deșertul sahara (SD)
în perioada 1950-2015, indicele climatic observat arată că SBOS-Clim acoperă aproximativ 9,5 ozt106 km2 în Africa de Nord (Fig. 1a și Tabelul 1), în intervalul raportat de Tucker și colab.6. SDOBS-Clim are o expansiune generală în perioada 1950-2015, aproximativ 11.000 km2/an și crește cu 8% în perioada 1950-2015, ceea ce este în general în concordanță cu studiile anterioare2. Limita sudică a SDOBS-Clim avansează spre sud aproximativ 100 km din 1950 până în 2015 (Fig. 1b). Cu toate acestea, această expansiune generală nu este constantă în timp. Zonele Sahel au cunoscut o schimbare dramatică de la condițiile umede din anii 1950 la condiții mult mai uscate în anii 1980, apoi parțial recuperate după anii 1980. o schimbare a regimului climatic a fost identificată în anii 198015,28. Diferit de studiile SD anterioare, care identifică doar o tendință pentru întreaga perioadă de studiu, anul 1984, este identificat în acest studiu ca puncte de cotitură conform Eq. (9) pentru a indica perioadele de expansiune-scădere SD. În concordanță cu schimbarea climatică, SD are o expansiune de 35.000 km2/an (p < 0,01, testul Mann-Kendall) în perioada 1950-1984 și o scădere de 12.000 km2/an (p < 0,01) în 1984-2015 (Fig. 1f). Cea mai mare expansiune spre sud are loc în perioada 1950-1984, granița sudică SD extinzându-se cu 170 km și un total de 1.200.000 km2 expansiune (aproximativ de două ori din zona Franței).
extinderea și schimbarea limitelor deșertului Sahara (SD) pe baza indicilor climatici și de vegetație. (a) zonele climatice din nordul Africii au fost în medie în perioada 1950-2015. SD modificări la limita sudică pe baza indicelui climatic din (B) observație și (c) simularea CFS/SSiB4 în perioada 1950-2015 și (d) simularea CFS/SSiB4 în perioada 2015-2050. Observate și simulate (e) seriile de timp și (f) tendința extinderii SD definită de indicii climatici și vegetativi. Barele de eroare de la litera (f) indică o abatere standard datorată intervalului criteriului non-vegetației bazat pe LAI de 0,08–0,12 m2/m2. * în (f) indică valoarea cu nivel semnificativ la p < 0,01 (testul Mann-Kendall). Figura inclusiv hărți în (a-d) sunt create de NCL (versiunea 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
indicii climatici simulați reproduc în mod corespunzător amploarea SD și modificările sale în perioada 1950-2015 (Tabelul 1). Seriile de timp ale SDCFS / SSiB2-Clim și SDCFS / SSiB4-Clim sunt bine corelate cu SDOBS-Clim (Fig. 1e), corelațiile temporale fiind mai mari de 0.71 (p < 0,01, medie de funcționare pe cinci ani). Modelele CFS generează aproximativ 7600 km2/an (CFS/SSiB2, p = 0,02) și 8000 km2/an (CFS/SSiB4, p < 0,01) expansiune din 1950 până în 2015, însoțită de extinderea limitelor sudice cu 70 km (CFS/SSiB4, Fig. 1c). Între timp, modelele reproduc în mod corespunzător SD rata de scădere în perioada 1984-2015. Cu toate acestea, atât CFS/SSiB2, cât și CFS/SSiB4 subestimează rata de expansiune înainte de 1984 cu aproximativ 30%. În Sahel, terenurile agricole și pășunile s-au extins cu 30% în anii 1980, comparativ cu cele din anii 195012 din cauza pășunatului excesiv, a defrișărilor și a gestionării slabe a pământului8,10. Un experiment multi-model a demonstrat contribuția utilizării terenurilor și a schimbării acoperirii terenurilor (LULCC) la seceta din anii 1980, care ar trebui să provoace degradarea12. Acest efect antropic lipsește în această simulare CFS, ceea ce poate duce la subestimarea ratei de expansiune SD în perioada 1950-1984. Mai mult, în mod constant mai puține modificări în simularea CFS/SSiB2 comparativ cu cea din CFS/SSiB4 în SD și în urma ArcTG demonstrează importanța feedback-ului vegetației-climatic bidirecțional în schimbarea formei de relief. Modelele CFS reproduc până la 70% din tendința de expansiune observată în perioada 1950-1984 fără a lua în considerare LULCC în modele. Între timp, în perioada de scădere a SD, în timp ce nu a apărut lulcc remarcabil, modelele CFS sunt capabile să reproducă tendința de scădere observată. Prin urmare, factorii climatici domină modificările SD în comparație cu alte efecte, cum ar fi LULCC.
