Le désert du Sahara (SD)
Au cours de la période 1950-2015, l’indice climatique observé montre que SDOBS-Clim couvre environ 9,5 × 106 km2 à travers l’Afrique du Nord (Fig. 1a et tableau 1), dans la fourchette indiquée par Tucker et al.6. Le SDOBS-Clim connaît une expansion générale entre 1950 et 2015, de l’ordre de 11 000 km2/an et augmente de 8 % entre 1950 et 2015, ce qui est généralement cohérent avec les études précédentes2. La limite sud de SDOBS-Clim s’avance vers le sud sur environ 100 km de 1950 à 2015 (Fig. 1b). Cependant, cette expansion générale n’est pas constante dans le temps. Les zones sahéliennes ont connu un changement radical, passant de conditions humides dans les années 1950 à des conditions beaucoup plus sèches dans les années 1980, puis partiellement rétablies après les années 1980.Un changement de régime climatique a été identifié au cours des années 198015,28. Contrairement aux études précédentes sur le développement durable, qui n’identifient qu’une seule tendance pour toute la période de l’étude, l’année 1984, est identifiée dans la présente étude comme des points tournants selon l’Eq. (9) pour indiquer les périodes d’expansion et de réduction du SD. Conformément au changement climatique, le SD a connu une expansion de 35 000 km2/an (p < 0,01, test de Mann-Kendall) entre 1950 et 1984, et une diminution de 12 000 km2/an (p < 0,01) entre 1984 et 2015 (Fig. 1f). La plus grande expansion vers le sud se produit entre 1950 et 1984, avec une expansion de la limite sud du SD de 170 km et une expansion totale de 1 200 000 km2 (environ le double de la superficie de la France).
L’étendue et le changement des limites du désert du Sahara (SD) en fonction des indices climatiques et de végétation. (a) La moyenne des zones climatiques d’Afrique du Nord sur la période 1950-2015. Changements de la limite sud du SD basés sur l’indice climatique de (b) l’observation et (c) la simulation CFS/SSiB4 au cours de la période 1950-2015, et (d) la simulation CFS/SSiB4 au cours de la période 2015-2050. Observé et simulé (e) séries chronologiques et (f) tendance de l’étendue du développement durable définie par les indices climatiques et de végétation. Les barres d’erreur en (f) indiquent un écart-type dû à la plage de critères de non–végétation basée sur l’IAI de 0,08 à 0,12 m2/m2. * in(f) indique la valeur avec un niveau significatif à p < 0,01 (test de Mann-Kendall). La figure incluant les cartes dans (a-d) est créée par NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Les indices climatiques simulés reproduisent correctement l’étendue du SD et ses changements entre 1950 et 2015 (tableau 1). Les séries chronologiques de SDCFS/SSiB2-Clim et SDCFS/SSiB4-Clim sont bien corrélées avec SDOBS-Clim (Fig. 1e), les corrélations temporelles étant supérieures à 0.71 (p < 0,01, moyenne quinquennale). Les modèles CFS génèrent une expansion d’environ 7600 km2/an (CFS/SSiB2, p = 0,02) et 8000 km2/an (CFS/ SSiB4, p < 0,01) de 1950 à 2015, accompagnée d’une expansion des limites sud de 70 km (CFS/ SSiB4, Fig. 1c). Pendant ce temps, les modèles reproduisent correctement le taux de réduction de l’écart-type entre 1984 et 2015. Cependant, le CSA/SSiB2 et le CSA/SSiB4 sous-estiment le taux d’expansion avant 1984 d’environ 30 %. Au Sahel, les terres cultivées et les pâturages ont augmenté de 30 % dans les années 1980 par rapport aux années 195012 en raison du surpâturage, de la déforestation et d’une mauvaise gestion des terres8,10. Une expérience multi-modèles a démontré la contribution du changement d’utilisation et de couverture des terres (LULCC) à la sécheresse des années 1980, qui devrait provoquer une dégradation des terres12. Cet effet anthropique est absent dans cette simulation du SFC, ce qui peut conduire à une sous-estimation du taux d’expansion du SD entre 1950 et 1984. De plus, un nombre toujours moindre de changements dans la simulation CFS / SSiB2 par rapport à celui dans CFS / SSiB4 dans SD et après ArcTG démontre l’importance de la rétroaction bidirectionnelle végétation-climat dans le changement de relief. Les modèles du SFC reproduisent jusqu’à 70 % de la tendance d’expansion observée entre 1950 et 1984 sans tenir compte des CCPL dans les modèles. Pendant ce temps, pendant la période de contraction du DD, bien qu’aucune CCPL remarquable ne se soit produite, les modèles du SFC sont en mesure de reproduire la tendance à la contraction observée. Par conséquent, les facteurs climatiques dominent les changements du développement durable par rapport à d’autres effets, tels que les CCUL.
