Die Sahara (SD)
Der beobachtete Klimaindex zeigt, dass SDOBS-Clim zwischen 1950 und 2015 etwa 9,5 × 106 km2 in Nordafrika abdeckt (Abb. 1a und Tabelle 1), innerhalb des von Tucker et al.6. SDOBS-Clim hat eine allgemeine expansion während 1950-2015, einige 11,000 km2/jahr und erhöht 8% während 1950-2015, die ist in der regel im einklang mit den vorherigen studies2. Die Südgrenze von SDOBS-Clim rückt von 1950 bis 2015 etwa 100 km nach Süden vor (Abb. 1b). Diese allgemeine Ausdehnung ist jedoch zeitlich nicht konstant. Die Sahelzone erlebte einen dramatischen Wandel von nassen Bedingungen in den 1950er Jahren zu viel trockeneren Bedingungen in den 1980er Jahren und erholte sich dann teilweise nach den 1980er Jahren. In den 1980er Jahren wurde ein Klimaregimewechsel festgestellt15,28. Im Unterschied zu früheren SD-Studien, die nur einen Trend für den gesamten Studienzeitraum identifizieren, wird in dieser Studie das Jahr 1984 als Wendepunkt nach Gl. (9), um die SD expansion-schrumpfen perioden. In Übereinstimmung mit der Klimaveränderung hat die SD eine Ausdehnung von 35.000 km2 / Jahr (p < 0,01, Mann-Kendall-Test) während 1950-1984 und eine Schrumpfung von 12.000 km2 / Jahr (p < 0,01) in 1984-2015 (Abb. 1f). Die größte Ausdehnung nach Süden erfolgte zwischen 1950 und 1984, wobei sich die südliche Südgrenze um 170 km ausdehnte und insgesamt 1.200.000 km2 ausdehnte (etwa doppelt so groß wie die Fläche Frankreichs).
Die Sahara-Wüste (SD) Ausdehnung und Grenzänderung basierend auf Klima- und Vegetationsindizes. (a) Die Klimazonen Nordafrikas lagen im Durchschnitt zwischen 1950 und 2015. SD southern boundary changes basierend auf dem Klimaindex aus (b) Beobachtung und (c) CFS / SSiB4 Simulation während 1950-2015 und (d) CFS / SSiB4 Simulation während 2015-2050. Beobachtete und simulierte (e) Zeitreihen und (f) Trends der SD-Ausdehnung, die durch Klima- und Vegetationsindizes definiert sind. Die Fehlerbalken in (f) zeigen eine Standardabweichung aufgrund des LAI-basierten Nicht–Vegetationskriteriumsbereichs von 0,08-0,12 m2 / m2 an. * in (f) gibt den Wert mit signifikantem Pegel bei p < 0,01 an (Mann-Kendall-Test). Abbildung einschließlich Karten in (a-d) werden von NCL (Version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu) erstellt.
Die simulierten Klimaindizes geben die Ausdehnung und ihre Veränderungen im Zeitraum 1950-2015 korrekt wieder (Tabelle 1). Die Zeitreihen von SDCFS/SSiB2-Clim und SDCFS/SSiB4-Clim sind gut mit SDOBS-Clim korreliert (Abb. 1e), wobei die zeitlichen Korrelationen größer als 0 sind.71 (p < 0,01, Fünfjahresdurchschnitt). Die CFS-Modelle erzeugen etwa 7600 km2 / Jahr (CFS / SSiB2, p = 0,02) und 8000 km2 / Jahr (CFS / SSiB4, p < 0,01) Expansion von 1950 bis 2015, begleitet von der Erweiterung der südlichen Grenzen um 70 km (CFS / SSiB4, Abb. 1c). In der Zwischenzeit reproduzieren die Modelle die Schrumpfrate von 1984 bis 2015 ordnungsgemäß. Sowohl CFS / SSiB2 als auch CFS / SSiB4 unterschätzen jedoch die Expansionsrate vor 1984 um etwa 30%. In der Sahelzone sind Ackerland und Weideland in den 1980er Jahren im Vergleich zu den 1950er Jahren um 30% gewachsen12 aufgrund von Überweidung, Entwaldung und schlechter Landbewirtschaftung8,10. Ein Multi-Modell-Experiment hat den Beitrag von Land Use and Land Cover Change (LULCC) zur Dürre in den 1980er Jahren gezeigt, der zu einer Landdegradation führen soll12. Dieser anthropogene Effekt fehlt in dieser CFS-Simulation, was zu einer Unterschätzung der SD-Expansionsrate während 1950-1984 führen kann. Darüber hinaus zeigen durchweg weniger Änderungen in der CFS / SSiB2-Simulation im Vergleich zu CFS / SSiB4 in SD und nach ArcTG die Bedeutung einer bidirektionalen Vegetations-Klima-Rückkopplung bei Landformänderungen. Die CFS-Modelle reproduzieren bis zu 70% des beobachteten Expansionstrends während 1950-1984 ohne Berücksichtigung von LULCC in Modellen. Währenddessen sind CFS-Modelle während der SD-Schrumpfungsperiode, während kein bemerkenswerter LULCC auftrat, in der Lage, den beobachteten Schrumpfungstrend zu reproduzieren. Daher dominieren die Klimafaktoren SD-Änderungen im Vergleich zu anderen Effekten wie LULCC.
