Sahara (SD)
podczas 1950-2015, obserwowany indeks klimatyczny pokazuje, że SDOBS-Clim obejmuje około 9,5 × 106 km2 w Afryce Północnej (Fig. 1a i Tabela 1), w zakresie podanym przez Tuckera i wsp.6. W latach 1950-2015 ogólna ekspansja SDOBS-Clim wynosi około 11 000 km2 rocznie, a w latach 1950-2015 wzrasta o 8%, co jest zasadniczo zgodne z poprzednimi badaniami2. Południowa granica SDOBS-Clim przesuwa się na południe o około 100 km W latach 1950-2015 (rys. 1B). Jednak ta ogólna ekspansja nie jest stała w czasie. Obszary Sahelu doświadczyły dramatycznej zmiany z wilgotnych warunków w latach 50. na znacznie bardziej suche warunki w latach 80., a następnie częściowo odzyskane po latach 80.XX wieku. w latach 80. stwierdzono zmianę reżimu klimatycznego15,28. W przeciwieństwie do poprzednich badań SD, które identyfikują tylko jeden trend dla całego okresu badania, Rok 1984, jest określony w tym badaniu jako punkty zwrotne zgodnie z Eq. (9) aby wskazać okresy rozszerzania SD-kurczenia. Zgodnie ze zmianą klimatu, SD ma ekspansję 35,000 km2/rok (p < 0,01, test Mann-Kendalla) w latach 1950-1984 i kurczenie się 12,000 km2/rok (P < 0,01) w latach 1984-2015 (rys. 1f). Największa ekspansja na południe ma miejsce w latach 1950-1984, przy czym południowa granica SD rozszerza się o 170 km, a całkowita ekspansja wynosi 1 200 000 km2 (około dwa razy więcej niż powierzchnia Francji).
zasięg i zmiany granic Sahary (SD) w oparciu o wskaźniki klimatu i roślinności. a) strefy klimatyczne Afryki Północnej w latach 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. Obserwowane i symulowane (e) szeregi czasowe i (f) trend zakresu SD zdefiniowany przez wskaźniki klimatu i roślinności. Paski błędów w (f) wskazują jedno odchylenie standardowe ze względu na zakres kryterium Lai opartego na braku roślinności wynoszący 0,08-0,12 m2/m2. * w (f) oznacza wartość o znaczącym poziomie przy p < 0,01 (test Manna-Kendalla). Rysunek zawierający mapy w (a-d) tworzy NCL (wersja 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
symulowane wskaźniki klimatyczne prawidłowo odtwarzają zasięg SD i jego zmiany w latach 1950-2015(Tabela 1). Szeregi czasowe SDCFS / Ssib2-Clim i SDCFS / SSIB4-Clim są dobrze skorelowane z SDOBS-Clim (rys. 1E), przy czym korelacje czasowe są większe niż 0.71 (p < 0, 01, średnia trwająca pięć lat). Modele CFS generują około 7600 km2/rok (CFS/SSiB2, P = 0,02) i 8000 km2/rok (CFS/SSiB4, p < 0,01) ekspansję w latach 1950-2015, wraz z rozszerzeniem południowych granic o 70 km (CFS/SSiB4, rys. 1c). Tymczasem modele prawidłowo odtwarzają szybkość kurczenia się SD w latach 1984-2015. Jednak zarówno CFS / SSiB2, jak i CFS/SSiB4 nie doceniają tempa ekspansji przed 1984 r.o około 30%. W Sahelu uprawa roślin uprawnych i pastwiska zwiększyły się w latach 80.o 30% w porównaniu do lat 50. XX w. 12 z powodu nadmiernego wypasania, wylesiania i złego gospodarowania gruntami 8,10. Eksperyment wielomodelowy wykazał udział użytkowania gruntów i zmiany pokrycia gruntów (LULCC) w suszy w latach 80., która powinna spowodować degradację gruntów12. W tej symulacji CFS brakuje tego efektu antropogenicznego, co może prowadzić do niedoszacowania tempa ekspansji SD w latach 1950-1984. Ponadto konsekwentnie mniej zmian w symulacji CFS/SSiB2 w porównaniu z CFS / ssib4 w SD i po ArcTG pokazuje znaczenie dwukierunkowego sprzężenia zwrotnego roślinność-klimat w zmianie kształtu terenu. Modele CFS odtwarzają do 70% obserwowanej tendencji ekspansji w latach 1950-1984 bez uwzględnienia LULCC w modelach. Tymczasem w okresie kurczenia się SD, podczas gdy nie wystąpił znaczący LULCC, modele CFS są w stanie odtworzyć obserwowany trend kurczenia się. Dlatego czynniki klimatyczne zdominowały zmiany SD w porównaniu z innymi skutkami, takimi jak LULCC.