pentru proiecția viitoare până în 2050 cu scenariul reprezentativ al Pathway Concentration (RCP) 4.5 al celui de-al 5-lea raport de evaluare al Grupului interguvernamental privind schimbările climatice (AR5), pe care numai CFS este capabil să îl realizeze, indicii climatici simulați arată că, fără LULCC, SD se va extinde în continuare cu aproximativ 6000 km2/an (p = 0,18 pentru CFS/SSiB2 și p = 0,15 pentru CFS/SSiB4). Este proiectată o deplasare asimetrică a graniței, cu o deplasare de aproximativ 40 km spre nord în Sahelul de Vest și o deplasare de 60 km spre sud în Sahelul de Est (Fig. 1d). În proiecția viitoare, temperatura Sahel este proiectată să fie cu aproximativ 1,8 centimetri mai caldă decât media 1986-2015. În ciuda creșterii proiectate a precipitațiilor la mijlocul secolului 21, evaporarea ridicată indusă de încălzire domină și face zona mai uscată și produce o expansiune SD. Stresul termic asupra ecosistemului Sahel este bine reprezentat în KTC și are implicații importante pentru proiecția viitoare. Între timp, distribuțiile proiectate de anomalii eterogene ale precipitațiilor au ca rezultat riscuri diferite de deșertificare pentru diferite țări Saheliene.
diferit de studiile similare anterioare, în acest studiu, am folosit, de asemenea, indici de vegetație derivați din observație și un model cuplat climat-ecosistem pentru a evalua extinderea SD și schimbarea acesteia, care oferă o definiție geografică mai clară și poate fi utilizată pentru a valida încrucișat rezultatele din indicele climatic. Acest model de ecosistem a fost evaluat pe larg pentru performanța sa asupra variabilității și tendinței ecosistemelor din America de Nord și globală15,30. Folosim o gamă de 0,08-0.12 m2/m2 ca criteriu de nevegetație pentru a calcula întinderea SD și abaterea acesteia cu gama lai atribuită. Extensiile SD geografice medii observate și simulate (SDOBS-Veg și SDSSiB4-Veg) bazate pe acest interval sunt de 9,5 xtc106 km2 și, respectiv, 9,6 xtc106 km2, cu limite aproape coincid cu cele bazate pe indicii climatici corespunzători (Fig. 1a).
SDOBS-Veg începe în anii 1980, când datele din satelit sunt disponibile și înregistrează perioada de recuperare SD. În perioada 1984-2015, SDOBS-Veg prezintă o reducere de 10.000 de 2000 km2/an (p < 0.01), aproape de schimbarea bazată pe SDOBS-Clim (12.000 km2/an, Fig. 1e, f). SDCFS/SSiB4-Veg simulat este aproximativ același cu indicele climatic cu 8000 de 800 km2/an (p < 0,01) expansiune în perioada 1950-2015. În perioada 2015-2050, SDCFS / SSiB4-Veg a proiectat o expansiune de 6900 de 600 km2/an (p = 0,14), apropiată de cea derivată din indicele climatic. În plus, seria de timp a SDCFS/SSiB4-Veg este, de asemenea, în concordanță cu SDCFS/SSiB4-Clim cu un coeficient de corelație de 0,73 (p < 0,01) (Fig. 1e, f) pentru întreaga perioadă 1950-2050.
limita sudică a SDCFS/SSiB4-Veg se extinde cu 90 km spre sud în perioada 1950-2015 și va avansa cu 40 km mai spre sud în Sahelul de Est în perioada 2015-2050. În Sahelul de Vest, nu se preconizează nicio schimbare semnificativă în perioada 2015-2050, diferită de proiecția bazată pe indicele climatic. CFS / SSiB2 utilizează lai specificat. Ca atare, nu se poate face nicio evaluare pe baza indicelui de vegetație. Cu două definiții, evaluăm încrucișat incertitudinea în evaluarea / extinderea SD a proiectului datorită a două definiții diferite și arătăm că acestea sunt în general consecvente. Unele discrepanțe se datorează probabil erorilor din lai derivate din satelit și variabilelor climatice și de vegetație simulate în zona de vegetație rară31.
