Saharaöknen (SD)
under 1950-2015 visar observerat klimatindex att SDOBS-Clim täcker cirka 9,5 106 km2 i Nordafrika (Fig. 1a och Tabell 1), inom det intervall som rapporterats av Tucker et al.6. SDOBS-Clim har en allmän expansion under 1950-2015, cirka 11 000 km2/år och ökar 8% under 1950-2015, vilket i allmänhet överensstämmer med tidigare studier2. Den södra gränsen för SDOBS-Clim går söderut cirka 100 km från 1950 till 2015 (Fig. 1b). Denna allmänna expansion är dock inte konstant i tid. Sahel-områdena upplevde en dramatisk förändring från våta förhållanden på 1950-talet till mycket torrare förhållanden på 1980-talet, sedan delvis återhämtat sig efter 1980-talet. ett klimatregimskifte har identifierats under 1980-talet15,28. Till skillnad från tidigare SD-studier, som bara identifierar en trend för hela studieperioden, år 1984, identifieras i denna studie som vändpunkter enligt Eq. (9) för att indikera SD expansion-krympande perioder. I överensstämmelse med klimatskiftet har SD en expansion på 35 000 km2/år (p < 0,01, Mann-Kendall test) under 1950-1984 och en krympning av 12 000 km2/år (p < 0,01) 1984-2015 (Fig. 1f). Den största expansionen söderut sker under 1950-1984, med den södra SD-gränsen som expanderar med 170 km och totalt 1 200 000 km2 expansion (ungefär två gånger av Frankrikes område).
Saharaöknen (SD) omfattning och gränsförändring baserat på klimat-och vegetationsindex. a) klimatzonerna i Nordafrika var i genomsnitt 1950-2015. SD södra gränsändringar baserat på klimatindex från (b) observation och (c) CFS/SSiB4 simulering under 1950-2015, och (d) CFS/SSiB4 simulering under 2015-2050. Observerad och simulerad (e) tidsserier och (f) trend för SD-omfattning definierad av klimat-och vegetationsindex. Felstaplarna i (f) anger en standardavvikelse på grund av det lai-baserade kriterieområdet för icke–vegetation på 0,08-0,12 m2/m2. * i (f) anger värdet med signifikant nivå vid p < 0,01 (Mann-Kendall-test). Figur inklusive kartor i (a-d) skapas av NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
de simulerade klimatindexen återger korrekt SD-omfattning och dess förändringar under 1950-2015 (Tabell 1). Tidsserierna för SDCFS/SSiB2-Clim och SDCFS / SSiB4-Clim är väl korrelerade med SDOBS-Clim (Fig. 1e), med de tidsmässiga korrelationerna större än 0.71 (p < 0,01, fem års löpande medelvärde). CFS-modellerna genererar cirka 7600 km2/år (CFS/SSiB2, p = 0,02) och 8000 km2/år (CFS/SSiB4, p < 0,01) expansion från 1950 till 2015, åtföljd av utvidgningen av södra gränser med 70 km (CFS/SSiB4, Fig. 1c). Under tiden reproducerar modellerna korrekt SD-krympningshastighet under 1984-2015. Både CFS/SSiB2 och CFS / SSiB4 underskattar dock expansionstakten före 1984 med cirka 30%. I Sahel har åkermark och betesmark expanderat med 30% på 1980-talet jämfört med 1950-talet12 på grund av överbetning, avskogning och dålig markförvaltning8, 10. Ett experiment med flera modeller har visat hur markanvändning och förändring av markskydd (lulcc) bidrog till torkan under 1980-talet, vilket skulle orsaka markförstöring12. Denna antropogena effekt saknas i denna CFS-simulering, vilket kan leda till underskattning av SD-expansionstakten under 1950-1984. Dessutom visar konsekvent färre förändringar i CFS/SSiB2-simuleringen jämfört med den i CFS / SSiB4 i SD och följande ArcTG vikten av tvåvägs vegetation-klimatåterkoppling i landformförändring. CFS-modellerna reproducerar upp till 70% av den observerade expansionstrenden under 1950-1984 utan hänsyn till LULCC i modeller. Under tiden, under SD-krympningsperioden, medan ingen anmärkningsvärd LULCC inträffade, kan CFS-modeller reproducera den observerade krympande trenden. Därför dominerar klimatfaktorerna SD-förändringar jämfört med andra effekter, såsom LULCC.
