Il deserto del sahara (SD)
Durante 1950-2015, clima osservato indice mostra che SDOBS-Clim copre circa il 9,5 × 106 km2 in tutto il Nord Africa (Fig. 1a e Tabella 1), nell’intervallo riportato da Tucker et al.6. SDOBS-Clim ha un’espansione generale durante 1950-2015, circa 11,000 km2 / anno e aumenta 8% durante 1950-2015, che è generalmente coerente con gli studi precedenti2. Il confine meridionale di SDOBS-Clim avanza verso sud per circa 100 km dal 1950 al 2015 (Fig. 1 ter). Tuttavia, questa espansione generale non è costante nel tempo. Le aree del Sahel hanno subito un drastico cambiamento da condizioni umide negli anni ’50 a condizioni molto più secche negli anni’ 80, poi parzialmente recuperate dopo gli anni ’80. Un cambiamento di regime climatico è stato identificato durante gli anni’ 8015,28. Diverso da precedenti studi SD, che identificano solo una tendenza per l’intero periodo di studio, l’anno 1984, è identificato in questo studio come punti di svolta secondo Eq. (9) per indicare i periodi di espansione-restringimento SD. Coerentemente con il cambiamento climatico, la SD ha un’espansione di 35.000 km2/anno (p < 0,01, test di Mann-Kendall) durante il 1950-1984 e una contrazione di 12.000 km2/anno (p < 0,01) nel 1984-2015 (Fig. 1f). La più grande espansione verso sud si verifica durante il 1950-1984, con il confine sud SD espansione di 170 km, e un totale di 1.200.000 km2 di espansione (circa il doppio della superficie della Francia).
L’estensione del deserto del Sahara (SD) e il cambiamento dei confini in base agli indici climatici e vegetazionali. (a) Le zone climatiche dell’Africa settentrionale in media nel periodo 1950-2015. Cambiamenti del confine sud di SD basati sull’indice climatico da (b) osservazione e (c) simulazione CFS/SSiB4 durante 1950-2015 e (d) simulazione CFS/SSiB4 durante 2015-2050. Osservato e simulato (e) serie temporali e (f) tendenza dell’estensione SD definita dagli indici del clima e della vegetazione. Le barre di errore in (f) indicano una deviazione standard dovuta al criterio di non vegetazione basato su LAI di 0,08-0,12 m2/m2. * in (f) indica il valore con livello significativo a p < 0,01 (test di Mann-Kendall). Figura comprese le mappe in (a-d) sono creati da NCL (versione 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Gli indici climatici simulati riproducono correttamente l’estensione SD e i suoi cambiamenti durante 1950-2015 (Tabella 1). Le serie temporali di SDCFS/SSiB2-Clim e SDCFS/SSiB4-Clim sono ben correlate con SDOBS-Clim (Fig. 1e), con le correlazioni temporali maggiori di 0.71 (p < 0,01, media quinquennale). I modelli CFS generano circa 7600 km2/anno (CFS/SSiB2, p = 0,02) e 8000 km2/anno (CFS/SSiB4, p < 0,01) espansione dal 1950 al 2015, accompagnata dall’espansione dei confini meridionali di 70 km (CFS/SSiB4, Fig. 1c). Nel frattempo, i modelli riproducono correttamente il tasso di restringimento SD durante il 1984-2015. Tuttavia, sia CFS / SSiB2 che CFS/SSiB4 sottovalutano il tasso di espansione prima del 1984 di circa il 30%. Nel Sahel, le terre coltivate e i pascoli si sono espansi del 30% negli anni ’80 rispetto a quelli degli anni’ 5012 a causa del pascolo eccessivo, della deforestazione e della cattiva gestione del territorio8, 10. Un esperimento plurimodello ha dimostrato il contributo del land use and land cover change (LULCC) alla siccità degli anni ‘ 80, che dovrebbe causare il degrado dei terrieri12. Questo effetto antropogenico manca in questa simulazione CFS, che può portare a sottostimare il tasso di espansione SD durante 1950-1984. Inoltre, un numero costantemente inferiore di cambiamenti nella simulazione CFS / SSiB2 rispetto a quello nella CFS / SSiB4 nella SD e nel seguente ArcTG dimostra l’importanza del feedback bidirezionale vegetazione-clima nel cambiamento delle forme del terreno. I modelli CFS riproducono fino al 70% della tendenza di espansione osservata durante il 1950-1984 senza considerare LULCC nei modelli. Nel frattempo, durante il periodo di restringimento SD, mentre non si è verificato alcun LULCC notevole, i modelli CFS sono in grado di riprodurre il trend di restringimento osservato. Pertanto, i fattori climatici dominano i cambiamenti SD rispetto ad altri effetti, come LULCC.
