Манипулятивные эксперименты с экосистемами являются мощным инструментом для понимания реакции наземных экосистем на глобальные изменения, поскольку они измеряют реальные реакции в реальных экосистемах и дают представление о причинно-следственных связях. Однако их возможности ограничены в пространстве и времени из-за стоимости и трудоёмкости. Это затрудняет обобщение результатов таких экспериментов, что создаёт концептуальный разрыв между пониманием процессов локального масштаба и прогнозами будущего в глобальном масштабе. В недавних усилиях результаты таких экспериментов использовались в сочетании с динамическими глобальными моделями растительности, чаще всего для оценки прогнозов моделей с учётом факторов глобальных изменений. Однако существует гораздо больший потенциал в сочетании моделей и экспериментов. Авторы обсуждают ценность и потенциал рабочего процесса использования экосистемных экспериментов вместе с моделями для повышения потенциала обоих. Предполагается, что модели можно использовать до начала эксперимента для генерации гипотез, определения потребностей в данных и в целом для руководства по планированию эксперимента. Модели, если они адекватно ограничены наблюдениями, также могут предсказывать переменные, которые трудно измерять часто или вообще, и вместе с данными они могут предоставить более полную картину состояния экосистемы. Наконец, модели могут использоваться для обобщения экспериментальных результатов в пространстве и времени, обеспечивая основу, в которую можно включить понимание процесса, полученное в результате экспериментов на уровне объекта. Также обсуждается потенциал использования манипулятивных экспериментов вместе с моделями в формализованных структурах интеграции моделей и данных для оценки параметров и выбора модели - путь, ставший возможным благодаря растущему числу экосистемных экспериментов и разнообразным потокам наблюдений. Представленные здесь идеи могут стать дорожной картой для будущих экспериментально-модельных исследований.

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/20/3637/2023/

Внезапные засухи представляют серьёзную угрозу для урожайности сельскохозяйственных культур и экосистемных услуг из-за их внезапного начала и быстрой интенсификации, вызывая широкую обеспокоенность общественности в условиях потепления климата. Однако их долгосрочные характеристики изменений, основные механизмы и особенно потенциальное воздействие на сельское хозяйство, леса и население в глобальном масштабе остаются в значительной степени неизвестными. Авторы использовали наблюдения in situ, два набора данных глобального реанализа на основе наблюдений и 22 модели системы Земли, чтобы определить, что внезапные засухи смещаются в сторону более частых, ускоренных наступлений и продолжительности. Эти изменения увеличили подверженность сельскохозяйственных угодий, лесных массивов и населения внезапным засухам на 20,3%, 17,1% и 30,0% соответственно в течение 2001–2020 гг. по сравнению с 1981–2000 гг., с непропорциональным ростом комплексных рисков по всему бассейну Амазонки и в Восточной и Южной Азии. Вызванное потеплением увеличение одновременно жарких и засушливых климатических условий в основном привело к возникновению и усилению внезапных засух в крупных регионах. Однако современные модели проекта CMIP6 не смогли определить ускорение времени наступления внезапных засух и сильно недооценили возникновение внезапных засух, вызванных только дефицитом осадков или волной тепла, вероятно, потому, что они искажают зависимость между осадками и температурой и недооценивают чувствительность влажности почвы к температуре и осадкам в коротких временных масштабах (например, 5 дней). Эти обобщения всесторонне расширяют понимание характеристик и последствий внезапных засух, но также подчёркивают, что модели CMIP6 необходимо проверить, чтобы они отражали правильную ковариацию между климатическими переменными в короткие временные масштабы с целью обеспечения более надёжных прогнозов внезапных засух.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41612-023-00468-2

На рост растительности и фиксацию углерода в наземных экосистемах серьёзно влияет климат. Это особенно актуально в Арктике в связи с усиливающимся потеплением. Целью данного исследования является понимание механизма реакции суммарной первичной продуктивности (СПП) Арктики на различные климатические факторы, такие как температура, осадки и частичный снежный покров. Сначала были исследованы распределение и межгодовая изменчивость метеорологических факторов за последние два десятилетия. Затем их вклад в изменчивость и зависимость СПП от высоты, широты и типов растительности был проанализирован в разных временных масштабах. Наконец, в ежемесячном масштабе также изучались временные эффекты реакции СПП на метеорологические факторы. Результаты показывают, что наибольшее влияние на СПП оказывает температура, за ней следует частичный снежный покров, а осадки занимают последнее место. Положительная реакция СПП на температуру не показывает временных задержек в большинстве районов, а отрицательная реакция на осадки демонстрирует временные задержки примерно в половине арктических регионов. Для частичного снежного покрова положительное влияние на СПП проявляется с задержкой более двух месяцев, тогда как отрицательное влияние - с задержкой не более одного месяца. Реакция СПП на метеорологические факторы показывает зависимость от временных масштабов. Изменение СПП в месячном масштабе в основном зависит от пространственного распределения этих метеорологических факторов. В годовом масштабе на СПП также влияет межгодовое изменение этих метеорологических факторов. Это исследование имеет важное значение для улучшения понимания того, как углеродный цикл в наземной экосистеме Арктики реагирует на изменение климата.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-023-06935-z

