sahara-ørkenen (SD)
i løbet af 1950-2015 viser observeret klimaindeks, at SDOBS-Clim dækker omkring 9,5 kg 106 km2 over Nordafrika (Fig. 1a og tabel 1) inden for det interval, der er rapporteret af Tucker et al.6. SDOBS-Clim har en generel ekspansion i løbet af 1950-2015, omkring 11.000 km2/år og stiger 8% i løbet af 1950-2015, hvilket generelt er i overensstemmelse med de tidligere undersøgelser2. Den sydlige grænse af SDOBS-Clim rykker sydpå omkring 100 km fra 1950 til 2015 (Fig. 1b). Denne generelle ekspansion er imidlertid ikke konstant i tide. Sahel-områderne oplevede en dramatisk ændring fra våde forhold i 1950 ‘erne til meget tørre forhold i 1980’ erne, derefter delvist genvundet efter 1980 ‘erne. et klimaregimeskift er blevet identificeret i 1980’ erne15,28. Forskellig fra tidligere SD-undersøgelser, der kun identificerer en tendens for hele undersøgelsesperioden, året 1984, identificeres i denne undersøgelse som vendepunkter i henhold til EKV. (9) for at angive SD ekspansion-skrumpende perioder. I overensstemmelse med klimaskiftet har SD en udvidelse på 35.000 km2/år (p < 0,01, Mann-Kendall test) i løbet af 1950-1984 og en krympning på 12.000 km2/år (p < 0,01) i 1984-2015 (Fig. 1f). Den største ekspansion mod syd finder sted i løbet af 1950-1984, hvor den sydlige SD-grænse udvides med 170 km og i alt 1.200.000 km2 udvidelse (ca.to gange af Frankrigs område).
Sahara-ørkenen (SD) omfang og grænseændring baseret på klima-og vegetationsindeks. a) klimaområderne i Nordafrika var i gennemsnit i perioden 1950-2015. SD sydlige grænseændringer baseret på klimaindeks fra (b) observation og (c) CFS/SSiB4-simulering i løbet af 1950-2015 og (d) CFS/SSiB4-simulering i løbet af 2015-2050. Observeret og simuleret (e) tidsserier og (f) tendens i SD-omfang defineret af klima-og vegetationsindekser. Fejlbjælkerne i (f) angiver en standardafvigelse på grund af det Lai-baserede ikke–vegetationskriterium på 0,08-0,12 m2/m2. * i (f) angiver værdien med signifikant niveau ved p < 0,01 (Mann-Kendall test). Figur herunder kort i (a-d) er skabt af NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
de simulerede klimaindeks gengiver SD-omfanget korrekt og dets ændringer i løbet af 1950-2015 (tabel 1). Tidsserien for SDCFS/SSiB2-Clim og SDCFS / SSiB4-Clim er godt korreleret med SDOBS-Clim (Fig. 1e), hvor de tidsmæssige korrelationer er større end 0.71 (p < 0,01, femårigt løbende gennemsnit). CFS-modellerne genererer omkring 7600 km2/år (CFS/SSiB2, p = 0,02) og 8000 km2/år (CFS/SSiB4, p < 0,01) ekspansion fra 1950 til 2015 ledsaget af udvidelsen af sydlige grænser med 70 km (CFS/SSiB4, Fig. 1c). I mellemtiden gengiver modellerne korrekt SD-krympehastighed i løbet af 1984-2015. Imidlertid undervurderer både CFS/SSiB2 og CFS/SSiB4 ekspansionshastigheden før 1984 med ca.30%. I Sahel er dyrkede arealer og græsarealer vokset med 30% i 1980 ‘erne sammenlignet med 1950’ erne12 på grund af overgræsning, skovrydning og dårlig jordforvaltning8, 10. Et multi-model eksperiment har vist arealanvendelse og ændring af arealdækning (LULCC) Bidrag til tørken i 1980 ‘ erne, hvilket skulle forårsage jordnedbrydning12. Denne menneskeskabte effekt mangler i denne CFS-simulering, hvilket kan føre til undervurdering af SD-ekspansionshastigheden i løbet af 1950-1984. Desuden viser konsekvent færre ændringer i CFS/SSiB2-simuleringen sammenlignet med den i CFS/SSiB4 i SD og følgende ArcTG betydningen af tovejs vegetation-klimafeedback i landformændring. CFS-modellerne gengiver op til 70% af den observerede ekspansionstendens i løbet af 1950-1984 uden hensyntagen til LULCC i modeller. I mellemtiden, i løbet af SD-krympningsperioden, mens der ikke opstod nogen bemærkelsesværdig LULCC, er CFS-modeller i stand til at gengive den observerede krympetendens. Derfor dominerer klimafaktorerne SD-ændringer sammenlignet med andre effekter, såsom LULCC.