Arctica
rata accelerată de încălzire în regiunile polare și interacțiunile intensive dintre climă și vegetație, zăpadă și ghețar au dus la schimbări remarcabile ale condițiilor terestre în zona ArcTG în ultimele decenii (Lloyd și colab., 2003; Swann și colab., 2010; Schaefer și colab., 2011; Pearson și colab., 2013; Frost și Epstein, 2014), dar lipsesc rapoartele privind schimbarea formei de relief la scară continentală. Indicele climatic observat arată că media ArcTGOBS-Clim acoperă 5,7 Olt 106 km2 în 1950-2015 (Fig. 2a și Tabelul 1) și este scăzut cu o rată de 14.000 km2/an (p < 0,01, 16% în total în această perioadă, aproximativ în zona British Columbia, Canada) monoton din 1950 până în 2015 ca răspuns la încălzirea globală (Fig. 3c, d). Rata de scădere se accelerează după anii 1980.micșorarea este însoțită de retragerea la graniță peste tot în jurul cercului Arctic (Fig. 2b): 60 km poleward în America de Nord și 40 km poleward în Eurasia în perioada 1950-2015.
tundra arctică-ghețar (ArcTG) extinderea și schimbarea limitelor pe baza indicelui climatic. (a) zonele climatice arctice au fost în medie în perioada 1950-2015. Modificări ale limitelor ArcTG pe baza indicelui climatic din (B) observare și (c) simulare CFS/SSiB4 în perioada 1950-2015 și (d) simulare CFS/SSiB4 în perioada 2015-2050. Cifrele, inclusiv hărțile din (a-d) sunt create de NCL (versiunea 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
tundra arctică-ghețar (ArcTG) extinderea și schimbarea limitelor pe baza indicelui și comparației vegetației. Modificări ale ArcTG pe baza indicelui de vegetație simulat CFS/SSiB4 în perioada (a) 1950-2015 și (b) 2015-2050. Întinderea ArcTG observată și simulată (c) serii de timp și (d) tendințe bazate pe indicii climatici și vegetativi. * în (d) indică valoarea cu nivel semnificativ la p < 0,01 (testul Mann-Kendall). Cifrele, inclusiv hărțile de la literele (A) și (d), sunt generate de NCL (versiunea 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
modelele reproduc în general acoperirea ArcTG și modificările sale pe baza indicelui climatic în perioada 1950-2015 (Tabelul 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim scade la 10.000 km2 / an (p < 0,01) în perioada 1950-2015, cu retrageri la graniță cu 50 km în America de Nord și 30 km în Eurasia (Fig. 2c), în concordanță cu, dar mai mică decât ArcTGOBS-Clim. Cu toate acestea, CFS/SSiB2 cu condiții de vegetație specificate reproduce doar o treime din rata de reducere observată și CFS/SSiB4 simulată (Fig. 3d). Lipsa depunerilor de carbon negru și a emisiilor de gaze cu efect de seră în CFS poate contribui la discrepanțe. În Arctica, carbonul negru indus de om pe zăpadă este raportat că accelerează efectul de încălzire prin îmbunătățirea forței radiative de suprafață32. Lipsa emisiilor de gaze cu efect de seră din cauza respirației îmbunătățite a carbonului din sol poate contribui,de asemenea, la o subestimare a încălzirii atmosferice3, 33. Respirația îmbunătățită a carbonului din sol provine din permafrost dezghețat, unde degradarea microbiană crește respirația CO2 și fluxurile de metan în atmosferă. Aceasta, la rândul său, amplifică rata de încălzire atmosferică și accelerează în continuare degradarea permafrostului, rezultând un feedback pozitiv privind carbonul permafrostului. Între timp, temperatura de încălzire și concentrația ridicată de CO2 atmosferică determină o îmbogățire a arbuștilor și copacilor din ecotonul Arctic pădure-tundră și produc feedback pozitiv. În proiecția viitoare pentru 2015-2050, indicii climatici simulați proiectează o scădere de 17.000 km2 / an (p < 0,01) a întinderii ArcTG, cu o retragere de 60 km în America de Nord și o retragere de 40 km în Eurasia până în 2050 (Fig. 2d).
