the sahara desert (SD)
gedurende 1950-2015 toont de waargenomen klimaatindex aan dat SDOBS-Clim ongeveer 9,5 × 106 km2 beslaat in Noord-Afrika (Fig. 1a en Tabel 1), binnen het bereik gerapporteerd door Tucker et al.6. SDOBS-Clim heeft een algemene expansie in 1950-2015, ongeveer 11.000 km2/jaar en stijgt 8% in 1950-2015, wat in het algemeen overeenkomt met de vorige studies2. De zuidelijke grens van Sdobs-Clim rukt zuidwaarts op ongeveer 100 km van 1950 tot 2015 (Fig. 1 ter). Deze algemene Expansie is echter niet constant in de tijd. De Sahel-gebieden ondergingen een dramatische verandering van natte omstandigheden in de jaren vijftig naar veel drogere omstandigheden in de jaren tachtig, en herstelden zich vervolgens gedeeltelijk na de jaren tachtig. Anders dan eerdere SD-studies, die slechts één trend voor de gehele studieperiode, het jaar 1984, wordt geïdentificeerd in deze studie als keerpunten volgens Eq. (9) om de SD-expansie-krimpperioden aan te geven. In overeenstemming met de klimaatverschuiving heeft de SD een expansie van 35.000 km2/jaar (p < 0,01, Mann-Kendall test) gedurende 1950-1984, en een krimp van 12.000 km2/jaar (p < 0,01) in 1984-2015 (Fig. 1f). De grootste uitbreiding naar het zuiden vindt plaats in 1950-1984, met een uitbreiding van 170 km ten zuiden van de SD en een totale uitbreiding van 1.200.000 km2 (ongeveer twee keer het gebied van Frankrijk).
de Sahara woestijn (SD) omvang en grens verandering op basis van klimaat en vegetatie indices. (a) de klimaatzones in Noord-Afrika waren gemiddeld 1950-2015. SD southern boundary changes based on climate index from (B) observation and (C) CFS/SSiB4 simulation during 1950-2015, and (d) CFS/SSiB4 simulation during 2015-2050. Waargenomen en gesimuleerde (e) tijdreeksen en (f) trend van SD-omvang gedefinieerd door Klimaat-en vegetatie-indices. De foutbalken onder f) geven één standaardafwijking aan als gevolg van het op LAI gebaseerde niet-vegetatiecriterium van 0,08–0,12 m2/m2. * onder f) geeft de waarde aan met een significant niveau bij P < 0,01 (Mann-Kendall-test). Figuur met kaarten in (a-d) zijn gemaakt door NCL (versie 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
de gesimuleerde klimaatindices reproduceren de omvang van de SD en de veranderingen in de periode 1950-2015 (Tabel 1). De tijdreeks van SDCFS/Sib2-Clim en SDCFS / Sib4-Clim zijn goed gecorreleerd met SDOBS-Clim (Fig. 1e), waarbij de temporele correlaties groter zijn dan 0.71 (p < 0,01, opvolgende gemiddelde over vijf jaar). De CFS modellen genereren ongeveer 7600 km2/jaar (CFS/SSiB2, p = 0,02) en 8000 km2/jaar (CFS/SSiB4, p < 0,01) expansie van 1950 tot 2015, vergezeld van de uitbreiding van de zuidelijke grenzen met 70 km (CFS / SSiB4, Fig. 1c). Ondertussen reproduceren de modellen correct SD-krimpsnelheid in 1984-2015. Zowel CFS/SSiB2 als CFS / SSiB4 onderschatten echter het groeipercentage vóór 1984 met ongeveer 30%. In de Sahel zijn bouwland en weidegronden in de jaren tachtig met 30% gegroeid ten opzichte van de jaren vijftig 12 als gevolg van overbegrazing, ontbossing en slecht landbeheer8, 10. Uit een experiment met meerdere modellen is gebleken dat landgebruik en verandering in landbedekking (LULCC) bijdragen tot de droogte in de jaren tachtig, die tot bodemdegradatie zou moeten leiden12. Dit antropogene effect ontbreekt in deze CFS simulatie, wat kan leiden tot onderschatting van de SD expansiesnelheid gedurende 1950-1984. Bovendien tonen consistent minder veranderingen in de CFS/SSiB2-simulatie in vergelijking met die in CFS/SSiB4 in SD en volgend ArcTG het belang aan van tweerichtingsfeedback tussen vegetatie en klimaat in landvormveranderingen. De CFS modellen reproduceren tot 70% van de waargenomen expansietendens gedurende 1950-1984 zonder rekening te houden met LULCC in modellen. Ondertussen, tijdens de SD krimpende periode, terwijl er geen opmerkelijke LULCC opgetreden, CFS modellen zijn in staat om de waargenomen krimpende trend te reproduceren. Daarom domineren de klimaatfactoren SD-veranderingen in vergelijking met andere effecten, zoals LULCC.