Für die Zukunftsprojektion bis 2050 mit dem Representative Concentration Pathway (RCP) 4.5 Szenario des Intergovernmental Panel on Climate Change 5th Assessment Report (AR5), das nur CFS durchführen kann, zeigen die simulierten Klimaindizes, dass sich die SD ohne LULCC um etwa 6000 km2/Jahr weiter ausdehnen wird (p = 0,18 für CFS/SSiB2 und p = 0,15 für CFS/SSiB4). Es wird eine asymmetrische Grenzverschiebung mit einer Verschiebung von etwa 40 km nach Norden in der westlichen Sahelzone und 60 km nach Süden in der östlichen Sahelzone prognostiziert (Abb. 1d). In der Zukunftsprojektion wird die Saheltemperatur voraussichtlich etwa 1,8 ° C wärmer sein als der Mittelwert von 1986-2015. Trotz des prognostizierten Anstiegs der Niederschläge in der Mitte des 21.Jahrhunderts dominiert die durch die Erwärmung verursachte hohe Verdunstung, die das Gebiet trockener macht und zu einer beispiellosen Ausdehnung führt. Der Hitzestress des Sahel-Ökosystems ist im KTC gut vertreten und hat wichtige Auswirkungen auf die zukünftige Projektion. Unterdessen führen die projizierten heterogenen Niederschlagsanomalienverteilungen zu unterschiedlichen Desertifikationsrisiken für verschiedene Sahel-Länder.
Im Gegensatz zu früheren ähnlichen Studien haben wir in dieser Studie auch Vegetationsindizes verwendet, die aus Beobachtungen und einem gekoppelten Klima-Ökosystem-Modell abgeleitet wurden, um die SDGS und ihre Veränderungen zu bewerten. Dieses Ökosystemmodell wurde umfassend auf seine Leistung in Bezug auf die Variabilität und den Trend nordamerikanischer und globaler Ökosysteme bewertet15,30. Wir verwenden einen Bereich von 0,08-0.12 m2/m2 als Nichtvegetationskriterium zur Berechnung der SD-Ausdehnung und ihrer Abweichung mit dem zugeordneten LAI-Bereich. Die beobachteten und simulierten mittleren geografischen SD-Ausdehnungen (SDOBS-Veg und SDSSiB4-Veg), die auf diesem Bereich basieren, betragen 9,5 × 106 km2 bzw. 9,6 × 106 km2, wobei die Grenzen nahezu mit denen übereinstimmen, die auf ihren entsprechenden Klimaindizes basieren (Abb. 1a).
Das SDOBS-Veg startet in den 1980er Jahren, wenn die Satellitendaten verfügbar sind und zeichnet die SD-Wiederherstellungsphase auf. Im Zeitraum 1984-2015 zeigt die SDOBS-Veg eine Reduktion von 10.000 ± 2000 km2/Jahr (p < 0.01), nahe der Änderung auf Basis von SDOBS-Clim (12.000 km2/Jahr, Abb. 1e, f). Der simulierte SDCFS/SSiB4-Veg entspricht in etwa dem Klimaindex mit 8000 ± 800 km2/Jahr (p < 0,01) Expansion während 1950-2015. Für den Zeitraum 2015-2050 hat das SDCFS / SSiB4-Veg eine Expansion von 6900 ± 600 km2 / Jahr (p = 0,14) prognostiziert, die nahe an der vom Klimaindex abgeleiteten liegt. Darüber hinaus stimmt die Zeitreihe von SDCFS / SSiB4-Veg auch mit SDCFS / SSiB4-Clim mit einem Korrelationskoeffizienten von 0,73 (p < 0,01) überein (Abb. 1e,f) für den gesamten Zeitraum 1950-2050.