Атмосферные реки играют важную роль в глобальном водном цикле, но прогнозирование их будущих изменений остаётся неопределённым из-за различий между модельными представлениями и методами обнаружения. Используя модель системы Земли со сверхвысоким разрешением и новый алгоритм обнаружения, основанный на извлечении геометрической формы, авторы количественно оценивают глобальные изменения в атмосферных реках и связанные с ними явления осадков в ответ на удвоение и учетверение концентрации CO₂ в атмосфере. Обнаружено, что, по прогнозам, атмосферные реки станут более частыми и с большей вероятностью будут связаны с экстремальными осадками, увеличивая их вклад в среднее глобальное количество осадков. Хотя перенос водяного пара внутри этих структур соответствует масштабу Клаузиуса-Клапейрона, изменения максимальной интенсивности осадков напоминают другие насыщенные атмосферные среды, такие как ядра тропических циклонов. Увеличение амплитуды атмосферных рек и связанное с этим увеличение среднего и экстремального количества осадков имеют важные последствия для будущей политики управления водными ресурсами и адаптации.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-023-00963-7

Приземное потепление в Арктике происходит гораздо быстрее, чем в глобальном масштабе. Тем не менее, это арктическое усиление происходит со скоростью, зависящей от сезона, выбора модели и воздействия. Настоящее исследование направлено на использование температурных наблюдений и реанализа для ограничения прогнозов арктического климата в период с ноября по март. Результаты показывают, что наблюдаемое недавно четырёхкратное потепление не полностью связано с антропогенным влиянием и будет уменьшаться с увеличением радиационного воздействия. Наблюдения за глобальной и региональной температурой приводят к дополнительным ограничениям на прогнозы. Когда арктическое усиление определяется как дополнительное полярное потепление по сравнению с глобальным, неопределённости модельных оценок уменьшаются на 30% после ограничения. Аналогичные результаты получены для прогнозируемых изменений площади морского льда в Арктике (40%) и при использовании наблюдений за концентрацией морского льда и полярной температурой для ограничения прогнозируемого полярного потепления (37%), тем самым подтверждая ключевую роль морского льда как положительной, но зависящей от модели обратной связи с поверхностью.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-023-00949-5

Изменения растительности оказывают широкое влияние на региональный климат, баланс углерода, круговорот воды и продуктивность экосистем. Поэтому дальнейшее знание причин будущих изменений растительности имеет решающее значение для смягчения влияния глобального потепления. Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНЮК) является основным режимом межгодовой изменчивости климата и, вероятно, повлияет на растительность в глобальном масштабе. Тем не менее, мало что известно о причинах воздействия ЭНЮК на будущий растительный покров с изменениями в землепользовании и потеплением окружающей среды. Авторы исследовали связи между ЭНЮК и растительностью, используя данные индекса площади листьев (LAI) за период 2015–2100 гг., полученные в рамках CMIP6. Результаты показывают, что по сравнению с историческим периодом 1915–2000 гг. площади растительности, находящиеся под влиянием ЭНЮК, вырастут примерно на 55,2% и 20,7% в XXI веке по сценариям SSP2-4,5 и SSP5-8,5 соответственно. Хотя неопределённость в отношении причинно-следственной связи между ЭНЮК и изменениями растительности остаётся в нескольких регионах (т.е. в некоторых регионах Северной Америки, южной Австралии и Западной Азии), сигнатура ЭНЮК в вариациях LAI устойчива в северной Австралии, Амазонии и некоторых частях Юго-Восточной Азии. Эти результаты показывают, что влияние ЭНЮК на глобальную растительность может усилиться в будущем.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-023-41590-8