voor de toekomstige projectie tot en met 2050 met het Representative Concentration Pathway (RCP) 4.5 scenario van het Intergovernmental Panel on Climate Change 5th Assessment Report (AR5), dat alleen CFS kan uitvoeren, tonen de gesimuleerde klimaatindices aan dat zonder LULCC de SD verder zal groeien met ongeveer 6000 km2/jaar (p = 0,18 voor CFS/SSiB2 en p = 0,15 voor CFS/SSiB4). Er wordt een asymmetrische grensverschuiving gepland, met ongeveer 40 km verplaatsing naar het noorden in de westelijke Sahel en 60 km verplaatsing naar het zuiden in de oostelijke Sahel (Fig. 1d). In de toekomstige projectie zal de Sahel temperatuur ongeveer 1,8 °C warmer zijn dan het gemiddelde van 1986-2015. Ondanks de verwachte toename van de neerslag in het midden van de 21e eeuw, domineert de opwarming-geïnduceerde hoge verdamping en maakt het gebied droger en levert een SD-expansie op. De hittestress op het Sahel ecosysteem is goed vertegenwoordigd in KTC en heeft belangrijke implicaties voor de toekomstige projectie. Ondertussen resulteren de geprojecteerde heterogene distributie van neerslaganomalie in verschillende woestijnvormingsrisico ‘ s voor verschillende Sahelische landen.
anders dan eerdere soortgelijke studies, hebben we in deze studie ook vegetatie-indices gebruikt die zijn afgeleid van observatie en een gekoppeld klimaat-ecosysteem-model om de SD-uitbreiding en de verandering ervan te beoordelen, wat een duidelijkere geografische definitie biedt en kan worden gebruikt om de resultaten van de klimaat-index te kruisvalideren. Dit ecosysteem model is uitgebreid geëvalueerd voor zijn prestaties op Noord-Amerikaanse en wereldwijde ecosysteem variabiliteit en trend15, 30. We gebruiken een bereik van 0,08-0.12 m2 / m2 als het niet-vegetatiecriterium om de SD-omvang en de afwijking ervan met het toegewezen LAI-bereik te berekenen. De geobserveerde en gesimuleerde gemiddelde geografische SD-extensies (SDOBS-Veg en SDSSiB4-Veg) op basis van dit bereik zijn respectievelijk 9,5 × 106 km2 en 9,6 × 106 km2, met grenzen die bijna samenvallen met die op basis van hun overeenkomstige klimaatindices (Fig. 1 bis).
de SDOBS-Veg begint in de jaren tachtig wanneer de satellietgegevens beschikbaar zijn en registreert de SD-herstelperiode. In de periode 1984-2015 vertoont de SDOBS-Veg een daling van 10.000 ± 2000 km2/jaar (p < 0.01), dicht bij de verandering op basis van SDOBS-Clim (12.000 km2/jaar, Fig. 1e, f). De gesimuleerde SDCFS/SSiB4-Veg is ongeveer hetzelfde als de klimaatindex met 8000 ± 800 km2/jaar (p < 0,01) expansie gedurende 1950-2015. In de periode 2015-2050 heeft de SDCFS/SSiB4-Veg een groei van 6900 ± 600 km2/jaar (p = 0,14) voorspeld, dicht bij die van de klimaatindex. Bovendien is de tijdreeks van SDCFS/Sib4-Veg ook consistent met SDCFS/Sib4-Clim met een correlatiecoëfficiënt van 0,73 (p < 0,01) (Fig. 1e, f) voor de gehele periode 1950-2050.
