英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

陆地生态系统变化由于气候变化

Chris Jones *，Jason Lowe，Spencer Liddicoat和Richard Betts

NATURE GEOSCIENCE VOL 2 JULY 2009 | www.nature.com/naturegeoscience

摘要：稳定气候变化的目标通常基于不同水平的全球变暖的影响，通常评估达到特定变暖水平的时间。然而，地球系统的一些方面，例如：全球平均气温^[1]和由于热膨胀引起的海平面上升^[2]或大冰层融化^[3]，在辐射强迫稳定之后，仍然长时间地响应。在这里，我们使用耦合的气候 - 植被模型，以显示陆地生物圈在其对气候变化的响应中显示出显着的惯性。我们同时也证明了，在气候稳定后，全球陆地生物圈仍旧可以持续改变数十年。我们同时也建议了，生态系统可以在任何反应可观测之前就致力于长期变化。例如，我们发现亚马逊河流域森林覆盖显着丧失的风险随着全球平均气温升高超过2℃而迅速上升。我们得出的结论是，在未来气候变差伴随着有危险的生态变化，在做随后的政策发展中必须以避免这些危害的发生。

未来的气候变化和碳循环碳循环紧密联系^[4]。许多研究^[5,6]现在已经显示出积极的反馈，扩大了气候变化，减少了碳的自然吸收，并影响全球排放途径达到稳定^[7,8]。在1或2个世纪的时间尺度上，对这一反馈的贡献可能来自陆地生物圈，而不是来自海洋碳循环。上升的温度增加了土壤的分解，加上降雨的减少，也可能降低大区域的植物生产力。气候变化也可能改变重要的生物群系，特别是热带和北方森林^[9]。政策制定者通常将气候影响作为一个影响程度与全球平均升温的表格（例如，“斯特恩报告”^[10]）进行总结。当然，一个显着的限制是一些影响是从模型模拟在达到温度的瞬间获取的，但未能考虑随后的影响，因为系统忽略缓慢响应部分所产生的变化。

由于温室气体浓度的增加，全球平均温度的增加落后于由于系统的热惯性而引起的辐射强迫对于当今的气候，这种模式模拟的预计增加在0.25和0.5摄氏度之间^[11]。气候系统的其他组成部分也显示出模式模拟的变化。海平面上升的热膨胀似乎可能增加几个世纪到几千年来稳定的辐射强迫^[2,11]，并且格陵兰冰盖融化后对海平面上升的贡献也可能持续很长时间后辐射强迫稳定^[3,12] 。陆地生态系统也可能在强迫稳定之后显示强迫的变化行为，因为植被覆盖和碳储存的变化可能落后于温度和降雨的变化。因此，我们介绍模式模拟的新概念。生态系统变化，并检查生物群落在能够观察到气候变化之前对气候强迫反应的重大变化的程度。政府间气候变化专门委员会第二次评估报告指出，预计与森林生态系统时间表相比，气候变化速度较快^[13]，但是后来的IPCC评估报告和出版的文献都没有讨论这一声明对重要生态系统的模式模拟变化的影响。我们提供来自亚马逊和北方森林的例子，以显示这种模式模拟的变化可能有多重要。

Met Office Hadley Center气候碳循环模型，HadCM3LC，是仅有的几个耦合的大气循环模式（GCM）动力植被模型之一。以前的分析^[14,15]已经检查了由该模型响应于气候变化的瞬态情景模拟的亚马逊森林的大规模损失。其他研究在一系列气候模式的气候变化模拟下审查了热带生态系统反应^[16,17]，并使用一系列植被模型（一些具有更大程度的物种多样性）^[9]也显示热带森林覆盖减少，特别是在亚马逊河流域。观察性研究还显示亚马逊森林对干旱的敏感性^[18]。虽然HadCM3LC产生更大的区域气候变化和消亡比一些离线模型研究，其他模型做项目变化，虽然不太极端，在质量上相似^[9]。然而，所有这些研究都集中在改变强迫的时期，而不是稳定后的行为。我们在这里研究长期模式模拟的变化图1显示了亚马逊森林地区现实观测和模式模拟的植被覆盖的比较（我们考虑了由40°W-70°W和1。5°S-5°N定义的区域内的土地面积，如图所示图2）。图1a显示了该区域随时间变化的部分森林覆盖。图1b显示了相同的数据，但显示为相对于工业前的全球平均温度绘制的回复程度。很明显，平衡模拟中的森林覆盖（虚线）显着低于动态状态。这表明在任何时候，森林只显示它最终将到达的消亡水平的一部分。例如，到2050年，当在瞬态模拟中开始观察到反弹时，森林已经致力于最终失去其区域的50％，即使没有进一步增加强迫（图2）。这是在瞬态模拟中看到的大致相同的损失，在2100年增加强迫（图1）。到2100年，即使只有三分之一的树覆盖已经消失，森林模式模拟在这个地区几乎完全损失。实线可以被认为是当首次达到特定级别的加温时的影响。虚线是在稳定温度下长时间维持加热后的最终冲击。

