
arktická Tundra-ledovec (ArcTG) rozsah a změna hranic na základě indexu klimatu. a) arktické klimatické zóny byly v průměru v letech 1950-2015. Změny hranic ArcTG založené na klimatickém Indexu z (b) pozorování a (c) simulace CFS/SSiB4 během 1950-2015 a (d) simulace CFS/SSiB4 během 2015-2050. Obrázky včetně map v (a-d) jsou vytvořeny NCL (verze 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Arctic Tundra-Glacier (ArcTG) rozsah a změna hranic na základě vegetačního indexu a srovnání. Změny ArcTG založené na CFS / SSiB4 simulovaném vegetačním indexu během (a) 1950-2015 a (b) 2015-2050. Pozorovaný a simulovaný rozsah ArcTG (c) časové řady A (d) trendy založené na indexech klimatu a vegetace. * in (d) označuje hodnotu s významnou úrovní při p < 0,01 (Mann-Kendallův test). Údaje včetně map v písmenech a) A d) jsou generovány NCL (verze 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
modely obecně reprodukují pokrytí ArcTG a jeho změny na základě klimatického indexu během let 1950-2015 (Tabulka 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim klesá na 10 000 km2 / rok (p < 0,01) během 1950-2015, s hraničními ústupy o 50 km v Severní Americe a 30 km v Eurasii (obr. 2c), v souladu s, ale nižší než ArcTGOBS-Clim. CFS/SSiB2 se stanovenými vegetačními podmínkami však reprodukuje pouze jednu třetinu pozorované a CFS / SSiB4 simulované míry redukce (obr. 3d). Nedostatek ukládání černého uhlíku a emisí skleníkových plynů v CFS může přispět k nesrovnalostem. V Arktidě se uvádí, že člověkem indukovaný černý uhlík na sněhu urychluje oteplovací účinek zvýšením povrchového radiačního vynucení32. Nedostatek emisí skleníkových plynů v důsledku zvýšeného dýchání uhlíku v půdě může také přispět k podcenění atmosférického oteplování3, 33. Vylepšené dýchání uhlíku v půdě pochází z rozmrazeného permafrostu, kde mikrobiální rozpad zvyšuje dýchání CO2 a metan proudí do atmosféry. To zase zesiluje rychlost atmosférického oteplování a dále urychluje degradaci permafrostu, což má za následek pozitivní zpětnou vazbu uhlíku permafrostu. Mezitím oteplovací teplota a zvýšená koncentrace CO2 v atmosféře způsobují obohacení keřů a stromů v Ekotonu arktické lesní tundry a vytvářejí pozitivní zpětnou vazbu. V budoucí projekci na roky 2015-2050 předpokládají simulované klimatické indexy pokles rozsahu ArcTG o 17 000 km2/rok (p < 0,01), s 60 km ústupem v Severní Americe a 40 km ústupem v Eurasii do roku 2050 (obr. 2d).
pozorovaný vegetační index založený na produktech CAVM treeline v roce 2003 vymezuje nejsevernější zeměpisné šířky, kde přežívají dřeviny, což je definováno jako geografická arktická tundra a ledovcová jižní hranice. Arctgobs-Veg (pro rok 2003, zelené čáry na obr. 2a) pokrývá 7,1 × 106 km2, s výrazně větší plochou než ArcTGOBS-Clim (pro rok 2003, modré čáry na obr. 2a) na západní Aljašce, kanadském štítu, poloostrově Taymyr a na poloostrově Jamal, kde se zdá, že klimatický index naznačuje, že stromy jsou stále schopny přežít. Je to proto, že dynamika stromů není ovlivněna pouze klimatem, ale také zprostředkována druhově specifickými vlastnostmi a podmínkami prostředí, jako je rozmrazování permafrostu34, což zhoršuje místní hydrologický režim (jako je aktivní hloubka vrstvy) a poškozuje kořenový systém, který by zakázal zakládání stromů. Tyto faktory nejsou brány v úvahu v arctgobs-Clim a ArcTGCFS/SSiB4-Clim a vytvářejí nižší odhad rozsahu plochy s těmito dvěma indexy ve srovnání s vegetačními indexy. Nemůžeme posoudit dlouhodobý průměr rozsahu ArcTGOBS-Veg ani předběžnou sazbu za použití produktu CAVM treeline, protože je pouze pro rok 2003. Postup treeline pro 20. století s různými počátečními daty byl zaznamenán v řadě měření lokality v ekotonii circumarctic forest-tundra1, 35, 36, což naznačuje, že Arktida se v posledních desetiletích zmenšovala. Simulované ArcTGCFS / SSiB4-Veg pokrývá 6,8 × 106 km2 pro období 1950-2015 a pokrývá 6,5 × 106 km2 pro rok 2003. Simulované smršťování ArcTGCFS / SSiB4-Veg má konzistenci s výše uvedenými měřeními pole a vykazuje zmenšující se ArcTG během let 1950-2015. Hraniční ústup ArcTGCFS / SSiB4-Veg však vykazuje odlišnou asymetrii na severoamerickém a euroasijském kontinentu ve srovnání s asymetrií naznačenou klimatickým indexem. I když se euroasijská linie stromů posune o 50 km poleward, v souladu s arctgcfs/SSiB4-Clim, ale pro ArcTGCFS/SSiB4-Veg nebyla nalezena žádná významná změna v severoamerické linii stromů (viz obr. 3a). Rozdíly mezi indexem klimatu a indexem vegetace v Severní Americe naznačují, že zmenšení arctgcfs / SSiB4-clim tam nezpůsobuje významný pokrok stromů. K postupu stromů mohou také přispět druhově specifické rysy a místní podmínky prostředí. Ve skutečnosti pozorování místa v kanadském štítu nenalezlo postup stromu ve 20.století1. V porovnání, dvě místa na poloostrově Taymyr, Sibiř, měl významný pokrok stromu1. Tato měření na místě se zdají být v souladu s naší simulací. Ke snížení nejistoty jsou zapotřebí další hodnocení s více údaji. V budoucí projekci se předpovídá postup treeline na obou kontinentech, s 60 km v Severní Americe a 30 km v Eurasii (obr. 3b), což má za následek zmenšení rozsahu o 17 000 km2/rok (p < 0,01, Tabulka 1).