El desierto del sahara (SD)
Durante 1950-2015, el índice climático observado muestra que los SDOB-Clim cubren aproximadamente 9,5 × 106 km2 en el norte de África (Fig. 1a y Tabla 1), dentro del rango reportado por Tucker et al.6. SDOBS-Clim tiene una expansión general durante 1950-2015, unos 11.000 km2 / año y aumenta un 8% durante 1950-2015, lo que es generalmente consistente con los estudios anteriores2. El límite sur de SDOBS-Clim avanza hacia el sur unos 100 km desde 1950 hasta 2015 (Fig. 1b). Sin embargo, esta expansión general no es constante en el tiempo. Las zonas del Sahel experimentaron un cambio dramático de las condiciones húmedas en el decenio de 1950 a condiciones mucho más secas en el decenio de 1980, que luego se recuperaron parcialmente después del decenio de 1980. En el decenio de 1980 se identificó un cambio de régimen climático15,28. A diferencia de los estudios previos de MS, que solo identifican una tendencia para todo el período de estudio, el año 1984, se identifica en este estudio como puntos de inflexión de acuerdo con la Ec. (9) para indicar los períodos de expansión-contracción del SD. Consistente con el cambio climático, el SD tiene una expansión de 35,000 km2/año (p < 0.01, prueba de Mann-Kendall) durante 1950-1984, y una reducción de 12,000 km2/año (p < 0.01) en 1984-2015 (Fig. 1f). La mayor expansión hacia el sur se produce durante 1950-1984, con la frontera sur del SD expandiéndose en 170 km, y una expansión total de 1.200.000 km2 (aproximadamente el doble del área de Francia).
El cambio de extensión y límite del Desierto del Sahara (SD) basado en los índices climáticos y de vegetación. a) El promedio de las zonas climáticas de África septentrional fue de 1950 a 2015. SD cambios en los límites meridionales basados en el índice climático de (b) observación y (c) simulación CFS/SSiB4 durante 1950-2015, y (d) simulación CFS/SSiB4 durante 2015-2050. Observed and simulated (e) time series and (f) trend of SD extent defined by climate and vegetation indices. Las barras de error en (f) indican una desviación estándar debido al rango de criterio no vegetativo basado en el LAI de 0,08 a 0,12 m2/m2. * en (f) indica el valor con un nivel significativo en p < 0,01 (prueba de Mann-Kendall). La figura que incluye mapas en (a–d) es creada por NCL (versión 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Los índices climáticos simulados reproducen adecuadamente la extensión del SD y sus cambios durante 1950-2015 (Tabla 1). Las series temporales de SDCFS / SSiB2-Clim y SDCFS/SSiB4-Clim están bien correlacionadas con SDOBS-Clim (Fig. 1e), con correlaciones temporales mayores que 0.71 (p < 0,01, media de cinco años consecutivos). Los modelos CFS generan una expansión de aproximadamente 7600 km2/año (CFS/SSiB2, p = 0,02) y 8000 km2/año (CFS/SSiB4, p < 0,01) desde 1950 hasta 2015, acompañada de la expansión de los límites meridionales en 70 km (CFS/SSiB4, Fig. 1c). Mientras tanto, los modelos reproducen correctamente la tasa de contracción de SD durante 1984-2015. Sin embargo, tanto el CFS/SSiB2 como el CFS/SSiB4 subestiman la tasa de expansión antes de 1984 en aproximadamente un 30%. En el Sahel, las tierras de cultivo y de pastoreo se han expandido en un 30% en la década de 1980 en comparación con la de 195012 debido al pastoreo excesivo, la deforestación y la mala gestión de la tierra8,10. Un experimento de varios modelos ha demostrado la contribución del cambio en el uso de la tierra y la cubierta terrestre (LULCC) a la sequía durante el decenio de 1980, que debería causar la degradación de la tierra12. Este efecto antropogénico falta en esta simulación de CFS, lo que puede llevar a subestimar la tasa de expansión del SD durante 1950-1984. Además, el menor número de cambios en la simulación de CFS/SSiB2 en comparación con la de CFS/SSiB4 en SD y el siguiente ArcTG demuestra la importancia de la retroalimentación de vegetación y clima en dos direcciones en el cambio de la forma del terreno. Los modelos CFS reproducen hasta el 70% de la tendencia de expansión observada durante 1950-1984 sin tener en cuenta el LULCC en los modelos. Mientras tanto, durante el período de contracción del SD, si bien no se produjo un CCUL notable, los modelos CFS son capaces de reproducir la tendencia de contracción observada. Por lo tanto, los factores climáticos dominan los cambios de DS en comparación con otros efectos, como LULCC.