Pour la projection future jusqu’en 2050 avec le scénario de la Voie de concentration représentative (PCR) 4.5 du 5e Rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (RE5), que seul le CSA est capable de réaliser, les indices climatiques simulés montrent qu’en l’absence de CCPL, le développement durable s’étendra encore d’environ 6000 km2/an (p = 0,18 pour le CSA/SSiB2 et p = 0,15 pour le CSA/SSiB4). Un déplacement asymétrique des limites est projeté, avec un déplacement d’environ 40 km vers le nord dans le Sahel occidental et un déplacement de 60 km vers le sud dans le Sahel oriental (Fig. 1d). Dans les projections futures, la température du Sahel devrait être d’environ 1,8 ° C plus chaude que la moyenne de 1986-2015. Malgré l’augmentation prévue des précipitations au milieu du 21e siècle, la forte évaporation induite par le réchauffement domine et rend la zone plus sèche et donne une expansion du SD. Le stress thermique sur l’écosystème du Sahel est bien représenté dans KTC et a une implication importante pour la projection future. Dans le même temps, les distributions d’anomalies de précipitations hétérogènes projetées entraînent des risques de désertification différents pour les différents pays sahéliens.
Contrairement aux études similaires précédentes, dans cette étude, nous avons également utilisé des indices de végétation dérivés de l’observation et un modèle couplé climat-écosystème pour évaluer l’extension du SD et son changement, ce qui fournit une définition géographique plus claire et peut être utilisé pour valider les résultats de l’indice climatique. Ce modèle d’écosystème a fait l’objet d’une évaluation approfondie pour son rendement sur la variabilité et la tendance des écosystèmes nord-américains et mondiaux15,30. Nous employons une plage de 0,08 à 0.12 m2 / m2 comme critère de non-végétation pour calculer l’étendue du SD et son écart avec la plage de LAI assignée. Les étendues d’écart-type géographiques moyennes observées et simulées (SDOBS-Veg et SDSSiB4-Veg) sur la base de cette plage sont respectivement de 9,5 × 106 km2 et de 9,6 × 106 km2, avec des limites qui coïncident presque avec celles basées sur leurs indices climatiques correspondants (Fig. 1 bis).
Le SDOBS-Veg commence dans les années 1980 lorsque les données satellitaires sont disponibles et enregistre la période de récupération du SD. Au cours de la période 1984-2015, le SDOBS-Veg montre une réduction de 10 000 ± 2 000 km2/an (p < 0.01), proche du changement basé sur SDOBS-Clim (12 000 km2/an, Fig. 1e, f). Le SDCFS simulé/ SSiB4-Veg est à peu près le même que l’indice climatique avec une expansion de 8000 ± 800 km2 / an (p < 0,01) entre 1950 et 2015. Au cours de la période 2015-2050, le SDCFS/SSiB4-Veg a projeté une expansion de 6900 ± 600 km2/an (p = 0,14), proche de celle dérivée de l’indice climatique. De plus, la série chronologique de SDCF/SSiB4-Veg est également cohérente avec SDCF/SSiB4-Clim avec un coefficient de corrélation de 0,73 (p < 0,01) (Fig. 1e, f) pour toute la période 1950-2050.