för den framtida prognosen fram till 2050 med representativ Koncentrationsväg (RCP) 4.5-scenariot i mellanstatliga panelen för klimatförändringar 5th Assessment Report (AR5), som endast CFS kan genomföra, visar de simulerade klimatindexen att SD utan LULCC kommer att expandera ytterligare med cirka 6000 km2/år (p = 0.18 för CFS/SSiB2 och p = 0.15 för CFS/SSiB4). En asymmetrisk gränsförskjutning projiceras, med cirka 40 km norrut förskjutning i västra Sahel och 60 km söderut förskjutning i östra Sahel (Fig. 1d). I den framtida projektionen beräknas Sahel-temperaturen vara cirka 1,8 c c varmare än medelvärdet 1986-2015. Trots den beräknade ökningen av nederbörd i mitten av 21-talet dominerar den uppvärmningsinducerade höga avdunstningen och gör området torrare och ger en SD-expansion. Värmestressen på Sahel-ekosystemet är väl representerat i KTC och har viktiga konsekvenser för framtida projektion. Under tiden resulterar de projicerade heterogena utfällningsanomalifördelningarna i olika ökenspridningsrisker för olika Saheliska länder.
till skillnad från tidigare liknande studier har vi i denna studie också använt vegetationsindex härledda från observation och en kopplad klimat-ekosystemmodell för att bedöma SD-förlängningen och dess förändring, vilket ger en tydligare geografisk definition och kan användas för att korsvalidera resultaten från klimatindexet. Denna ekosystemmodell har utvärderats omfattande för sin prestanda på nordamerikanska och globala ekosystemvariationer och trend15,30. Vi använder ett intervall på 0,08-0.12 m2/m2 som icke-vegetationskriterium för att beräkna SD-omfattningen och dess avvikelse med det tilldelade LAI-intervallet. De observerade och simulerade genomsnittliga geografiska SD-utsträckningarna (Sdobs-Veg och SDSSiB4-Veg) baserat på detta intervall är 9,5 106 km2 och 9,6 106 km2, med gränser som nästan sammanfaller med de som baseras på deras motsvarande klimatindex (Fig. 1a).
SDOBS-Veg startar på 1980-talet när satellitdata är tillgängliga och registrerar SD-återhämtningsperioden. Under 1984-2015 visar SDOBS-Veg en minskning av 10,000 2000 km2/år (p < 0.01), nära förändringen baserat på SDOBS-Clim (12 000 km2/år, Fig. 1e, f). Den simulerade SDCFS/SSiB4-Veg är ungefär densamma som klimatindexet med 8000 800 km2 / år (p < 0.01) expansion under 1950-2015. Under 2015-2050 har SDCFS/SSiB4-Veg projicerat en expansion på 6900 600 km2 / år (p = 0,14), nära den som härrör från klimatindex. Dessutom är tidsserien för SDCFS/SSiB4-Veg också förenlig med SDCFS/SSiB4-Clim med en korrelationskoefficient på 0, 73 (p < 0, 01) (Fig. 1e, f) för hela perioden 1950-2050.
den södra gränsen för SDCFS / SSiB4-Veg expanderar 90 km söderut under 1950-2015 och kommer att avancera 40 km längre söderut i östra Sahel under 2015-2050. I västra Sahel beräknas ingen signifikant förändring under 2015-2050, annorlunda än prognosen baserad på klimatindex. CFS / SSiB2 använder specificerad LAI. Som sådan kan ingen bedömning göras baserat på vegetationsindexet. Med två definitioner korsvärderar vi osäkerheten vid bedömning/projekt SD-expansion på grund av två olika definitioner och visar att de i allmänhet är konsekventa. Vissa avvikelser beror sannolikt på fel i satellit-härledda LAI och simulerade klimat-och vegetationsvariabler över det glesa vegetationsområdet31.