for den fremtidige fremskrivning gennem 2050 med den repræsentative Koncentrationsvej (RCP) 4.5-scenarie fra Det Mellemstatslige Panel for klimaændringer 5.vurderingsrapport (AR5), som kun CFS er i stand til at gennemføre, viser de simulerede klimaindekser, at SD uden LULCC vil udvides yderligere med omkring 6000 km2/år (p = 0,18 for CFS/SSiB2 og p = 0,15 for CFS/SSiB4). 40 km nordpå forskydning i det vestlige Sahel og 60 km sydpå forskydning i det østlige Sahel (Fig. 1d). I den fremtidige fremskrivning forventes Sahel-temperaturen at være omkring 1,8 liter C varmere end gennemsnittet 1986-2015. På trods af den forventede stigning i nedbør i midten af det 21.århundrede dominerer den opvarmningsinducerede høje fordampning og gør området tørre og giver en SD-udvidelse. Varmestress på Sahel-økosystemet er godt repræsenteret i KTC og har vigtige konsekvenser for den fremtidige fremskrivning. I mellemtiden resulterer de forventede heterogene nedbørsanomalifordelinger i forskellige ørkendannelsesrisici for forskellige Sahel-lande.
forskellig fra tidligere lignende undersøgelser har vi i denne undersøgelse også brugt vegetationsindekser afledt af observation og en koblet klimaøkosystemmodel til at vurdere SD-udvidelsen og dens ændring, som giver en mere klar geografisk definition og kan bruges til at krydsvalidere resultaterne fra klimaindekset. Denne økosystemmodel er blevet grundigt evalueret for sin ydeevne på nordamerikanske og globale økosystemvariabilitet og trend15,30. Vi beskæftiger en række 0,08-0.12 m2/m2 som ikke-vegetationskriterium til beregning af SD-omfanget og dets afvigelse med det tildelte LAI-interval. De observerede og simulerede gennemsnitlige geografiske SD-udstrækninger (SDOBS-Veg og SDSSiB4-Veg) baseret på dette interval er henholdsvis 9,5 liter 106 km2 og 9,6 liter 106 km2 med grænser næsten sammenfaldende med dem, der er baseret på deres tilsvarende klimaindeks (Fig. 1a).
SDOBS-Veg Starter i 1980 ‘ erne, når satellitdataene er tilgængelige og registrerer SD-gendannelsesperioden. I løbet af 1984-2015 viser SDOBS-Veg en reduktion på 10.000 liter 2000 km2/år (p < 0.01), tæt på ændringen baseret på SDOBS-Clim (12.000 km2/år, Fig. 1e, f). Den simulerede SDCFS/SSiB4-Veg er omtrent det samme som klimaindekset med 8000 liter 800 km2 / år (p < 0,01) ekspansion i løbet af 1950-2015. I løbet af 2015-2050 har SDCFS/SSiB4-Veg projiceret en 6900 liter 600 km2/år (p = 0.14) ekspansion, tæt på den, der stammer fra klimaindeks. Derudover er tidsserien for SDCFS/SSiB4-Veg også i overensstemmelse med SDCFS/SSiB4-Clim med en korrelationskoefficient på 0,73 (p < 0,01) (Fig. 1e, f) for hele perioden 1950-2050.