Para la proyección futura hasta 2050 con el escenario de la Vía de Concentración Representativa (PCR) 4.5 del quinto Informe de Evaluación (IE5) del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, que solo el CFS es capaz de realizar, los índices climáticos simulados muestran que sin LULCC el SD se expandirá aún más en unos 6000 km2/año (p = 0,18 para el CFS/SSiB2 y p = 0,15 para el CFS/SSiB4). Se proyecta un desplazamiento asimétrico de los límites, con unos 40 km de desplazamiento hacia el norte en el Sahel occidental y 60 km hacia el sur en el Sahel oriental (Fig. 1d). En la proyección futura, se prevé que la temperatura del Sahel sea aproximadamente 1,8 °C más cálida que la media de 1986-2015. A pesar del aumento proyectado de la precipitación a mediados del siglo XXI, la alta evaporación inducida por el calentamiento domina y hace que el área sea más seca y produzca una expansión de SD. El estrés térmico en el ecosistema del Sahel está bien representado en el KTC y tiene importantes implicaciones para la proyección futura. Mientras tanto, las distribuciones de anomalías de precipitación heterogéneas proyectadas dan lugar a diferentes riesgos de desertificación para varios países del Sahel.
A diferencia de estudios similares anteriores, en este estudio también hemos utilizado índices de vegetación derivados de la observación y un modelo de ecosistema climático acoplado para evaluar la extensión de SD y su cambio, lo que proporciona una definición geográfica más clara y puede usarse para validar cruzada los resultados del índice climático. Este modelo de ecosistema ha sido ampliamente evaluado por su desempeño en la variabilidad y tendencia de los ecosistemas de América del Norte y el mundo15,30. Empleamos un rango de 0.08-0.12 m2/m2 como criterio no vegetativo para calcular la extensión de la DE y su desviación con el intervalo de LAI asignado. Las extensiones geográficas medias de SD observadas y simuladas (SDOB-Veg y SDSSiB4-Veg) basadas en este rango son de 9,5 × 106 km2 y 9,6 × 106 km2, respectivamente, con límites casi coincidentes con los basados en sus índices climáticos correspondientes (Fig. 1a).
El SDOBS-Veg comienza en la década de 1980 cuando los datos de satélite están disponibles y registra el período de recuperación de SD. Durante 1984-2015, el SDOB-Veg muestra una reducción de 10.000 ± 2.000 km2/año (p < 0.01), cercano al cambio basado en SDOBS-Clim (12.000 km2/año, Fig. 1e, f). El SDCFS/SSiB4-Veg simulado es aproximadamente el mismo que el índice climático con una expansión de 8000 ± 800 km2/año (p < 0.01) durante 1950-2015. Durante 2015-2050, el SDCFS / SSiB4-Veg ha proyectado una expansión de 6900 ± 600 km2 / año (p = 0,14), cercana a la derivada del índice climático. Además, la serie temporal de SDCFS / SSiB4-Veg también es consistente con SDCFS / SSiB4-Clim con un coeficiente de correlación de 0,73 (p < 0,01) (Fig. 1e, f) para todo el período de 1950-2050.