图1 动态和均衡的亚马逊森林范围模拟 a分数树覆盖（表示为分数覆盖率区域40°-70°W，15S-5°N的阔叶树）动态通过SRES A2模拟和模式模拟状态对应每年；b绘制的相同信息作为全局平均温度的函数的完全反冲的百分比高于前工业化（定义为0，原始的工业前森林盖子，和100在这个区域的树盖完全损失）

如果有一个温度低于这个森林的平衡状态大致恒定，但高于该温度，平衡的森林覆盖随气候变化稳定下降。这一点可以被视为一个阈值，超过这个阈值，亚马逊森林的某种程度的损失是不可避免的。除此之外，没有从“森林”到“没有森林”的突然过渡，而是未来模式模拟的消亡水平的逐渐增加，影响比突然的更进步。

我们的研究结果还表明，在任何观察之前，森林可能被模式模拟到某种程度的消亡。例如，如果气候强迫稳定在2050年，当树冠覆盖分数从现在几乎没有变化，随后在接下来的100-200年仍然会发生显着的倒退。这对危险气候变化的任何定义都有严重影响，因为这意味着气候的稳定不一定意味着气候影响的稳定。在已模式模拟变更的阈值已经过去的某个时间，这可能不会变得明显。

图2 亚马逊森林树覆盖在2050年的地理分布 a、b现实观测（a）和模式模拟（b）国家表示为由模型模拟的阔叶树的部分覆盖；黑色矩形显示用于计算平均森林覆盖的区域

这种模式模拟的变化的另一方面是考虑系统恢复的潜力。在回归工业化前全球气候条件下评估生态系统恢复的实验表明，森林确实具有恢复的潜力，但只有很长（多个世纪）的时间尺度上。这对温度超调情况有影响。首先，从影响的角度看，一旦森林覆盖的全面变化现实观测，社会必须存在没有森林的时间长度可能会长，以至于实际目的，这种变化是不可逆转的。第二，随着森林覆盖量反馈到全球大气二氧化碳浓度，长期恢复意味着缓慢的再生长将使得更难以降低二氧化碳浓度，使得更难以从上面接近二氧化碳和变暖的安全水平。

模式模拟的生态系统变化的概念同样适用于其他生物群落和森林扩张以及消亡响应/滞后时间和对碳储存的影响可能不同^[20,21]。图3显示了北方森林的等效结果。在45°-80°N之间使用树覆盖作为北纬纬度森林覆盖的简单测量，动态解决方案显示出到2100年覆盖面的稳定但缓慢的增加。大部分是现有的树覆盖森林区域，其比树木的扩展更快地发生。到2100年，我们也看到了森林覆盖的向北扩展。模式模拟状态在2100年之前显示出更大的扩展，超过3倍。现实观测扩展和模式模拟扩展之间的巨大差异是由于区域变化的慢时间尺度。

北方森林地区预计在二十一世纪经历大于平均变暖的^[22]，并且是一个其中树木生长通常受温度的限制而不是降水的地区。由于大多数GCM对高纬度陆地区域的变暖在质量上达成一致，因此可以预期，这里的结果在不同模型中更加强大（参见补充信息中的进一步讨论）。在其他植被模式^[9]和响应其他气候模式^[16]中也发现了北方森林扩张。花粉记录和树消亡率观察表明，在全新世中期和中世纪暖期的以前温暖的时期确实经历了北方森林的更大的北方程度^[23]。

图3 动态和平衡北方森林程度模拟。 实线表示分数树覆盖（表示为该区域的阔叶树和针叶树的部分土地覆盖（45-80^◦N），通过SRES A2模拟动态演变虚线示出对应于每年的模式模拟状态