indicele de vegetație observat pe baza produselor arborelui CAVM în anul 2003 delimitează latitudinile cele mai nordice în care supraviețuiesc speciile de arbori, care este definit ca tundra arctică geografică și limita sudică a ghețarului. ArcTGOBS-Veg (pentru anul 2003, linii verzi în Fig. 2a) se întinde pe o suprafață de 7,1 XCT 106 km2, cu o suprafață semnificativ mai mare decât ArcTGOBS-Clim (pentru anul 2003, liniile albastre din Fig. 2a) în vestul Alaska, scutul Canadian, Peninsula Taymyr și Peninsula Yamal, unde indicele climatic pare să sugereze că copacii sunt încă capabili să supraviețuiască. Acest lucru se datorează faptului că dinamica arborelui nu este afectată doar de climă, ci și mediată de trăsături specifice speciilor și de condițiile de mediu, cum ar fi dezghețarea permafrostului34, care deteriorează regimul hidrologic local (cum ar fi adâncimea stratului activ) și dăunează sistemului radicular care ar interzice înființarea copacilor. Acești factori nu sunt luați în considerare în ArcTGOBS-Clim și ArcTGCFS/SSiB4-Clim și produc o estimare a extinderii suprafeței mai mică cu acești doi indici comparativ cu indicii de vegetație. Nu putem evalua nici media pe termen lung a întinderii ArcTGOBS-Veg, nici rata de avans folosind produsul CAVM treeline, deoarece este doar pentru 2003. Avansul treeline pentru secolul 20 cu diferite date de începere a fost raportat într-o serie de măsurători site-ul peste circumarctic pădure-tundră ecotone1,35,36, indicând o scădere Arctic în ultimele decenii. ArcTGCFS/SSiB4-Veg simulate acoperă 6,8 XTX 106 km2 pentru perioada 1950-2015, și acoperă 6,5 XTX 106 km2 pentru anul 2003. Micșorarea ArcTGCFS/SSiB4-Veg simulată are consistență cu măsurătorile de câmp menționate mai sus și arată o micșorare ArcTG în perioada 1950-2015. Cu toate acestea, retragerea la limita ArcTGCFS/SSiB4-Veg arată o asimetrie diferită pe continentele nord-americane și Eurasiatice în comparație cu cea indicată de indicele climatic. Deși linia copacilor eurasiatici deplasează 50 km poleward, în concordanță cu cea a ArcTGCFS/SSiB4-Clim, dar nu se găsește nicio schimbare semnificativă în linia copacilor nord-americani pentru ArcTGCFS/SSiB4-Veg (vezi Fig. 3a). Discrepanțele dintre indicele climatic și indicele de vegetație din America de Nord sugerează că micșorarea ArcTGCFS/SSiB4-clim acolo nu provoacă un avans semnificativ al liniei copacilor. Trăsăturile specifice speciei și condițiile locale de mediu pot contribui, de asemenea, la avansul liniei copacilor. De fapt, observațiile site-ului din scutul Canadian nu au găsit avansul treeline în secolul 201. În schimb, două situri din Peninsula Taymyr, Siberia, au avut un avans semnificativ al treelinei1. Aceste măsurători ale site-ului par să fie în concordanță cu simularea noastră. Sunt necesare evaluări suplimentare cu mai multe date pentru a reduce incertitudinea. În proiecția viitoare, avansul liniei copacilor este prezis pe ambele continente, cu 60 km în America de Nord și 30 km în Eurasia (Fig. 3b), rezultând o scădere a întinderii cu 17.000 km2/an (p < 0,01, Tabelul 1).