La limite sud du SDCFS/SSiB4-Veg s’étend de 90 km vers le sud au cours de la période 1950-2015 et progressera de 40 km plus au sud dans le Sahel oriental au cours de la période 2015-2050. Au Sahel occidental, aucun changement significatif n’est prévu au cours de la période 2015-2050, différent de la projection basée sur l’indice climatique. Le CFS/SSiB2 utilise des LAI spécifiés. À ce titre, aucune évaluation ne peut être faite sur la base de l’indice de végétation. Avec deux définitions, nous croisons l’incertitude dans l’évaluation / l’expansion du DD du projet en raison de deux définitions différentes et montrons qu’elles sont généralement cohérentes. Certaines divergences sont probablement dues à des erreurs dans les variables LAI dérivées par satellite et les variables simulées du climat et de la végétation sur la zone de végétation clairsemée31.
L’arctique
Le taux de réchauffement accéléré dans les régions polaires et les interactions intensives entre le climat et la végétation, la neige et les glaciers ont entraîné des changements remarquables de l’état des terres dans la région d’ArcTG au cours des dernières décennies (Lloyd et al., 2003; Swann et coll., 2010; Schaefer et coll., 2011; Pearson et coll., 2013; Frost et Epstein, 2014), mais les rapports sur le changement du relief à l’échelle continentale font défaut. L’indice climatique observé montre que l’ArcTGOBS-Clim moyen couvre 5,7 × 106 km2 entre 1950 et 2015 (Fig. 2a et tableau 1) et est diminué au rythme de 14 000 km2 / an (p < 0,01, 16% au total pendant cette période, sur la superficie de la Colombie-Britannique, Canada) de manière monotone de 1950 à 2015 en réponse au réchauffement climatique (Fig. 3c, d). Le taux de rétrécissement s’accélère après les années 1980. Le rétrécissement s’accompagne d’un recul des limites partout autour du cercle polaire arctique (Fig. 2b) : 60 km au pôle en Amérique du Nord et 40 km au pôle en Eurasie entre 1950 et 2015.
L’étendue et le changement des limites de la toundra arctique-Glacier (ArcTG) en fonction de l’indice climatique. (a) La moyenne des zones climatiques arctiques sur la période 1950-2015. Changements aux limites de l’ArcTG basés sur l’indice climatique de (b) l’observation et (c) la simulation CFS/SSiB4 au cours de la période 1950-2015, et (d) la simulation CFS/SSiB4 au cours de la période 2015-2050. Les figures incluant les cartes en (a-d) sont créées par NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
L’étendue et le changement des limites de la toundra arctique-Glacier (ArcTG) d’après l’indice de végétation et la comparaison. Changements de l’ArcTG basés sur l’indice de végétation simulé CFS/SSiB4 pendant (a) 1950-2015 et (b) 2015-2050. Étendue de l’ArcTG observée et simulée (c) séries chronologiques et (d) tendances basées sur les indices climatiques et de végétation. * in(d) indique la valeur avec un niveau significatif à p < 0,01 (test de Mann-Kendall). Les figures incluant les cartes en (a) et (d) sont générées par NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Les modèles reproduisent généralement la couverture de l’ArcTG et ses changements en fonction de l’indice climatique entre 1950 et 2015 (tableau 1). ArcTGCFS/SSiB4-Clim diminue à 10 000 km2/an (p < 0,01) entre 1950 et 2015, avec des reculs de 50 km en Amérique du Nord et de 30 km en Eurasie (Fig. 2c), compatible avec mais inférieur à l’ArcTGOBS-Clim. Cependant, le CFS/SSiB2 avec des conditions de végétation spécifiées ne reproduit qu’un tiers du taux de réduction observé et simulé par le CFS/SSiB4 (Fig. 3d). L’absence de dépôts de carbone noir et d’émissions de gaz à effet de serre dans le CSA peut contribuer aux écarts. Dans l’Arctique, le carbone noir d’origine humaine sur la neige accélérerait l’effet de réchauffement en améliorant le forçage radiatif de surface32. L’absence d’émission de gaz à effet de serre due à une respiration accrue du carbone dans le sol peut également contribuer à une sous-estimation du réchauffement atmosphérique3,33. La respiration accrue du carbone du sol provient du pergélisol dégelé, où la désintégration microbienne augmente les flux de CO2 et de méthane dans l’atmosphère. Cela amplifie à son tour le taux de réchauffement atmosphérique et accélère encore la dégradation du pergélisol, ce qui entraîne une rétroaction positive du carbone du pergélisol. Pendant ce temps, le réchauffement de la température et l’augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 provoquent un enrichissement des arbustes et des arbres dans l’écotone forêt-toundra arctique et produisent des rétroactions positives. Dans la projection future pour 2015-2050, les indices climatiques simulés projettent une diminution de l’étendue de l’ArcTG d’environ 17 000 km2/an (p < 0,01), avec un recul de 60 km en Amérique du Nord et de 40 km en Eurasie d’ici 2050 (Fig. 2d).