dla przyszłej projekcji do 2050 r.przy scenariuszu reprezentatywnej ścieżki koncentracji (RCP) 4.5 Międzyrządowego Zespołu ds. zmian klimatu 5th Assessment Report (AR5), który tylko CFS jest w stanie przeprowadzić, symulowane wskaźniki klimatyczne pokazują, że bez LULCC SD będzie się dalej rozszerzać o około 6000 km2/rok (p = 0,18 dla CFS/SSiB2 i p = 0,15 dla CFS/SSiB4). Przewiduje się asymetryczne przesunięcie granic, z około 40 km na północ w Sahelu zachodnim i 60 km na południe w Sahelu wschodnim (rys. 1d). W przyszłej projekcji Temperatura Sahelu ma być o około 1,8 °C cieplejsza niż średnia z lat 1986-2015. Pomimo przewidywanego wzrostu opadów w połowie XXI wieku, wywołane przez ocieplenie wysokie parowanie dominuje i sprawia, że obszar jest bardziej suchy i daje ekspansję SD. Obciążenie cieplne ekosystemu Sahelu jest dobrze reprezentowane w KTC i ma ważne znaczenie dla przyszłej projekcji. Tymczasem przewidywane niejednorodne rozkłady anomalii opadowych powodują różne zagrożenia pustynnienia dla różnych krajów Saheliańskich.
w przeciwieństwie do poprzednich podobnych badań, w tym badaniu wykorzystaliśmy również wskaźniki roślinności pochodzące z obserwacji i sprzężony model ekosystemu klimatycznego do oceny rozszerzenia SD i jego zmiany, co zapewnia bardziej jasną definicję geograficzną i może być wykorzystane do weryfikacji krzyżowej wyników z indeksu klimatycznego. Ten model ekosystemu został gruntownie oceniony pod kątem jego wydajności w zakresie zmienności ekosystemu w Ameryce Północnej i na świecie oraz trendu15,30. Stosujemy zakres 0,08-0.12 m2 / m2 jako kryterium pozasłoneczne do obliczenia zakresu SD i jego odchylenia z przypisanym zakresem LAI. Obserwowany i symulowany średni zasięg geograficzny SD (SDOBS-Veg i SDSSiB4-Veg) w oparciu o ten zakres wynosi odpowiednio 9,5 × 106 km2 i 9,6 × 106 km2, przy czym granice prawie pokrywają się z granicami opartymi na odpowiednich wskaźnikach klimatycznych (Fig. 1a).
SDOBS-Veg rozpoczyna się w 1980 roku, kiedy dane satelitarne są dostępne i rejestruje okres odzyskiwania SD. W latach 1984-2015 SDOBS-Veg wykazuje spadek o 10 000 ± 2000 km2/rok (p < 0.01), blisko zmiany opartej na SDOBS-Clim (12 000 km2 / rok, rys. 1e, f). Symulowany SDCFS/Ssib4-Veg jest mniej więcej taki sam jak wskaźnik klimatyczny z ekspansją 8000 ± 800 km2 / rok (p < 0,01) w latach 1950-2015. W latach 2015-2050 SDCFS/Ssib4-Veg przewidywał wzrost o 6900 ± 600 km2/rok (p = 0,14), zbliżony do wzrostu wynikającego z wskaźnika klimatycznego. Ponadto szereg czasowy SDCFS/Ssib4-Veg jest również zgodny z SDCFS / Ssib4-Clim ze współczynnikiem korelacji 0,73 (P < 0,01) (rys. 1e, f) za cały okres 1950-2050.
południowa granica SDCFS/SSiB4-Veg rozszerza się o 90 km na południe w latach 1950-2015, a w latach 2015-2050 przesunie się o 40 km dalej na południe w Sahelu wschodnim. W Sahelu zachodnim nie przewiduje się żadnych istotnych zmian w latach 2015-2050, różniących się od prognoz opartych na wskaźniku klimatycznym. CFS / SSiB2 używa określonego LAI. W związku z tym nie można dokonać oceny na podstawie wskaźnika wegetacji. Z dwiema definicjami, krzyżujemy niepewność w ocenie / projekt SD ekspansji ze względu na dwie różne definicje i pokazać, że są one ogólnie spójne. Niektóre rozbieżności są prawdopodobnie spowodowane błędami w satelitarnych zmiennych LAI i symulowanych zmiennych klimatycznych i roślinności na rzadkim obszarze roślinności31.