Die südliche Grenze von SDCFS/SSiB4-Veg dehnt sich zwischen 1950 und 2015 um 90 km nach Süden aus und wird zwischen 2015 und 2050 in der östlichen Sahelzone um 40 km weiter nach Süden vorrücken. In der westlichen Sahelzone wird im Zeitraum 2015-2050 keine signifikante Veränderung prognostiziert, die sich von der auf dem Klimaindex basierenden Projektion unterscheidet. Das CFS / SSiB2 verwendet das angegebene LAI. Daher kann keine Bewertung auf der Grundlage des Vegetationsindex vorgenommen werden. Mit zwei Definitionen bewerten wir die Unsicherheit bei der Bewertung / Projektierung der SD-Erweiterung aufgrund zweier unterschiedlicher Definitionen und zeigen, dass sie im Allgemeinen konsistent sind. Einige Abweichungen sind wahrscheinlich auf Fehler in satellitengestützten LAI und simulierten Klima- und Vegetationsvariablen über dem spärlichen Vegetationsgebiet31 zurückzuführen.
Die Arktis
Die beschleunigte Erwärmungsrate in den Polarregionen und die intensiven Wechselwirkungen zwischen Klima und Vegetation, Schnee und Gletscher haben in den letzten Jahrzehnten zu bemerkenswerten Veränderungen des Landzustands im ArcTG-Gebiet geführt (Lloyd et al., 2003; Swann et al., 2010; Schäfer et al., 2011; Pearson et al., 2013; Frost und Epstein, 2014), aber Berichte über Landformänderungen auf kontinentaler Ebene fehlen. Der beobachtete Klimaindex zeigt, dass der durchschnittliche ArcTGOBS-Clim in den Jahren 1950-2015 5,7 × 106 km2 umfasst (Abb. 2a und Tabelle 1) und wird mit einer Rate von 14.000 km2 / Jahr (p < 0,01, insgesamt 16% in diesem Zeitraum, etwa die Fläche von British Columbia, Kanada) monoton von 1950 bis 2015 als Reaktion auf die globale Erwärmung (Abb. 3c, d). Die Schrumpfungsrate beschleunigt sich nach den 1980er Jahren. Die Schrumpfung wird von einem Rückzug der Grenzen rund um den Polarkreis begleitet (Abb. 2b): 60 km polwärts in Nordamerika und 40 km polwärts in Eurasien während 1950-2015.
Die Ausdehnung und Grenzänderung des Arctic Tundra-Glacier (ArcTG) basierend auf dem Klimaindex. (a) Die arktischen Klimazonen über 1950-2015 gemittelt. ArcTG-Grenzänderungen basierend auf dem Klimaindex aus (b) Beobachtung und (c) CFS / SSiB4-Simulation während 1950-2015 und (d) CFS / SSiB4-Simulation während 2015-2050. Abbildungen inklusive Karten in (a-d) werden von NCL erstellt (Version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Die Ausdehnung und Grenzänderung des arktischen Tundra-Gletschers (ArcTG) basierend auf Vegetationsindex und Vergleich. Änderungen des ArcTG basierend auf dem CFS / SSiB4 simulierten Vegetationsindex während (a) 1950-2015 und (b) 2015-2050. Beobachtete und simulierte ArcTG-Ausdehnung (c) Zeitreihen und (d) Trends basierend auf Klima- und Vegetationsindizes. * in (d) gibt den Wert mit signifikantem Pegel bei p < 0,01 an (Mann-Kendall-Test). Die Abbildungen einschließlich der Karten in (a) und (d) werden von NCL (Version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Die Modelle reproduzieren im Allgemeinen die Abdeckung von ArcTG und seine Änderungen basierend auf dem Klimaindex während 1950-2015 (Tabelle 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim nimmt im Zeitraum 1950-2015 bei 10.000 km2 / Jahr (p < 0,01) ab, wobei sich die Grenze in Nordamerika um 50 km und in Eurasien um 30 km zurückzieht (Abb. 2c), konsistent mit, aber niedriger als der ArcTGOBS-Clim. Das CFS /SSiB2 mit spezifizierten Vegetationsbedingungen reproduziert jedoch nur ein Drittel der beobachteten und CFS / SSiB4 simulierten Reduktionsrate (Abb. dreidimensional). Der Mangel an Rußablagerung und Treibhausgasemissionen in CFS kann zu den Diskrepanzen beitragen. In der Arktis wird berichtet, dass vom Menschen verursachter schwarzer Kohlenstoff auf Schnee den Erwärmungseffekt beschleunigt, indem er die Oberflächenstrahlung verstärkt32. Der Mangel an Treibhausgasemissionen aufgrund einer verbesserten Kohlenstoffatmung im Boden kann ebenfalls zu einer Unterschätzung der atmosphärischen Erwärmung beitragen3,33. Die verbesserte Bodenkohlenstoffatmung stammt aus aufgetautem Permafrost, wo mikrobieller Zerfall die Atmung erhöht CO2 und Methanflüsse in die Atmosphäre. Dies wiederum verstärkt die Rate der atmosphärischen Erwärmung und beschleunigt den Permafrostabbau weiter, was zu einer positiven Permafrost-Kohlenstoffrückkopplung führt. Unterdessen bewirken die Erwärmungstemperatur und die erhöhte atmosphärische CO2-Konzentration eine Anreicherung von Sträuchern und Bäumen im arktischen Waldtundra-Ökoton und erzeugen positive Rückkopplungen. In der Zukunftsprojektion für 2015-2050 prognostizieren die simulierten Klimaindizes einen Rückgang der ArcTG-Ausdehnung um 17.000 km2 / Jahr (p < 0,01) mit einem Rückzug von 60 km in Nordamerika und 40 km in Eurasien bis 2050 (Abb. 2d).