Per la proiezione nel futuro, entro il 2050, con il Rappresentante di Concentrazione Percorso (RCP) 4.5 scenario dell’Intergovernmental Panel on Climate Change 5 ° Rapporto di Valutazione (AR5), che solo il CFS è in grado di condurre, la simulazione di un clima indici mostrano che senza LULCC SD amplierà ulteriormente di circa 6000 km2/anno (p = 0,18 per la CFS/SSiB2 e p = 0,15 per la CFS/SSiB4). Si prevede uno spostamento asimmetrico del confine, con circa 40 km di spostamento verso nord nel Sahel occidentale e 60 km di spostamento verso sud nel Sahel orientale (Fig. 1d). Nella proiezione futura, la temperatura del Sahel dovrebbe essere di circa 1,8 °C più calda della media del 1986-2015. Nonostante l’aumento previsto delle precipitazioni a metà del 21 ° secolo, l’elevata evaporazione indotta dal riscaldamento domina e rende l’area più secca e produce un’espansione SD. Lo stress da calore sull’ecosistema del Sahel è ben rappresentato in KTC e ha implicazioni importanti per la proiezione futura. Nel frattempo, le proiezioni di distribuzioni eterogenee di anomalie delle precipitazioni comportano diversi rischi di desertificazione per vari paesi del Sahel.
Diverso da precedenti studi simili, in questo studio, abbiamo anche utilizzato indici di vegetazione derivati dall’osservazione e un modello accoppiato clima-ecosistema per valutare l’estensione SD e il suo cambiamento, che fornisce una definizione geografica più chiara e può essere utilizzato per convalidare i risultati dell’indice climatico. Questo modello di ecosistema è stato ampiamente valutato per le sue prestazioni sulla variabilità e la tendenza degli ecosistemi nordamericani e globali15,30. Impieghiamo una gamma di 0.08-0.12 m2/m2 come criterio di non vegetazione per calcolare l’estensione SD e la sua deviazione con l’intervallo LAI assegnato. Le estensioni SD geografiche medie osservate e simulate (SDOBS-Veg e SDSSiB4-Veg) basate su questo intervallo sono rispettivamente 9,5 × 106 km2 e 9,6 × 106 km2, con confini quasi coincidenti con quelli basati sui loro corrispondenti indici climatici (Fig. 1 bis).
Il SDOBS-Veg inizia nel 1980 quando i dati satellitari sono disponibili e registra il periodo di recupero SD. Nel periodo 1984-2015, la SDOBS-Veg mostra una riduzione di 10.000 ± 2000 km2/anno (p < 0.01), vicino al cambiamento basato su SDOBS-Clim (12.000 km2 / anno, Fig. 1e, f). L’SDCFS/SSiB4-Veg simulato è all’incirca uguale all’indice climatico con un’espansione di 8000 ± 800 km2/anno (p < 0,01) durante il 1950-2015. Durante 2015-2050, il SDCFS / SSiB4-Veg ha proiettato un’espansione di 6900 ± 600 km2/anno (p = 0.14), vicina a quella derivata dall’indice climatico. Inoltre, la serie temporale di SDCFS / SSiB4-Veg è anche coerente con SDCFS / SSiB4-Clim con un coefficiente di correlazione di 0,73 (p < 0,01) (Fig. 1e, f) per l’intero periodo 1950-2050.