El límite sur de SDCFS / SSiB4-Veg se expande 90 km hacia el sur durante 1950-2015 y avanzará 40 km más hacia el sur en el Sahel oriental durante 2015-2050. En el Sahel occidental, no se prevé ningún cambio significativo durante 2015-2050, a diferencia de la proyección basada en el índice climático. El CFS / SSiB2 utiliza LAI especificada. Como tal, no se puede hacer una evaluación basada en el índice de vegetación. Con dos definiciones, evaluamos la incertidumbre en la evaluación / expansión del SD del proyecto debido a dos definiciones diferentes y mostramos que generalmente son consistentes. Es probable que algunas discrepancias se deban a errores en el LAI derivado de satélites y a variables climáticas y de vegetación simuladas en zonas de vegetación escasa31.
El ártico
La tasa de calentamiento acelerado en las regiones polares y las interacciones intensivas entre el clima y la vegetación, la nieve y los glaciares han llevado a cambios notables en la condición de la tierra en el área de ArcTG en las últimas décadas (Lloyd et al., 2003; Swann et al., 2010; Schaefer et al., 2011; Pearson et al., 2013; Frost y Epstein, 2014), pero faltan informes sobre el cambio de la forma del terreno a escala continental. El índice climático observado muestra que el promedio de ArcTGOBS-Clim cubre 5,7 × 106 km2 en 1950-2015 (Fig. 2a y Tabla 1) y se reduce a una tasa de 14,000 km2/año (p < 0.01, 16% en total durante este período, alrededor del área de Columbia Británica, Canadá) de forma monótona desde 1950 hasta 2015 en respuesta al calentamiento global (Fig. 3c, d). La tasa de contracción se acelera después de la década de 1980, acompañada de un retroceso de los límites en todo el Círculo Polar Ártico (Fig. 2b): 60 km hacia el polo en América del Norte y 40 km hacia el polo en Eurasia durante 1950-2015.
The Arctic Tundra-Glacier (ArcTG) extent and boundary change based on climate index. a) El promedio de las zonas climáticas árticas fue de 1950 a 2015. Cambios de límites de ArcTG basados en el índice climático de (b) observación y (c) simulación CFS/SSiB4 durante 1950-2015, y (d) simulación CFS/SSiB4 durante 2015-2050. Las figuras que incluyen mapas en (a–d) son creadas por NCL (versión 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
The Arctic Tundra-Glacier (ArcTG) extent and boundary change based on vegetation index and comparison. Cambios de ArcTG basados en el índice de vegetación simulado CFS/SSiB4 durante (a) 1950-2015 y (b) 2015-2050. c) Series temporales y d) tendencias basadas en índices climáticos y de vegetación. * en (d) indica el valor con un nivel significativo en p < 0,01 (prueba de Mann-Kendall). Las figuras que incluyen mapas en (a) y (d) son generadas por NCL (versión 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Los modelos generalmente reproducen la cobertura de ArcTG y sus cambios basados en el índice climático durante 1950-2015 (Tabla 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim disminuye a 10,000 km2 / año (p < 0.01) durante 1950-2015, con retiros de límites de 50 km en América del Norte y 30 km en Eurasia (Fig. 2c), consistente pero inferior al ArcTGOBS-Clim. Sin embargo, el CFS/SSiB2 con condiciones de vegetación especificadas solo reproduce un tercio de la tasa de reducción observada y la tasa de reducción simulada CFS/SSiB4 (Fig. 3d). La falta de deposición de carbono negro y de emisión de gases de efecto invernadero en el CSA puede contribuir a las discrepancias. En el Ártico, se ha informado de que el carbono negro inducido por el hombre en la nieve acelera el efecto de calentamiento al aumentar la fuerza radiativa de la superficie32. La falta de emisión de gases de efecto invernadero debido a una mayor respiración de carbono del suelo también puede contribuir a subestimar el calentamiento atmosférico3,33. La respiración mejorada de carbono del suelo proviene del permafrost descongelado, donde la descomposición microbiana aumenta la respiración, los flujos de CO2 y metano a la atmósfera. Esto a su vez amplifica la tasa de calentamiento atmosférico y acelera aún más la degradación del permafrost, lo que resulta en una retroalimentación positiva del carbono del permafrost. Mientras tanto, la temperatura de calentamiento y la elevada concentración de CO2 en la atmósfera provocan un enriquecimiento de arbustos y árboles en el ecotono de la tundra del bosque ártico y producen retroalimentaciones positivas. En la proyección futura para 2015-2050, los índices climáticos simulados proyectan una disminución de aproximadamente 17.000 km2/año (p < 0,01) en la extensión del ArcTG, con un retroceso de 60 km en América del Norte y un retroceso de 40 km en Eurasia para 2050 (Fig. 2d).
