Mere ekstrem og hyppigere:Tørke og tørhed i det 21. århundrede

Området for klimavidenskab synes at indeholde mange eksempler på alarmerende løbske feedback-loops, onde cirkler, og tidligere uanede skadelige synergistiske effekter, der opstår inden for jordsystemer - f.eks. albedo-effekten med hensyn til smeltende havis; eller smeltende permafrost, der frigiver mere metan for yderligere at accelerere smeltningsprocessen. Ny forskning fra et hold fra Columbia University fortsætter i denne retning med resultater fra deres nylige undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt . Studiet, "Forventede stigninger i intensitet, frekvens, og jordbaserede kulstofomkostninger ved sammensatte tørke- og tørre begivenheder, " viser, at den sammensatte effekt af jordfugtighed (SM) og damptryksunderskud (VPD) på terrestrisk kulstofoptagelse er større end effekten af ​​begge variable, når de betragtes separat, og at disse to forhold har en tendens til gensidigt at forstærke hinanden.

Tørke og overdreven varme er to former for ekstremt vejr, der har haft, og vil fortsat have, en stor indvirkning på naturlige systemer såvel som menneskelige samfund og systemer, der er afhængige af dem. En tredje klimadynamik, atmosfærisk tørhed, er et kombineret mål for både temperatur og atmosfærisk luftfugtighed, indkapslet i metrikken for VPD. SM og VPD er begge anerkendte indikatorer for kulstofoptagelse og vandforbrug hos planter i tørketider, og ekstreme forekomster af begge disse indikatorer - høj VPD eller lav SM - er kendt for at få plantestomata til at indsnævre eller lukke, dermed begrænse kulstofoptagelsen. VPD og SM er tilstande, der også vides at opstå sammen, og selvom de ofte er blevet evalueret uafhængigt tidligere, et vigtigt mål med denne undersøgelse var at bedre forstå sammenhængen mellem de to variable, der forekommer i samspil.

De sammensatte virkninger af VPD og SM er blevet karakteriseret af efterforskerne som "drevet af en række komplementære fysiske processer, " hvoraf lav SM bidrager til nedsat evapotranspiration. Reduceret evapotranspiration fører igen til stigninger i temperatur og højere VPD (på grund af nedsat fordampningskøling og overfladenær fugtighed). Øget VPD driver yderligere evapotranspiration, som igen accelererer fald i SM. Samtidig forekomst af VPD og SM i denne onde cirkel har været stigende siden midten af ​​det 20. århundrede, og disse samtidige begivenheder er steget i frekvens og intensitet. Dette mønster forventes løbende at stige i en overskuelig fremtid i takt med opvarmningstendenserne.

Ved at udforske forholdet mellem SM og VPD, Zhou og kolleger så også på deres effekt på fremtidige klimascenarier, især med hensyn til, hvordan observerede data svarede til flere jordsystemmodeller (ESM'er), i forhold til deres nøjagtighed i forhold til både tidligere historiske simuleringer og fremtidige klimasimuleringsforudsigelser. Specifikt, deres undersøgelse viste, at:"(i) sammensatte VPD og SM ekstremer forekommer meget hyppigere end forventet, hvis VPD og SM ikke var intimt koblet, (ii) denne samtidige udvikling af tørke og tørhed resulterer i betydelige kulstoftab i økosystemet, og (iii) virkningerne af disse sammensatte ekstremer vil forstærkes i fremtiden."

Ved at teste deres hypoteser, Zhou og kolleger indsamlede daglige observationsdata fra 66 fluxtårne, for det meste placeret på lav- og mellembreddegrader, og evaluerede forholdet mellem SM, VPD, netto økosystemproduktivitet (NEP), brutto primær produktivitet (GPP), og total økosystemrespiration (TER). NEP er et mål for det terrestriske kulstofbudget, mens GPP og TER er bestanddele af NEP, repræsenterer fotosyntese og respiration, henholdsvis. Statistisk analyse af disse data bekræftede en stærk og bimodal sammenhæng mellem SM og VPD i begge yderpunkter; det er, lav SM og høj VPD havde en tendens til at forekomme samtidig, ligesom høj SM og lav VPD. I øvrigt, de fandt ud af, at hændelser med lav SM-høj VPD havde en tendens til at forekomme sammen omkring dobbelt så hyppigt som hver variabel betragtet uafhængigt, og at lav SM-høj VPD-tilstande havde en tendens til at blive tættere koblet, efterhånden som de blev mere ekstreme. I nærvær af ekstreme lav SM-høj VPD-tilstande, GPP og NEP faldt begge, mens TER forblev relativt stabilt.