Il confine meridionale di SDCFS/SSiB4-Veg si espande 90 km verso sud durante 1950-2015 e avanzerà 40 km più a sud nel Sahel orientale durante 2015-2050. Nel Sahel occidentale, nessun cambiamento significativo è previsto durante 2015-2050, diverso dalla proiezione basata sull’indice climatico. Il CFS / SSiB2 utilizza LAI specificato. In quanto tale, nessuna valutazione può essere effettuata sulla base dell’indice di vegetazione. Con due definizioni, incrociamo l’incertezza nella valutazione / espansione SD del progetto a causa di due definizioni diverse e mostriamo che sono generalmente coerenti. Alcune discrepanze sono probabilmente dovute a errori nei LAI derivati dai satelliti e alle variabili climatiche e vegetazionali simulate nell’area di vegetazione rara31.
L’Artico
Il tasso di riscaldamento accelerato nelle regioni polari e le interazioni intensive tra clima e vegetazione, neve e ghiacciaio hanno portato a notevoli cambiamenti delle condizioni del terreno nell’area ArcTG negli ultimi decenni (Lloyd et al., 2003; Swann et al., 2010; Schaefer et al., 2011; Pearson et al., 2013; Frost e Epstein, 2014), ma mancano i rapporti sul cambiamento delle forme terrestri su scala continentale. L’indice climatico osservato mostra che l’arco mediogobs-Clim copre 5,7 × 106 km2 nel 1950-2015 (Fig. 2a e Tabella 1) ed è diminuito al tasso di 14.000 km2/anno (p < 0,01, 16% in totale durante questo periodo, circa l’area della British Columbia, Canada) monotonicamente dal 1950 al 2015 in risposta al riscaldamento globale (Fig. 3 quater, d). Il tasso di contrazione accelera dopo gli 1980. Il restringimento è accompagnato da un ritiro di confine in tutto il Circolo polare artico (Fig. 2b): 60 km poleward in Nord America e 40 km poleward in Eurasia durante 1950-2015.
L’Arctic Tundra-Glacier (ArcTG) estensione e cambiamento di confine in base all’indice climatico. (a) Le zone climatiche artiche in media nel periodo 1950-2015. Cambiamenti di confine ArcTG basati sull’indice climatico da (b) osservazione e (c) simulazione CFS/SSiB4 durante 1950-2015 e (d) simulazione CFS/SSiB4 durante 2015-2050. Le figure incluse le mappe in (a-d) sono create da NCL (versione 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
L’Arctic Tundra-Glacier (ArcTG) estensione e cambiamento di confine in base all’indice di vegetazione e al confronto. Modifiche dell’ArcTG basate sull’indice di vegetazione simulato CFS/SSiB4 durante (a) 1950-2015 e (b) 2015-2050. Estensione ArcTG osservata e simulata (c) serie temporali e (d) tendenze basate su indici climatici e vegetazionali. * in (d) indica il valore con livello significativo a p < 0,01 (test di Mann-Kendall). Le figure comprese le mappe di cui alle lettere a) e d) sono generate da NCL (versione 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
I modelli riproducono generalmente la copertura di ArcTG e i suoi cambiamenti in base all’indice climatico nel periodo 1950-2015 (Tabella 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim diminuisce a 10.000 km2 / anno (p < 0,01) durante il 1950-2015, con ritiri di confine di 50 km in Nord America e 30 km in Eurasia (Fig. 2c), coerente con ma inferiore al ArcTGOBS-Clim. Il CFS / SSiB2 con condizioni di vegetazione specificate, tuttavia, riproduce solo un terzo del tasso di riduzione osservato e CFS / SSiB4 simulato (Fig. 3d). La mancanza di depositi di carbonio nero e di emissioni di gas serra nei CFS può contribuire alle discrepanze. Nell’Artico, si dice che il carbonio nero indotto dall’uomo sulla neve acceleri l’effetto di riscaldamento aumentando la forza radiativa superficiale32. La mancanza di emissioni di gas a effetto serra dovuta a una maggiore respirazione del carbonio nel suolo può anche contribuire a sottovalutare il riscaldamento atmosferico3,33. La respirazione del carbonio del suolo migliorata proviene dal permafrost scongelato, dove il decadimento microbico sta aumentando la respirazione CO2 e i flussi di metano nell’atmosfera. Questo a sua volta amplifica il tasso di riscaldamento atmosferico e accelera ulteriormente la degradazione del permafrost, ottenendo un feedback positivo sul carbonio del permafrost. Nel frattempo, la temperatura di riscaldamento e l’elevata concentrazione atmosferica di CO2 causano un arricchimento di arbusti e alberi nella foresta artica-tundra ecotone e producono feedback positivi. Nella proiezione futura per il 2015-2050, gli indici climatici simulati prevedono una diminuzione di 17.000 km2/anno (p < 0,01) nell’estensione ArcTG, con 60 km di ritiro in Nord America e 40 km di ritiro in Eurasia entro il 2050 (Fig. 2d).