El índice de vegetación observado basado en los productos del límite arbóreo arbóreo de la CAVM en el año 2003 delimita las latitudes más septentrionales en las que sobreviven las especies arbóreas, que se define como la tundra ártica geográfica y el límite meridional de los glaciares. El ArcTGOBS-Veg (para el año 2003, líneas verdes en la Fig. 2a) cubre 7,1 × 106 km2, con un área significativamente mayor que ArcTGOBS-Clim (para el año 2003, líneas azules en la Fig. 2a) en Alaska occidental, Escudo Canadiense, Península de Taymyr y Península de Yamal, donde el índice climático parece sugerir que los árboles aún pueden sobrevivir. Esto se debe a que la dinámica del límite arbóreo arbóreo no solo se ve afectada por el clima, sino que también está mediada por características específicas de la especie y condiciones ambientales, como el deshielo del permafrost34, que deteriora el régimen hidrológico local (como la profundidad de la capa activa) y daña el sistema radicular, lo que prohibiría el establecimiento de árboles. Estos factores no se consideran en los índices ArcTGOBS-Clim y ArcTGCFS/SSiB4-Clim y producen una estimación de extensión de área más baja con estos dos índices en comparación con los índices de vegetación. No podemos evaluar ni el promedio a largo plazo de la extensión de la vegetación de ArcTGOBS ni la tasa de avance utilizando el producto de límite arbóreo arbóreo CAVM, ya que es solo para 2003. El avance del límite arbóreo arbóreo para el siglo XX con varias fechas de inicio se ha reportado en varias mediciones de sitios en el ecotono circumártico bosque-tundra1, 35, 36, lo que indica una reducción del Ártico en las últimas décadas. El ArcTGCFS/SSiB4-Veg simulado cubre 6,8 × 106 km2 para el período de 1950 a 2015, y cubre 6,5 × 106 km2 para el año 2003. La reducción simulada de ArcTGCFS / SSiB4-Veg tiene consistencia con las mediciones de campo mencionadas anteriormente y muestra una reducción de ArcTG durante 1950-2015. Sin embargo, el retiro de límites de ArcTGCFS/SSiB4-Veg muestra una asimetría diferente en los continentes de América del Norte y Eurasia en comparación con la indicada por el índice climático. Aunque la línea arbórea euroasiática se desplaza 50 km hacia el polo, consistente con la de ArcTGCFS/SSiB4-Clim, no se encuentra ningún cambio significativo en la línea arbórea de América del Norte para ArcTGCFS/SSiB4-Veg (ver Fig. 3a). Las discrepancias entre el índice climático y el índice de vegetación en América del Norte sugieren que la reducción del ArcTGCFS/SSiB4-clim no causa un avance significativo del límite arbóreo arbóreo. Los rasgos específicos de la especie y las condiciones ambientales locales también pueden contribuir al avance del límite arbóreo arbóreo. De hecho, las observaciones del sitio en el Escudo Canadiense no encontraron el avance del límite arbóreo superior en el siglo 201. En contraste, dos sitios en la Península de Taymyr, Siberia, tuvieron un avance significativo en el límite arbóreo arbóreo1. Estas mediciones del sitio parecen ser consistentes con nuestra simulación. Se necesitan más evaluaciones con más datos para reducir la incertidumbre. En la proyección futura, se predice el avance del límite arbóreo superior en ambos continentes, con 60 km en América del Norte y 30 km en Eurasia (Fig. 3b), lo que supone una reducción de la extensión en 17.000 km2/año (p < 0,01, cuadro 1).