Arktis
den accelererade uppvärmningshastigheten i polarområdena och intensiva interaktioner mellan klimat och vegetation, snö och glaciär har lett till anmärkningsvärda landförhållanden i ArcTG-området under de senaste decennierna (Lloyd et al., 2003; Swann et al., 2010; Schaefer et al., 2011; Pearson et al., 2013; Frost och Epstein, 2014), men rapporter om landformsförändring på kontinental skala saknas. Det observerade klimatindexet visar att den genomsnittliga Arktgobs-Clim täcker 5,7 106 km2 1950-2015 (Fig. 2a och Tabell 1) och minskas med en hastighet av 14,000 km2 / år (p < 0.01, 16% totalt under denna period, om området British Columbia, Kanada) monotont från 1950 till 2015 som svar på den globala uppvärmningen (Fig. 3c, d). Krympningstakten accelererar efter 1980-talet. krympningen åtföljs av gränsreträtt över hela polcirkeln (Fig. 2b): 60 km poleward i Nordamerika och 40 km poleward i Eurasien under 1950-2015.
den arktiska Tundra-glaciären (ArcTG) omfattning och gränsförändring baserat på klimatindex. a) de arktiska klimatzonerna var i genomsnitt 1950-2015. ArcTG-gränsändringar baserade på klimatindex från (b) observation och (c) CFS/SSiB4-simulering under 1950-2015 och (d) CFS/SSiB4-simulering under 2015-2050. Siffror inklusive kartor i (a–d) skapas av NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
Arctic Tundra-Glacier (ArcTG) utsträckning och Gräns förändring baserat på vegetation index och jämförelse. Förändringar av ArcTG baserat på CFS / SSiB4 simulerat vegetationsindex under (a) 1950-2015 och (b) 2015-2050. Observerad och simulerad arctg-omfattning (c) tidsserier och (d) trender baserade på klimat-och vegetationsindex. * I (d) anger värdet med signifikant nivå vid p < 0,01 (Mann-Kendall-test). Siffror inklusive kartor i (a) och (d) genereras av NCL (version 6.6.2, https://www.ncl.ucar.edu).
modellerna återger i allmänhet täckningen av ArcTG och dess förändringar baserat på klimatindex under 1950-2015 (Tabell 1). ArcTGCFS / SSiB4-Clim minskar vid 10 000 km2/år (p < 0,01) under 1950-2015, med gränsretreater med 50 km i Nordamerika och 30 km i Eurasien (Fig. 2c), överensstämmer med men lägre än ArcTGOBS-Clim. CFS / SSiB2 med specificerade vegetationsförhållanden reproducerar emellertid endast en tredjedel av den observerade och CFS/SSiB4-simulerade reduktionshastigheten (Fig. 3d). Bristen på nedfall av svart kol och utsläpp av växthusgaser i CFS kan bidra till skillnaderna. I Arktis rapporteras mänskligt inducerat svart kol på snö påskynda uppvärmningseffekten genom att förbättra ytstrålning32. Bristen på utsläpp av växthusgaser på grund av förbättrad andning av jordkol kan också bidra till en underskattning av atmosfärens uppvärmning3,33. Den förbättrade jordkolandningen kommer från upptinad permafrost, där mikrobiellt förfall ökar andningen CO2 och metanflöden till atmosfären. Detta förstärker i sin tur hastigheten för atmosfärisk uppvärmning och accelererar ytterligare permafrostnedbrytning, vilket resulterar i en positiv permafrostkolåterkoppling. Samtidigt orsakar uppvärmningstemperaturen och förhöjd atmosfärisk CO2-koncentration en anrikning av buskar och träd i den arktiska skogs-tundraekotonen och ger positiva återkopplingar. I den framtida prognosen för 2015-2050, simulerade klimatindex projekt om en 17,000 km2/år (p < 0.01) minskning i ArcTG utsträckning, med 60 km reträtt i Nordamerika och 40 km reträtt i Eurasien av 2050 (Fig. 2d).