Arktyka
przyspieszone tempo ocieplenia w regionach polarnych i intensywne interakcje między klimatem i roślinnością, śniegiem i lodowcem doprowadziły do niezwykłych zmian stanu lądu w obszarze ArcTG w ostatnich dziesięcioleciach (Lloyd et al., 2003; Swann et al., 2010; Schaefer et al., 2011; Pearson et al., 2013; Frost and Epstein, 2014), ale brakuje raportów na temat zmian ukształtowania terenu w skali kontynentalnej. Obserwowany indeks klimatyczny pokazuje, że średnia powierzchnia Arctgobs-Clim w latach 1950-2015 wynosiła 5,7 × 106 km2 (rys. 2a i Tabela 1) i jest zmniejszana z szybkością 14 000 km2 / rok (P < 0,01, w sumie 16% w tym okresie, na obszarze Kolumbii Brytyjskiej, Kanada) monotonicznie od 1950 do 2015 roku w odpowiedzi na globalne ocieplenie (rys. 3c, d). Tempo kurczenia się przyspiesza po 1980 roku. kurczeniu się towarzyszy cofanie się granic wokół koła podbiegunowego (rys. 2b): 60 km poleward w Ameryce Północnej i 40 km poleward w Eurazji w latach 1950-2015.
zasięg tundry arktycznej-lodowiec (ArcTG) i zmiana granic na podstawie wskaźnika klimatycznego. a) strefy klimatu Arktycznego w latach 1950-2015. Zmiany granic ArcTG na podstawie wskaźnika klimatu z (B) obserwacji i (c) symulacji CFS/SSiB4 w latach 1950-2015 oraz (D) symulacji CFS/ssib4 w latach 2015-2050. Rysunki wraz z mapami w (a-d) są tworzone przez NCL (wersja 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
zasięg i zmiana granic arktycznej tundry-lodowca (ArcTG) na podstawie wskaźnika i porównania roślinności. Zmiany ArcTG oparte na symulowanym indeksie roślinności CFS / SSiB4 w okresie (a) 1950-2015 i (b) 2015-2050. Obserwowany i symulowany zasięg ArcTG (C) szeregi czasowe i (d) trendy oparte na wskaźnikach klimatu i roślinności. * w (d) wskazuje wartość o znaczącym poziomie przy p < 0,01 (test Manna-Kendalla). Dane liczbowe, w tym mapy wymienione w lit.a) i d), są generowane przez NCL (wersja 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
modele generalnie odtwarzają zasięg ArcTG i jego zmiany w oparciu o indeks klimatyczny w latach 1950-2015(Tabela 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim zmniejsza się na poziomie 10 000 km2 / rok (p < 0,01) w latach 1950-2015, z cofaniem się granic o 50 km W Ameryce Północnej i 30 km w Eurazji (rys. 2c), zgodne z ale niższe niż Arctgobs-Clim. Jednak CFS / SSiB2 w określonych warunkach wegetacyjnych odtwarza tylko jedną trzecią obserwowanego i symulowanego tempa redukcji CFS / ssib4 (rys. 3d). Do rozbieżności może przyczynić się brak osadzania się sadzy i emisji gazów cieplarnianych w węglu kamiennym. W Arktyce czarny węgiel na śniegu wywołany przez człowieka przyspiesza efekt ocieplenia poprzez zwiększenie siły promieniowania powierzchniowego32. Brak emisji gazów cieplarnianych spowodowany zwiększonym oddychaniem dwutlenku węgla w glebie może również przyczynić się do niedoszacowania ocieplenia atmosferycznego3,33. Zwiększone oddychanie węglem w glebie pochodzi z rozmrożonej wiecznej zmarzliny, gdzie rozkład drobnoustrojów zwiększa oddychanie CO2 i metan przepływa do atmosfery. To z kolei wzmacnia szybkość ocieplenia atmosferycznego i dodatkowo przyspiesza degradację wiecznej zmarzliny, powodując dodatnie sprzężenie zwrotne węgla wiecznej zmarzliny. Tymczasem temperatura ocieplenia i podwyższone stężenie CO2 w atmosferze powodują wzbogacenie Krzewów i drzew w lesie Arktycznym-ekotonie tundry i wytwarzają pozytywne sprzężenia zwrotne. W przyszłej Projekcji na lata 2015-2050 symulowane wskaźniki klimatyczne zmniejszają zasięg ArcTG o około 17 000 km2/rok (P < 0,01), z 60 km odosobnieniem w Ameryce Północnej i 40 km odosobnieniem w Eurazji do 2050 roku (rys. 2d).