For at sammenligne og verificere deres observationer fra fluxtårnets data, gruppen undersøgte hundredeårssimuleringer af historiske (1871-1970) og forventede fremtidige (2001-2100) klimaforhold i forhold til 15 ESM'er. Disse ESM'er bekræftede den negative sammenhæng mellem SM og VPD og gjorde det muligt for forskerne at kortlægge områder på kloden, hvor sandsynlighedsmultiplikationsfaktoren, det primære statistiske mål for denne undersøgelse, var særligt udtalt. Bemærk, det sydøstlige USA, Amazonas-regionen, det sydlige Afrika, og Øst- og Sydøstasien demonstrerede alle stærk SM-VPD-interaktion i både historiske og fremtidige ESM-modeller. Disse ESM-modeller forudsagde stigninger i både frekvens og intensitet af sammensatte SM-VPD-hændelser, som vil have en betydelig global indvirkning på den kontinentale kulstofdrænkapacitet.

Ved at evaluere denne fremtidige virkning af ekstrem VPD-SM i ESM'erne, efterforskerne forudsagde et fald i kulstofoptagelsen. Med hensyn til de fleste ikke-boreale regioner mellem 50 grader nordlig bredde og 50 grader sydlig breddegrad (hvor de fleste af data fra fluxtårnet blev indsamlet), TER faldt. Både GPP og TER, som var påvirket af VPD-SM-sammensatte hændelser, var forbundet med "negative NEP-anomalier ... over mere end 75 % af landarealet i de to [historiske og fremtidige ESM-simulering] perioder." Sammenfattende, "enorme forventede stigninger i antallet af samtidige forekomster og omfanget af samtidige VPD og SM ekstremer i mange regioner globalt" vil resultere i drastiske reduktioner i økosystemernes kulstofoptagelseskapacitet.

ESM-data viste også, at NEP-anomalier som følge af sammensatte ekstreme SM-VPD-hændelser var meget stærkere end anomalier som følge af ekstreme hændelser, der stammer fra kun én af disse variabler. Resultaterne afveg regionalt i vurderingen af ​​de additive effekter af en ekstrem variabel versus en anden i forhold til kulstofoptagelse i forbindelse med historiske og fremtidige simuleringer. Ekstremt lav SM blev fremskrevet til at have en større indvirkning på NEP end ekstrem høj VPD på den nordlige halvkugle, selvom dette fund ikke gjaldt Amazon- og Congo-bassinerne på den sydlige halvkugle. Den ekstra effekt af ekstrem lav SM på GPP blev vist at være meget større end effekten af ​​ekstrem høj VPD for næsten alle landmasser i fremtidige simuleringer, imidlertid.

Zhou og kolleger tager også hensyn til den formildende faktor ved fænomenet kendt som CO ₂ befrugtning, hvorved fotosyntesehastigheden stiger i planter på grund af øget atmosfærisk kuldioxid. På trods af denne forskydning, den globale kulstofoptagelse forventes stadig at falde. Efterforskerne bemærker nogle få usikkerheder i deres metoder og modeller - f.eks. det faktum, at deres modeller ikke tager højde for planters tilpasningsevne til klimaændringer. De opfordrer også til fremtidigt arbejde for at adskille virkningerne af VPD og SM, som de gælder for økosystemmodeller, da VPD forventes at stige betydeligt over hele kloden, hvorimod SM-fremskrivninger synes at gælde mindre universelt.

Afslutningsvis, gruppen oplyser, "Vores resultater fremhæver vigtigheden af ​​sammensatte tørke- og tørre begivenheder og deres indvirkning på kontinental kulstofoptagelse, og behovet for at overveje disse faktorer i evalueringen af ​​fremtidige risici for klimaændringer. I betragtning af de forventede stigninger i intensiteten og hyppigheden af ​​sammensatte tørke- og tørre begivenheder i det 21. århundrede, strategier bør udvikles og implementeres for at styre risici og forbedre tilpasningsevnen."

© 2019 Science X Network