Сохранение лесов играет центральную роль в достижении национальных и международных целей в области биоразнообразия и климата. Биоразнообразие и количество углерода в лесах часто оцениваются с помощью моделей, что вносит неопределённость в процесс принятия решений о том, какие леса следует защищать. Авторы исследуют, как неопределённости в оценках лесных переменных влияют на моделируемое биоразнообразие и структуру углерода, и как это, в свою очередь, приводит к изменчивости в выборе новых охраняемых территорий. Обнаружено, что как биоразнообразие, так и структура углерода чувствительны к изменениям характеристик леса. Неопределённость в отношении объектов, которые были редкими и/или имели несовпадающее распределение с другими объектами, привела к наибольшему разнообразию в планах сохранения. Наиболее критическая неопределённость данных также зависела от того, какая часть ландшафта находится под защитой. Леса с наивысшей природоохранной ценностью были более устойчивы к неопределённостям данных, чем леса с меньшей природоохранной ценностью. Выявление критических источников неопределённости модели помогает эффективно уменьшить ошибки в решениях по сохранению.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s13280-023-01908-2

Изменчивость ветра влияет на скорость сокращения площади морского льда в Арктике

Сокращение площади морского льда в Арктике вызвано глобальным потеплением и ускоряется региональными обратными связями, возникающими в результате изменений в поглощении и отражении тепла льдом и снегом (альбедо), наряду с другими процессами. С большой долей уверенности ожидается, что к концу столетия арктический морской лёд исчезнет летом, хотя, вероятно, это произойдет раньше (1). Уменьшение площади морского льда в Арктике ещё больше увеличивает темпы глобального потепления, поскольку уменьшение альбедо означает, что Земля поглощает больше тепла. Изменения площади морского льда в Арктике сами по себе вызывают беспокойство, но отдалённые атмосферные и океанические связи также вызывают изменения в погоде, климате и экстремальные явления в более низких широтах (2). На странице 972 этого номера Поляков и др. (3) показывают, что среднесрочная изменчивость региональной атмосферной циркуляции может контролировать десятилетние изменения в скорости сокращения площади морского льда.

¹ Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2021: The Physical Science Basis (Cambridge Univ. Press, 2021).
² J.A. Screen et al., Nat. Geosci. 11, 155 (2018).
³ I.V. Polyakov et al., Science 381, 972 (2023).

Ссылка: https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adj8469

Усиление тёплых, солёных субарктических притоков приводит к атлантификации высоких широт, ослабляющей океаническую стратификацию, усиливает потоки тепла и сокращает площадь морского льда. Авторы показывают, что атмосферный арктический диполь, связанный с антициклоническими ветрами над Северной Америкой и циклоническими ветрами над Евразией, модулирует притоки из Северной Атлантики через северные моря. Чередование фаз арктического диполя создаёт «механизм переключения». В период с 2007 по 2021 гг. этот механизм переключения ослабил приток на север и увеличил экспорт морского льда через пролив Фрама, а также увеличил приток по всему Баренцеву морю. Способствуя усилению циркуляции Северного Ледовитого океана, переносу пресной воды в американо-азиатский бассейн, усилению стратификации и снижению океанических потоков тепла там после 2007 года, положительная фаза арктического диполя способствовала замедлению таяния морского льда. Переход к отрицательной фазе арктического диполя может ускорить сокращение площади морского льда в Арктике, что приведёт к дальнейшему изменению арктической климатической системы.

Ссылка: https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5158

Беспрецедентная волна тепла обрушилась на Восточную Антарктиду в марте 2022 года, достигнув пика на 39°C выше климатического уровня, что стало крупнейшей температурной аномалией, когда-либо зарегистрированной в мире. Авторы исследуют причины этой волны тепла, влияние изменения климата и способность климатической модели отражать такое событие. Волна тепла, которая была умело спрогнозирована, возникла в результате весьма аномальной крупномасштабной циркуляции, которая за четыре дня перенесла австралийскую воздушную массу в Восточную Антарктиду и вызвала рекордные атмосферные потоки тепла. Аномалии температуры поверхности моря в Южном океане оказали минимальное влияние на амплитуду тепловой волны. Расчёты на основе климатической модели не позволяют смоделировать такую большую температурную аномалию, в основном из-за погрешностей в её крупномасштабной изменчивости циркуляции, что намечает путь для будущего улучшения моделирования экстремальных волн тепла. Из-за изменения климата волна тепла стала на 2°C теплее, а волны тепла в конце XXI века могут стать ещё на 5–6°C теплее, что повышает вероятность того, что температура будет близка к таянию во внутренних районах Восточной Антарктиды. 
 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL104910