det observerade vegetationsindexet baserat på produkterna från CAVM treeline år 2003 avgränsar de nordligaste breddgraderna där trädslag överlever, vilket definieras som den geografiska arktiska tundran och glaciärens södra gräns. ArcTGOBS-Veg (för år 2003, gröna linjer i Fig. 2A) täcker 7,1 106 km2, med ett betydligt större område än ArcTGOBS-Clim (för år 2003, blå linjer i Fig. 2a) i västra Alaska, Kanadensisk sköld, Taymyrhalvön och Yamalhalvön, där klimatindex verkar föreslå att träd fortfarande kan överleva. Detta beror på att trädlinjedynamiken inte bara påverkas av klimatet utan också förmedlas av artspecifika egenskaper och miljöförhållanden som upptining av permafrost34, vilket försämrar den lokala hydrologiska regimen (såsom aktivt lagerdjup) och skadar rotsystemet som skulle förbjuda trädets etablering. Dessa faktorer beaktas inte i ArcTGOBS-Clim och ArcTGCFS/SSiB4-Clim och ger lägre areautsträckningsuppskattning med dessa två index jämfört med vegetationsindex. Vi kan inte bedöma antingen det långsiktiga genomsnittet av ArcTGOBS-Veg-omfattningen eller förskottsgraden med CAVM treeline-produkten eftersom det bara är för 2003. Den treeline förväg för 20-talet med olika startdatum har rapporterats i ett antal platsmätningar över circumarctic skogs tundra ecotone1,35,36, indikerar en arktisk krympning under de senaste decennierna. Den simulerade ArcTGCFS / SSiB4-Veg täcker 6,8 106 km2 för perioden 1950-2015 och täcker 6,5 106 km2 för år 2003. Den simulerade arctgcfs / SSiB4-Veg-krympningen överensstämmer med ovan nämnda fältmätningar och visar en krympande ArcTG under 1950-2015. ArcTGCFS / SSiB4-Veg boundary retreat visar emellertid en annan asymmetri på de nordamerikanska och Eurasiska kontinenterna jämfört med den som indikeras av klimatindex. Även om den eurasiska trädlinjen skiftar 50 km poleward, överensstämmer med ArcTGCFS/SSiB4-Clim, men ingen signifikant förändring i den nordamerikanska trädgränsen finns för ArcTGCFS / SSiB4-Veg (se Fig. 3a). Skillnaderna mellan klimatindex och vegetationsindex i Nordamerika tyder på att krympningen av ArcTGCFS/SSiB4-clim där inte orsakar ett betydande framsteg i trädlinjen. De artspecifika egenskaperna och lokala miljöförhållandena kan också bidra till trädgränsen. Faktum är att platsobservationerna i Canadian Shield inte hittade treeline advance i 20th century1. I kontrast, två platser i Taymyrhalvön, Sibirien, hade betydande Treeline advance1. Dessa webbplatsmätningar verkar vara förenliga med vår simulering. Ytterligare bedömningar med mer data behövs för att minska osäkerheten. I den framtida projektionen förutspås trädets framsteg på båda kontinenterna, med 60 km i Nordamerika och 30 km i Eurasien (Fig. 3B), vilket resulterar i en krympning av omfattningen med 17 000 km2/år (p < 0,01, Tabell 1).