den sydlige grænse for SDCFS/SSiB4-Veg udvider 90 km sydpå i løbet af 1950-2015 og vil rykke 40 km længere sydpå i det østlige Sahel i løbet af 2015-2050. I den vestlige Sahel forventes ingen signifikant ændring i løbet af 2015-2050, forskellig fra fremskrivningen baseret på klimaindeks. CFS / SSiB2 bruger specificeret LAI. Som sådan kan der ikke foretages nogen vurdering baseret på vegetationsindekset. Med to definitioner krydsevaluerer vi usikkerheden ved vurdering/projekt SD-udvidelse på grund af to forskellige definitioner og viser, at de generelt er konsistente. Nogle uoverensstemmelser skyldes sandsynligvis fejl i satellitafledt LAI og simulerede klima-og vegetationsvariabler over det sparsomme vegetationsområde31.
Arktis
den accelererede opvarmningshastighed i polarområderne og intensive interaktioner mellem klima og vegetation, sne og gletscher har ført til bemærkelsesværdige ændringer i landtilstanden i ArcTG-området i de sidste årtier (Lloyd et al., 2003; Pernille et al., 2010; Schaefer et al., 2011; Pearson et al., 2013; Frost og Epstein, 2014), men rapporter om ændringer i landform på kontinentalt plan mangler. Det observerede klimaindeks viser, at den gennemsnitlige ArcTGOBS-Clim dækker 5,7 liter 106 km2 i 1950-2015 (Fig. 2a og tabel 1) og reduceres med en hastighed på 14.000 km2/år (p < 0,01, 16% i alt i denne periode, omkring området British Columbia, Canada) monotont fra 1950 til 2015 som reaktion på global opvarmning (Fig. 3c, d). Krympehastigheden accelererer efter 1980 ‘ erne.krympningen ledsages af grænse tilbagetog overalt omkring polarcirklen (Fig. 2b) : 60 km polvod i Nordamerika og 40 km polvod i Eurasien i løbet af 1950-2015.
den arktiske Tundra-gletsjer (ArcTG) omfang og grænseændring baseret på klimaindeks. a) de arktiske klimasoner var i gennemsnit over 1950-2015. Arctg-grænseændringer baseret på klimaindeks fra (b) observation og (c) CFS/SSiB4-simulering i løbet af 1950-2015 og (d) CFS/SSiB4-simulering i løbet af 2015-2050. Tallene inklusive kort i (a-d) er oprettet af NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
den arktiske Tundra-gletsjer (ArcTG) udstrækning og grænseændring baseret på vegetationsindeks og sammenligning. Ændringer af ArcTG baseret på CFS / SSiB4 simuleret vegetationsindeks i løbet af (a) 1950-2015 og (b) 2015-2050. Observeret og simuleret arctg-udstrækning (C) tidsserier og (d) tendenser baseret på klima-og vegetationsindeks. * i (d) angiver værdien med signifikant niveau ved p < 0,01 (Mann-Kendall test). Tallene, herunder kort i (A) og (d), genereres af NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
modellerne gengiver generelt dækningen af ArcTG og dens ændringer baseret på klimaindeks i løbet af 1950-2015 (tabel 1). ArcTGCFS/SSiB4-Clim mindskes ved 10.000 km2 / år (p < 0,01) i løbet af 1950-2015 med grænseretreats med 50 km i Nordamerika og 30 km i Eurasien (Fig. 2c), i overensstemmelse med men lavere end ArcTGOBS-Clim. CFS/SSiB2 med specificerede vegetationsbetingelser gengiver imidlertid kun en tredjedel af den observerede og CFS / SSiB4 simulerede reduktionshastighed (Fig. 3d). Manglen på sort kulstofaflejring og drivhusgasemission i CFS kan bidrage til uoverensstemmelserne. I Arktis rapporteres det, at menneskeskabt sort kulstof på sne fremskynder opvarmningseffekten ved at forbedre overfladestrålende kraft32. Manglen på drivhusgasemission på grund af forbedret jordkulstofånding kan også bidrage til en undervurdering af atmosfærisk opvarmning3,33. Den forbedrede jordkulstofånding kommer fra optøet permafrost, hvor mikrobielt henfald øger respirationen CO2 og methan strømmer til atmosfæren. Dette forstærker igen hastigheden af atmosfærisk opvarmning og fremskynder yderligere permafrostnedbrydning, hvilket resulterer i en positiv permafrost-kulstoffeedback. I mellemtiden forårsager opvarmningstemperaturen og den forhøjede atmosfæriske CO2-koncentration en berigelse af buske og træer i den arktiske skovtundra ecotone og producerer positive tilbagemeldinger. I den fremtidige fremskrivning for 2015-2050 projicerer de simulerede klimaindekser omkring et 17.000 km2/år (p < 0,01) fald i ArcTG-omfang med 60 km tilbagetog i Nordamerika og 40 km tilbagetog i Eurasien inden 2050 (Fig. 2d).