Der beobachtete Vegetationsindex, der auf den Produkten der CAVM-Baumgrenze im Jahr 2003 basiert, beschreibt die nördlichsten Breitengrade, in denen Baumarten überleben, die als geografische arktische Tundra und Gletscher definiert sind Südgrenze. Die ArcTGOBS-Veg (für das Jahr 2003, grüne Linien in Abb. 2a) umfasst 7,1 × 106 km2, mit einer deutlich größeren Fläche als ArcTGOBS-Clim (für das Jahr 2003, blaue Linien in Abb. 2a) in Westalaska, dem kanadischen Schild, der Taymyr-Halbinsel und der Jamal-Halbinsel, wo der Klimaindex darauf hindeutet, dass Bäume noch überleben können. Dies liegt daran, dass die Dynamik der Baumgrenze nicht nur vom Klima beeinflusst wird, sondern auch durch artspezifische Merkmale und Umweltbedingungen wie das Auftauen von Permafrost vermittelt34, was das lokale hydrologische Regime (wie die Tiefe der aktiven Schicht) verschlechtert und das Wurzelsystem schädigt, was die Ansiedlung von Bäumen verhindern würde. Diese Faktoren werden im ArcTGOBS-Clim und ArcTGCFS / SSiB4-Clim nicht berücksichtigt und führen zu einer geringeren Schätzung der Flächenausdehnung mit diesen beiden Indizes im Vergleich zu Vegetationsindizes. Wir können weder den langfristigen Durchschnitt der Ausdehnung von ArcTGOBS-Veg noch die Vorschubrate mit dem CAVM Treeline-Produkt bewerten, da dies nur für 2003 gilt. Der Fortschritt der Baumgrenze für das 20.Jahrhundert mit verschiedenen Startdaten wurde in einer Reihe von Standortmessungen in der zirkumarktischen Waldtundra-Ökotone1 berichtet,35,36, Dies deutet auf eine Schrumpfung der Arktis in den letzten Jahrzehnten hin. Das simulierte ArcTGCFS / SSiB4-Veg umfasst 6,8 × 106 km2 für den Zeitraum 1950-2015 und 6,5 × 106 km2 für das Jahr 2003. Das simulierte ArcTGCFS / SSiB4-Veg-Schrumpfen stimmt mit den oben genannten Feldmessungen überein und zeigt ein schrumpfendes ArcTG während 1950-2015. Der Rückzug der ArcTGCFS / SSiB4-Veg-Grenze zeigt jedoch auf dem nordamerikanischen und eurasischen Kontinent eine andere Asymmetrie als im Klimaindex angegeben. Die eurasische Baumgrenze verschiebt sich zwar 50 km polwärts, was mit der von ArcTGCFS / SSiB4-Clim übereinstimmt, aber für ArcTGCFS / SSiB4-Veg wird keine signifikante Veränderung der nordamerikanischen Baumgrenze gefunden (siehe Abb. 3a). Die Diskrepanzen zwischen Klimaindex und Vegetationsindex in Nordamerika deuten darauf hin, dass das Schrumpfen des ArcTGCFS / SSiB4-clim dort keinen signifikanten Fortschritt der Baumgrenze verursacht. Die artspezifischen Merkmale und lokalen Umweltbedingungen können ebenfalls zum Fortschritt der Baumgrenze beitragen. Tatsächlich fanden die Standortbeobachtungen im kanadischen Schild den Fortschritt der Baumgrenze im 20. Im Gegensatz, Zwei Standorte auf der Taymyr-Halbinsel, Sibirien, hatte einen signifikanten Fortschritt der Baumlinie1. Diese Standortmessungen scheinen mit unserer Simulation übereinzustimmen. Weitere Bewertungen mit mehr Daten sind erforderlich, um die Unsicherheit zu verringern. In der Zukunftsprojektion wird der Fortschritt der Baumgrenze auf beiden Kontinenten vorhergesagt, mit 60 km in Nordamerika und 30 km in Eurasien (Abb. 3b), was zu einer Schrumpfung der Ausdehnung um 17.000 km2/Jahr führt (p < 0,01, Tabelle 1).