de zuidelijke grens van SDCFS/SSiB4-Veg breidt zich in de periode 1950-2015 90 km zuidwaarts uit en zal in de periode 2015-2050 40 km zuidwaarts in de oostelijke Sahel vooruitgaan. In de westelijke Sahel wordt geen significante verandering verwacht in de periode 2015-2050, anders dan de projectie op basis van de klimaatindex. De CFS / SSiB2 gebruikt gespecificeerde LAI. Als zodanig kan geen beoordeling worden gemaakt op basis van de vegetatie-index. Met twee definities, we cross-evalueren van de onzekerheid in de beoordeling / Project SD uitbreiding als gevolg van twee verschillende definities en tonen ze zijn over het algemeen consistent. Sommige discrepanties zijn waarschijnlijk te wijten aan fouten in satelliet-afgeleide LAI en gesimuleerde klimaat-en vegetatievariabelen in het schaarse vegetatiegebied31.
het Noordpoolgebied
de versnelde opwarming in de poolgebieden en de intensieve interacties tussen klimaat en vegetatie, sneeuw en gletsjer hebben de afgelopen decennia geleid tot opmerkelijke veranderingen in de landconditie in het ArcTG-gebied (Lloyd et al., 2003; Swann et al., 2010; Schaefer et al., 2011; Pearson et al., 2013; Frost and Epstein, 2014), maar rapporten over landvormveranderingen op continentale schaal ontbreken. De waargenomen klimaatindex laat zien dat de gemiddelde ArcTGOBS-Clim 5,7 × 106 km2 beslaat in 1950-2015 (Fig. 2a en Tabel 1) en is gedaald met een snelheid van 14.000 km2/jaar (p < 0,01, 16% in totaal gedurende deze periode, over het gebied van British Columbia, Canada) eentonig van 1950 tot 2015 als reactie op de opwarming van de aarde (Fig. 3c, d). De krimpende snelheid versnelt na de jaren ‘ 80. de krimp gaat gepaard met een terugtrekkende grens rondom de poolcirkel (Fig. 2b): 60 km poleward in Noord-Amerika en 40 km poleward in Eurazië in 1950-2015.
de Arctische toendra-gletsjer (ArcTG) omvang en grensverandering gebaseerd op klimaatindex. (A) Het gemiddelde van de Arctische klimaatzones in de periode 1950-2015. Arctg boundary changes based on climate index from (B) observation and (C) CFS/SSiB4 simulation during 1950-2015, and (d) CFS/SSiB4 simulation during 2015-2050. Figuren met kaarten in (a-d) zijn gemaakt door NCL (versie 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
de Arctische toendra-gletsjer (ArcTG) omvang en grensverandering op basis van vegetatie-index en vergelijking. Veranderingen van ArcTG gebaseerd op CFS/SSiB4 gesimuleerde vegetatie index tijdens (a) 1950-2015 en (b) 2015-2050. Waargenomen en gesimuleerde arctg omvang (C) tijdreeksen en (d) trends op basis van klimaat-en vegetatie-indices. * onder d) geeft de waarde aan met een significant niveau bij P < 0,01 (Mann-Kendall-test). Cijfers inclusief kaarten in (a) en (d) worden gegenereerd door NCL (versie 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
de modellen reproduceren over het algemeen de dekking van ArcTG en zijn veranderingen op basis van de klimaatindex gedurende 1950-2015 (Tabel 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim vermindert met 10.000 km2/jaar (p < 0,01) gedurende 1950-2015, met grensretrekkingen met 50 km in Noord-Amerika en 30 km in Eurazië (Fig. 2c), consistent met maar lager dan de ArcTGOBS-Clim. De CFS / SSiB2 met gespecificeerde vegetatieomstandigheden reproduceert echter slechts een derde van de waargenomen en CFS / SSiB4 gesimuleerde reductiesnelheid (Fig. 3d). Het ontbreken van zwarte koolstofdepositie en de uitstoot van broeikasgassen in CFS kan bijdragen tot de discrepanties. In het Noordpoolgebied zou door de mens veroorzaakte zwarte koolstof op sneeuw het opwarmeffect versnellen door de oppervlaktestraling te versterken32. Het gebrek aan broeikasgasemissies als gevolg van een verhoogde koolstofademhaling in de bodem kan ook bijdragen tot een onderschatting van de atmosferische opwarming 3.33. De verbeterde bodem koolstofademhaling komt van ontdooid permafrost, waar microbieel verval de ademhaling CO2 en methaanfluxen naar de atmosfeer verhoogt. Dit verhoogt op zijn beurt de snelheid van atmosferische opwarming en versnelt verder degradatie van permafrost, resulterend in een positieve permafrost koolstof terugkoppeling. Ondertussen, de opwarming van de temperatuur en verhoogde atmosferische CO2-concentratie veroorzaken een verrijking van struiken en bomen in het Arctische bos-toendra ecotone en produceren positieve feedback. In de toekomstige projectie voor 2015-2050, de gesimuleerde klimaatindices project over een 17.000 km2/jaar (p < 0,01) daling van arctg omvang, met 60 km retraite in Noord-Amerika en 40 km retraite in Eurazië tegen 2050 (Fig. 2d).