wskaźnik obserwowanej roślinności oparty na produktach CAVM treeline w roku 2003 wyznacza najbardziej wysunięte na północ szerokości geograficzne, w których żyją gatunki drzew, które określa się jako geograficzną tundrę Arktyczną i południową granicę lodowca. ArcTGOBS-Veg (za rok 2003, zielone linie na Rys. 2A) zajmuje powierzchnię 7,1 × 106 km2, o znacznie większej powierzchni niż ArcTGOBS-Clim(na rok 2003 niebieskie linie na Rys. 2a) w zachodniej Alasce, Canadian Shield, Taymyr Peninsula i Jamal Peninsula, gdzie indeks klimatyczny wydaje się sugerować, że drzewa są nadal w stanie przetrwać. Dzieje się tak dlatego, że na dynamikę linii drzew wpływa nie tylko klimat, ale także uwarunkowania gatunkowe i warunki środowiskowe, takie jak odwilż wiecznej zmarzliny34, co pogarsza lokalny reżim hydrologiczny (np. aktywna głębokość warstwy) i uszkadza system korzeniowy, który uniemożliwia zakładanie drzew. Czynniki te nie są brane pod uwagę w arctgobs-Clim i ArcTGCFS/SSiB4-Clim i dają niższe oszacowanie zasięgu powierzchni za pomocą tych dwóch wskaźników w porównaniu ze wskaźnikami roślinności. Nie możemy ocenić ani długoterminowej średniej wielkości Arctgobs-Veg, ani stopy zaawansowania przy użyciu produktu CAVM treeline, ponieważ jest to tylko rok 2003. Postęp drzew w XX wieku z różnymi datami początkowymi został odnotowany w wielu pomiarach terenu na obszarze ekotony leśno-tundrowej circumarctic1, 35,36, co wskazuje na kurczenie się Arktyki w ostatnich dziesięcioleciach. Symulowany ArcTGCFS / SSiB4-Veg obejmuje obszar 6,8 × 106 km2 w latach 1950-2015 i obejmuje obszar 6,5 × 106 km2 w roku 2003. Symulowane kurczenie się ArcTGCFS / SSiB4-Veg jest zgodne z wyżej wymienionymi pomiarami terenowymi i pokazuje kurczenie się ArcTG w latach 1950-2015. Granica arctgcfs/SSiB4-Veg wykazuje jednak inną asymetrię na kontynentach północnoamerykańskich i Euroazjatyckich w porównaniu do wskazywanej przez indeks klimatyczny. Chociaż linia drzew euroazjatyckich przesuwa się o 50 km w kierunku przeciwnym, zgodnie z linią ArcTGCFS / Ssib4-Clim, ale nie stwierdzono znaczących zmian w linii drzew północnoamerykańskich dla ArcTGCFS / SSiB4-Veg (patrz Rys. 3A). Rozbieżności między wskaźnikiem klimatu a wskaźnikiem roślinności w Ameryce Północnej sugerują, że kurczenie się tam ArcTGCFS/ssib4-clim nie powoduje znaczącego postępu drzewostanu. Cechy charakterystyczne dla gatunku i lokalne warunki środowiskowe mogą również przyczyniać się do rozwoju drzew. W rzeczywistości obserwacje miejsca w Tarczy kanadyjskiej nie wykazały postępów w dziedzinie drzeworytów w XX w. 1. Natomiast dwa stanowiska na Półwyspie Tajmyr, na Syberii, miały znaczny postęp drzewny1. Te pomiary są zgodne z naszą symulacją. W celu zmniejszenia niepewności konieczne są dalsze oceny zawierające więcej danych. W przyszłej projekcji przewidywany jest postęp linii drzew na obu kontynentach, z 60 km W Ameryce Północnej i 30 km w Eurazji (rys. 3b), co skutkuje zmniejszeniem zasięgu o 17 000 km2 / rok (P < 0,01, Tabela 1).