L’indice de végétation observé basé sur les produits de la limite forestière du CAVM en 2003 délimite les latitudes les plus septentrionales où survivent les espèces d’arbres, qui est définie comme la limite géographique de la toundra arctique et du glacier au sud. Les ArcTGOBS-Veg (pour l’année 2003, lignes vertes sur la Fig. 2a) couvre 7,1 × 106 km2, avec une superficie nettement plus grande que ArcTGOBS-Clim (pour l’année 2003, lignes bleues de la fig. 2a) dans l’ouest de l’Alaska, le Bouclier canadien, la péninsule de Taymyr et la péninsule de Yamal, où l’indice climatique semble suggérer que les arbres sont encore capables de survivre. En effet, la dynamique de la limite des arbres n’est pas seulement affectée par le climat, mais aussi par des caractéristiques spécifiques à l’espèce et des conditions environnementales telles que le dégel du pergélisol34, ce qui détériore le régime hydrologique local (comme la profondeur de la couche active) et endommage le système racinaire qui interdirait l’établissement des arbres. Ces facteurs ne sont pas pris en compte dans les ArcTGOBS-Clim et ArcTGCFS/SSiB4-Clim et produisent une estimation de l’étendue de la surface inférieure avec ces deux indices par rapport aux indices de végétation. Nous ne pouvons évaluer ni la moyenne à long terme de l’étendue de l’ArcTGOBS-Veg ni le taux d’avance en utilisant le produit de la limite forestière CAVM, car il ne concerne que 2003. L’avancée de la limite des arbres pour le 20e siècle avec diverses dates de début a été signalée dans un certain nombre de mesures de sites à travers l’écotone de la forêt et de la toundra circumarctique1,35,36, indiquant un rétrécissement de l’Arctique au cours des dernières décennies. L’ArcTGCFS/SSiB4-Veg simulé couvre 6,8 × 106 km2 pour la période 1950-2015 et couvre 6,5 × 106 km2 pour l’année 2003. Le rétrécissement simulé de l’ArcTGCFS/SSiB4-Veg est conforme aux mesures de terrain susmentionnées et montre un rétrécissement de l’ArcTG entre 1950 et 2015. Le retrait de la limite ArcTGCFS / SSiB4-Veg montre cependant une asymétrie différente dans les continents nord-américain et eurasien par rapport à celle indiquée par l’indice climatique. Bien que la limite arborescente eurasienne se déplace de 50 km vers le pôle, conformément à celle d’ArcTGCFS/SSiB4-Clim, aucun changement significatif de la limite arborescente nord-américaine n’est observé pour ArcTGCFS/SSiB4-Veg (voir Fig. 3 bis). Les écarts entre l’indice climatique et l’indice de végétation en Amérique du Nord suggèrent que le rétrécissement de l’ArcTGCFS/SSiB4-clim n’y provoque pas d’avancée significative de la limite des arbres. Les caractéristiques propres à l’espèce et les conditions environnementales locales peuvent également contribuer à l’avancée de la limite des arbres. En fait, les observations du site dans le Bouclier canadien n’ont pas trouvé l’avancée de la limite des arbres au 20e siècle1. En revanche, deux sites de la péninsule de Taymyr, en Sibérie, présentaient une avancée significative de la limite des arbres 1. Ces mesures de site semblent être cohérentes avec notre simulation. D’autres évaluations avec plus de données sont nécessaires pour réduire l’incertitude. Dans la projection future, l’avance de la limite des arbres est prévue sur les deux continents, avec 60 km en Amérique du Nord et 30 km en Eurasie (Fig. 3b), entraînant une diminution de l’étendue de 17 000 km2/an (p < 0,01, tableau 1).