de waargenomen vegetatie-index op basis van de producten van de CAVM-boomlijn in het jaar 2003 geeft de meest noordelijke breedtegraden aan waar boomsoorten overleven, wat gedefinieerd wordt als de geografische arctische toendra en de zuidelijke grens van de gletsjer. De ArcTGOBS-Veg (voor het jaar 2003, groene lijnen in Fig. 2a) beslaat 7,1 × 106 km2, met een aanzienlijk groter oppervlak dan ArcTGOBS-Clim (voor het jaar 2003, blauwe lijnen in Fig. 2a) in West-Alaska, Canadian Shield, Taymyr Peninsula en het Yamal Peninsula, waar de klimaatindex lijkt te suggereren dat bomen nog steeds in staat zijn om te overleven. Dit komt omdat de boomlijndynamiek niet alleen wordt beïnvloed door het klimaat, maar ook wordt gemedieerd door soortspecifieke eigenschappen en omgevingscondities zoals permafrost-ontdooiing34, waardoor het lokale hydrologische regime (zoals actieve laagdiepte) verslechtert en het wortelsysteem wordt aangetast dat boomvorming zou verbieden. Deze factoren worden niet in aanmerking genomen in de ArcTGOBS-Clim en ArcTGCFS/SSiB4-Clim en produceren lagere oppervlakteomvang schatting met deze twee indices in vergelijking met vegetatie indices. We kunnen noch het langetermijngemiddelde van de omvang van ArcTGOBS-Veg, noch het voorrangspercentage van het cavm-treeline-product beoordelen, aangezien het alleen voor 2003 geldt. De boomgrensvooruitgang voor de 20ste eeuw met verschillende startdata is gerapporteerd in een aantal site metingen over het circumarctische bos-toendra ecotone1, 35, 36, wat wijst op een Arctische krimp in de afgelopen decennia. De gesimuleerde ArcTGCFS / SSiB4-Veg beslaat 6,8 × 106 km2 voor de periode 1950-2015, en 6,5 × 106 km2 voor het jaar 2003. De gesimuleerde arctgcfs / SSiB4-Veg krimp heeft consistentie met de bovengenoemde veldmetingen en toont een krimpende ArcTG gedurende 1950-2015. De arctgcfs / SSiB4-Veg boundary retreat toont echter een andere asymmetrie in de Noord-Amerikaanse en Euraziatische continenten in vergelijking met de klimaatindex. Hoewel de Euraziatische boomgrens 50 km poleward verschuift, in overeenstemming met die van ArcTGCFS/SSiB4-Clim, is er geen significante verandering in de Noord-Amerikaanse boomgrens gevonden voor ArcTGCFS/SSiB4-Veg (zie Fig. 3a). De discrepanties tussen klimaat-en vegetatie-index in Noord-Amerika suggereren dat de krimp van de ArcTGCFS/SSiB4-clim daar geen significante boomgrens vooruitgang veroorzaakt. De soortspecifieke eigenschappen en de plaatselijke milieuomstandigheden kunnen ook bijdragen tot de vooruitgang van de boomgrens. In feite vonden de waarnemingen in het Canadian Shield de treeline advance niet in de 20e eeuw1. Twee vindplaatsen op het Taymyr-schiereiland, Siberië, hadden daarentegen een aanzienlijke vooruitgang in de boomgrens1. Deze metingen komen overeen met onze simulatie. Verdere beoordelingen met meer gegevens zijn nodig om de onzekerheid te verminderen. In de toekomstige projectie wordt de opmars van de bomen op beide continenten voorspeld, met 60 km in Noord-Amerika en 30 km in Eurazië (Fig. 3b), waardoor de oppervlakte met 17.000 km2 per jaar afneemt (P < 0,01, Tabel 1).