考虑到生态系统的长时间尺度变化也对多气体减缓政策有影响，因为二氧化碳对植被的直接生理作用^[24]。由于生态系统也对二氧化碳浓度的变化作出反应，未来的生态系统模式模拟不仅可能取决于辐射强迫的稳定，而且还取决于二氧化碳和非二氧化碳温室气体减排措施的相对贡献。对于给定的辐射强迫，CO2和非CO2气体可能导致非常不同的影响生态系统^[24]。二氧化碳水平升高可能有助于森林恢复力例如，通过提高用水效率^[25]，意味着非二氧化碳减排可能更有效地减少模式模拟生态系统损害。然而，量化这种效应需要很多更多研究。还有对林业做法的影响，因为退化森林进一步增加了模式模拟损失的风险因为扰乱后对火灾的脆弱性增加^[26]。我们已经介绍了迄今为止，侧重应用的模式模拟变化的概念陆地生态系统。虽然这些结果来自单一模型，因此受到数量不确定性，我们认为在陆地生物圈中模式模拟的变化的概念是可能是强大的。陆地生物圈可以缓慢地响应大，区域尺度的强迫，但可能不总是处于平衡。

在任何时间点强制强迫，都将导致后续几十年或几个世纪对未来重大变化的模式模拟紧随稳定化。有一个阈值超过了一些反覆模式模拟，这一模式模拟显着增加以获得更大的全球温升。在我们的模型中这个阈值低于2°C，这是政策制定者常用的阈值危险气候变化的定义^[27]，虽然定量我们的结果的性质带有很大的不确定性任何后续恢复是在这样长的时间尺度上以使得模具背面效应在未来1-2个世纪的人类时间尺度上是不可逆转的。在气候之中很少或没有讨论生态系统研究界对模式模拟的概念对气候变化的生态系统变化。我们的目的是画画注意模式模拟的生态系统变化作为一个问题要求认真的考虑，一个需要学习超过一个单一模型。随着政策侧重于减缓气候变化和稳定气候变化，量化这种模式模拟变化将为我们的理解做出宝贵的贡献的危险气候变化，并协助发展减缓政策。我们认为，模式模拟的生态系统变化，除了现实观测的变化，应该在任何考虑危险气候变化的定义。称重的成本相对于气候损害成本的减排量导致对陆地生态系统的非常不同的结论模式模拟的生态系统变化被认为优先于通常的瞬态响应。

方法

HadCM3LC是一种耦合气候/碳循环的大气环流模型，包括动态植被模型。它能够再现观察到的变化的许多方面作为二十世纪的温度和CO2记录，观察到的敏感性因素CO2到厄尔尼诺和大型火山喷发。我们在这里做实验对偶联的HadCM3LC瞬态CO2模拟C4MIP^（6）。这个实验使我们能够评估生态系统的瞬态响应。常规SRES A2排放情景。 这一切的变化实验给出了在任何给定时间生物圈状态的投影

状态 - 即在系统演进时发生在某个时间点的状态在模拟期间。 我们将提到这样一种状态：“动态”或“现实观测”不一定处于稳定状态或与环境气候或CO2平衡水平。 由于植被的响应时间长，我们使用加速平衡技术（见补充方法）来确定最终的如果强迫在给定的时间点保持恒定，则生物圈状态。 我们会参考作为“平衡”或“模式模拟”状态。 两者的区别是因此衡量未现实观测但现实观测的变化。

参考文献：

[1] Hare, B. amp; Meinshausen, M. How much warming are we committed to and how much can be avoided? Clim. Change 75, 111–149 (2006)

[2] Wigley, T. M. L. Global mean-temperature and sea level consequences of greenhouse gas concentration stabilisation. Geophys. Res. Lett. 22, 45–48 (1995)

[3] Gregory, J. M. amp; Huybrechts, P. Ice-sheet contributions to future sea-level change. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 364, 1709–1731 (2006)

[4] Cox, P. M. amp; Jones, C. D. Illuminating the modern dance of climate and CO2 .Science 321, 1642–1644 (2008).

[5] Cox, P. M., Betts, R. A., Jones, C. D., Spall, S. A. amp;Totterdell, I. J. Acceleration coupled climate model.Nature 408, 184–187 (2000).

[6] Friedlingstein, P. et al. Climate-carbon cycle feedback analysis, results fr

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[26434]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word