SCI TOTAL ENVIRON | 植被会随着大气中二氧化碳含量的升高而改变气候带,从而增加全球气候脆弱性风险

科技   2024-09-19 00:01   贵州  

摘要


随着大气中二氧化碳含量的持续上升,全球气候区正在经历广泛的变化,影响植被生长并改变其分布,对生态系统的结构和功能构成挑战,对生态和社会安全构成威胁。然而,大气中二氧化碳的增加如何影响全球气候带变化的速度是高度不确定的。迫切需要更加重视理解区域气候脆弱性应对CO2上升的潜在机制和量化。在这项研究中,我们采用CMIP6的9个地球系统模型来研究全球气候带随着CO2的增加而变化,揭示植被生理反应(PHY)的影响,并根据气候带变化的程度对气候脆弱区域进行分类。我们发现,气候区的变化占全球陆地面积的一半以上,其中 16.8% 是由 PHY 贡献的,在 4 × CO2。有趣的是,除了增温之外,PHY诱导的降水变化及其与变暖的相互作用在PHY强迫变化中占主导地位,为未来气候带变化预测的模型改进提供了潜在的方向。在PHY效应的辅助下,4 × CO2在全球约五分之一的土地面积上造成了巨大的气候区变化,表明当地气候和生态系统的结构和功能发生了重大变化。因此,这些地区将面临严重的气候脆弱性,并面临极端气候、缺水和粮食生产的高风险。我们的研究结果定量地确定了脆弱的地区,并揭示了潜在的驱动因素,为优先考虑保护和恢复工作提供了科学见解,以确保全球生态和社会安全。

研究概述

在这项研究中,作者量化了柯本-盖革气候区随着大气CO2从工业化前(∼284 ppm)增加到4 × CO2(∼ 1132 ppm)的变化,并确定了PHY如何促进这种变化。我们进一步解开了PHY引起的温度和降水变化及其相互作用对气候带重新分布的贡献。为了完成这些任务,我们使用了耦合地球系统模型 (ESM) 实验的输出,该实验具有耦合气候-碳循环模型比较项目 (C4MIP) 的交互式碳循环,该项目得到了 CMIP6 的认可。PHY 和 RAD 的影响可以通过因子模拟来隔离。最后也是最重要的一点,根据 CO2 诱导的气候带转换在 4 × CO2 的梯度,对全球气候脆弱区域进行了定量分类。

主要研究结果



全球气候区由工业化前向 CO2 的 4 ×转变
在工业化前的CO2浓度(∼284 ppm)下,热带稀树草原(Aw)的面积最大(占全球陆地表面的14.2%),主要分布在南美洲、中非和南亚。BWh(干旱、沙漠、炎热)是第二大,总分布为1.81 × 107 km2(约占全球陆地面积的13.6%),主要分布在撒哈拉沙漠。在北部高纬度地区,Dfc(寒冷,无旱季,夏季寒冷)是最常见的气候类型,约占全球陆地面积的12.6%。然而,北部中纬度地区呈现出多种多样的气候类型,从寒冷地区到干旱地区。这些气候区的空间分布反映了降水和气温的区域特征及其在工业化前CO2浓度下的变化。
图 1. 工业化前大气CO2浓度



随着大气中CO2上升到四倍的水平,降水和温度的变化极大地重塑了全球气候区的格局。由于大气中二氧化碳的增加,全球一半以上的陆地面积经历了气候区的变化。这种变化主要发生在北部高纬度地区,那里的气温和降水量增加使当地气候区从Dfc转变为Dfb(寒冷而没有旱季,夏季温暖)和Dfa(寒冷而没有旱季,夏季炎热)与此相反,在工业化前的CO2水平上,ET(极地苔原)气候区的覆盖率下降了一半以上(∼52.8%),在CO2的4×Dfc中,这在北部高纬度地区和青藏高原都有所体现。
图 2. CO2 诱导的温度和降水变化 
图 3. 4 ×CO2 不同柯本-盖革气候区间的全球转变

PHY在CO2变化4×全球气候区中的作用
为了更好地理解驱动PHY诱导的气候区变化的潜在机制,作者进一步将这种变化归因于温度、降水及其在IPCC AR6参考陆地区域和大气CO2浓度全梯度中的相互作用。随着CO2上升到四倍的水平,PHY引起的温度增强主导了AR6陆地区域54.5%的相关气候区变化,范围从两个半球的高纬度到中纬度。重要的是,在PHY下温度和降水变化之间的交互作用表明,在4 × CO2的所有AR6参考陆地区域中,超过15.9%的气候变化占主导地位,例如东西伯利亚和南美洲东北部(NES)。其余区域的气候区变化以PHY诱导的降水变化为主,特别是在中北美洲(NCA)、南北美洲(NSA)和东北非洲(NEAF)。因此,PHY强迫的温度升高是驱动相应气候区在4 × CO2时转向更温暖和更干燥分类的主要因素。
图 4. 全球CO2诱发气候带变化的关键因素
图 5. 植被生理响应驱动各气候区CO2变化速度植被生理强迫(PHY)
全球气候区脆弱性评估

全球气候带变化在4 × CO2处表现出相当大的空间异质性,表明不同地区可能面临不同程度的气候脆弱性影响当地生态系统结构和功能,需要不同的生态保护和修复力度。因此,根据耦合效应在4×CO2引起的气候带变化程度,全球陆地面积被分为三个脆弱性等级,范围从强脆弱性(脆弱性=3)到轻微脆弱性(脆弱性=1)。令人惊讶的是,全球22.0%的土地面积经历了主要气候区之间的变化(脆弱性=3),其中5.7%的变化是由4×CO2的PHY效应贡献的。一般来说,在北半球,高纬度地区和青藏高原的局部气候由极地转为寒带,而那些气候脆弱地区的中纬度地区则由寒带转为温带。然而,南半球的强脆弱大多表现出从温带向热带气候区的变化,说明南半球的气候变化比北半球更严重。这些剧烈的变化主要是由CO2诱导的温度放大驱动的,其中 5.6% 是由响应4×CO2的 PHY 效应贡献的。
图 6. 在四倍CO2期脆弱性的全球特征分析

总结

研究表明,随着大气CO2的增加,全球气候区发生了广泛的变化,其中植被生理反应(PHY)在这些变化中起着不可忽视的作用。我们发现,由于 CO2 引起的气候带变化,全球 51.2% 的陆地表面的脆弱性增加,其中 16.8% 是由 PHY 效应贡献的。PHY揭示了温度变化、降水变化及其相互作用的影响,极大地促进了热带和温带的极地扩展、干旱区的扩展和极地的退缩,加深了我们对未来气候区分布的认识,并促进了对气候和植被动态的未来预测。我们的研究强调了减少生态和水文脆弱性并提高目标区域适应能力的紧迫性,确保有针对性的保护工作和政策,以满足不同脆弱地区的特定需求和紧迫挑战。

文献来源

He, M., Cui, J., Yi, Y., Chen, H.W., Zhang, Q., Li, L., Huang, L., & Hong, S. (2024). Vegetation increases global climate vulnerability risk by shifting climate zones in response to rising atmospheric CO2. The Science of the total environment, 174810 .

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