det observerede vegetationsindeks baseret på produkterne fra CAVM treeline i år 2003 afgrænser de nordligste breddegrader, hvor træarter overlever, som er defineret som den geografiske arktiske tundra og gletsjers sydlige grænse. ArcTGOBS-Veg (for året 2003, grønne linjer i Fig. 2A) dækker 7,1 liter 106 km2, med et betydeligt større areal end ArcTGOBS-Clim (for året 2003, blå linjer i Fig. 2a) i det vestlige Alaska, Canadian Shield, Taymyr-halvøen og Yamal-halvøen, hvor klimaindeks synes at antyde, at træer stadig er i stand til at overleve. Dette skyldes, at trælinjedynamikken ikke kun påvirkes af klimaet, men også formidles af artsspecifikke træk og miljøforhold såsom permafrost optøning34, hvilket forringer det lokale hydrologiske regime (såsom aktiv lagdybde) og beskadiger rodsystemet, der ville forbyde etablering af træer. Disse faktorer tages ikke i betragtning i ArcTGOBS-Clim og ArcTGCFS/SSiB4-Clim og producerer lavere arealomfang estimering med disse to indekser sammenlignet med vegetationsindekser. Vi kan hverken vurdere det langsigtede gennemsnit af arctgobs-Veg-omfang eller forskudsgraden ved hjælp af CAVM treeline-produktet, da det kun er for 2003. Trælinjens fremskridt for det 20.århundrede med forskellige startdatoer er rapporteret i en række stedmålinger på tværs af den circumarctic forest-tundra ecotone1,35,36, hvilket indikerer en arktisk krympning i de sidste årtier. Den simulerede ArcTGCFS / SSiB4-Veg dækker 6,8 liter 106 km2 for perioden 1950-2015 og dækker 6,5 liter 106 km2 for året 2003. Den simulerede arctgcfs / SSiB4-veg krympning har overensstemmelse med de ovennævnte feltmålinger og viser en krympende ArcTG i løbet af 1950-2015. ArcTGCFS / SSiB4-Veg grænse tilbagetog viser imidlertid en anden asymmetri i det nordamerikanske og eurasiske kontinent sammenlignet med det, der er angivet med klimaindekset. Selvom den eurasiske trælinje skifter 50 km bagud, i overensstemmelse med ArcTGCFS/SSiB4-Clim, men der findes ingen signifikant ændring i den nordamerikanske trælinje for ArcTGCFS/SSiB4-Veg (se Fig. 3a). Uoverensstemmelserne mellem klimaindeks og vegetationsindeks i Nordamerika antyder, at krympningen af ArcTGCFS/SSiB4-clim der ikke medfører et betydeligt træforspring. De artsspecifikke træk og lokale miljøforhold kan også bidrage til trælinjens fremskridt. Faktisk fandt stedobservationerne i det canadiske skjold ikke trælinjens fremskridt i det 20.århundrede1. I modsætning hertil havde to steder på Taymyr-halvøen, Sibirien, betydelig trælinjefordel1. Disse site målinger synes at være i overensstemmelse med vores simulering. Yderligere vurderinger med flere data er nødvendige for at reducere usikkerheden. I den fremtidige fremskrivning forudsiges trælinjens fremskridt på begge kontinenter med 60 km i Nordamerika og 30 km i Eurasien (Fig. 3b), hvilket resulterer i en krympning af omfanget med 17.000 km2/år (p < 0,01, tabel 1).