L’indice di vegetazione osservato basato sui prodotti di CAVM treeline nell’anno di 2003 delinea le latitudini più settentrionali in cui sopravvivono le specie arboree, che è definito come la tundra artica geografica e il confine meridionale del ghiacciaio. Il ArcTGOBS-Veg (per l’anno 2003, linee verdi in Fig. 2a) copre 7,1 × 106 km2, con una superficie significativamente più grande di ArcTGOBS-Clim (per l’anno 2003, linee blu in Fig. 2a) nell’Alaska occidentale, nello scudo canadese, nella penisola di Taymyr e nella penisola di Yamal, dove l’indice climatico sembra suggerire che gli alberi siano ancora in grado di sopravvivere. Questo perché le dinamiche della linea degli alberi non sono solo influenzate dal clima, ma anche mediate da tratti specifici della specie e condizioni ambientali come lo scongelamento del permafrost34, che deteriora il regime idrologico locale (come la profondità dello strato attivo) e danneggia il sistema radicale che vieterebbe la creazione di alberi. Questi fattori non sono considerati negli ArcTGOBS-Clim e ArcTGCFS / SSiB4-Clim e producono una stima dell’estensione dell’area inferiore con questi due indici rispetto agli indici di vegetazione. Non possiamo valutare né la media a lungo termine dell’estensione ArcTGOBS-Veg né il tasso di anticipo utilizzando il prodotto CAVM treeline poiché è solo per 2003. L ” anticipo treeline per il 20 ° secolo con varie date di inizio è stato riportato in una serie di misurazioni del sito in tutta la foresta circumartica-tundra ecotone1,35,36, indicando un restringimento artico negli ultimi decenni. L’ArcTGCFS/SSiB4-Veg simulato copre 6,8 × 106 km2 per il periodo 1950-2015 e copre 6,5 × 106 km2 per l’anno 2003. Il restringimento ArcTGCFS/SSiB4-Veg simulato ha coerenza con le misure di campo sopra menzionate e mostra un restringimento ArcTG durante il 1950-2015. Il ritiro di confine ArcTGCFS/SSiB4-Veg, tuttavia, mostra una diversa asimmetria nei continenti nordamericano ed eurasiatico rispetto a quella indicata dall’indice climatico. Anche se la linea degli alberi eurasiatici sposta 50 km verso il polo, coerente con quella di ArcTGCFS/SSiB4-Clim, ma nessun cambiamento significativo nella linea degli alberi del Nord America si trova per ArcTGCFS / SSiB4-Veg (vedi Fig. 3 bis). Le discrepanze tra l’indice climatico e l’indice di vegetazione in Nord America suggeriscono che il restringimento dell’ArcTGCFS/SSiB4-clim non causa un significativo avanzamento della linea degli alberi. I tratti specifici della specie e le condizioni ambientali locali possono anche contribuire all’avanzamento della linea degli alberi. In effetti, le osservazioni del sito nello Scudo canadese non hanno trovato l’avanzata della linea degli alberi nel 20 ° secolo1. Al contrario, due siti nella penisola di Taymyr, in Siberia, hanno avuto un significativo avanzamento della linea degli alberi1. Queste misurazioni del sito sembrano essere coerenti con la nostra simulazione. Sono necessarie ulteriori valutazioni con più dati per ridurre l’incertezza. Nella proiezione futura, l’avanzata della linea degli alberi è prevista in entrambi i continenti, con 60 km in Nord America e 30 km in Eurasia (Fig. 3b), con conseguente riduzione dell’estensione di 17.000 km2/anno (p < 0,01, Tabella 1).