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前面。爬。2022年1月24日
秒。预测和预测
卷3 - 2021 | https://doi.org/10.3389/fclim.2021.716464

识别障碍评估碳释放从北极变暖的互动反馈

蕾切尔Treharne ¹ ^*

布伦丹·m·罗杰斯 ¹

托马斯夸夸其谈的人 ²

艾琳·麦克唐纳 ¹

苏珊娜塔莉 ¹

¹马法尔茅斯Woodwell气候研究中心,美国
²国际应用系统分析研究所(IIASA) Laxenburg,奥地利

北方冻土地区拥有几乎世界上一半的土壤碳在全球陆地面积的15%。在2007年至2016年之间,冻土热平均0.29°C,与观测结果表明,冻土在南风越多,不连续的冻土地带已经解冻。尽管如此,我们理解潜在的碳释放这个地区不仅仍不确定,但不完整。SROCC凸显出全球范围内模型表示碳损失从冻土只有通过循序渐进,自上而下的解冻。这排除了“脉冲”干扰,即突然解冻,冰含量高的冻土融化,导致沉降和相对快速解冻,和火——这两者都是至关重要的预测未来的永冻层碳反馈。周围存在着大量的不确定性这些扰动的响应持续变暖,尽管预计将影响越来越北方冻土地区的区域。这是特别关注的最近的证据表明,脉冲干扰,在某些情况下,非线性响应变暖。更容易理解之间的交互过程驱动冻土碳的损失。火灾不仅驱动器直接碳损失,但可以加速渐进和突然的永久冻土层解冻。然而,这种重要的相互作用是在科学文献中很少涉及。 Here, we identify barriers to estimating the magnitude of future emissions from pulse disturbances across the northern permafrost region, including those resulting from interactions between disturbances. We draw on recent advances to prioritize said barriers and suggest avenues for the polar research community to address these.

介绍

永冻层土壤在北方和苔原碳池生物群落组成世界上最大的脆弱。通过地面解冻,干扰这个池和随后的大小,时间表,和形式的碳释放到大气中,将有一个决定性的对未来气候变化的影响Schuur et al ., 2015)。

北部的气候变化驱动扰动冻土通过许多不同的流程(Kokelj et al ., 2017)(图1)。这些包括逐渐变暖的地面和后续活动层增厚;永冻层土壤的上层经历季节性解冻。这种“逐步解冻”预计将导致损失的24 - 69%的近地表(上3 m)冻土本世纪(可能范围;联合国政府间气候变化专门委员会,2019)。估计逐渐融化造成的碳释放在同一时间尺度范围从30 pg - 150 pg C (娜塔莉et al ., 2021);相当于累计排放量到2100年从日本到美国到2100年,在他们目前的排放速度(UCS, 2020)。

图1

图1。概念图说明可能的冻土环境的变化由于持续的气候变化,包括(a)活性层增厚;(b)燃烧过程中土壤有机质更频繁和严重的火灾;火后(c)加速活跃层增厚;(d)突然解冻的地表沉陷和发展特征,包括针对火活动增加;(e)进步,fire-induced解冻的永冻层不连续冻土的表在更南方的地区,包括通过居间不冻层的形成和横向扩张。

逐步解冻可以比作一个“新闻”干扰;干扰与较低的大小和长时间(Jentsch和白色,2019年)。目前,只有逐步冻土解冻在地球系统模型(esm)表示。这个不重要,相对缓慢地下一层的形成等媒体干扰长期土壤解冻融区,可以驱动附加解冻(Devoie et al ., 2019),一些逐步热岩溶过程(如低地热岩溶湖泊),而由于不均匀地面沉降后解冻。

然而,气候变化正在推动不仅加速媒体干扰,但也增加一些类型的“脉冲”——突然,高级单位时间——扰动冻土地区。这是令人担忧的脉冲干扰在许多情况下可能导致大量碳排放。

其中脉冲干扰突然冻土解冻。突然解冻是一个集体名词包括一系列热岩溶过程,在退化hillslope高含冰量结果相对快速、高级地面disturance和形成的特性(例如倒退解冻衰退,Kokelj Jorgenson, 2013)。这个词还包括一些低地热岩溶地貌的发展,如热岩溶湿地和湖泊;虽然有些热岩溶特征逐渐形成几十年,因此可以更好地描述为按扰动。而逐渐解冻收益自上而下到几十年,突然解冻可以公开几米多年冻土在时间尺度上的天。

这里的脉冲干扰考虑,火灾影响最大的北方区区域(股票et al ., 2002;van der Werf et al ., 2017)。火灾的发生率已经增加了20世纪中期以来,北方苔原和生物群落(Kasischke et al ., 2010;哈内et al ., 2019),证据表明加强火政权与异常高的火排放近年来(Veraverbeke et al ., 2017;沃克et al ., 2018;麦卡蒂et al ., 2020;Scholten et al ., 2021)。虽然一些esm包括火,他们排除燃烧土壤有机质的碳损失高纬度地区的主要交通工具。此外,火可以加速冻土解冻后燃烧的绝缘土壤有机层,通过启动或加速逐渐解冻和通过促进突然解冻过程~ 20%的高纬度地区容易突然解冻(Olefeldt et al ., 2016;吉布森et al ., 2018)。

尽管脉冲干扰相对很少发生在时间和空间,他们可以影响媒体的干扰。例如,在北极,突然解冻可能导致辐射强迫等于逐步解冻,尽管影响不到20%的永久冻土地区(图瑞斯基et al ., 2020)。

文献解决碳释放脉冲干扰正在增长,并在某些情况下,特别是火灾,已经是巨大的。然而,脉冲扰动的随机性质,复杂性潜在的影响和应对气候变化,和固有的挑战获得的数据在高纬度地区,仍主要障碍将这些重要的过程纳入综合评估未来的碳释放来自北方的冻土地区。这里我们反思这些障碍,突出重点问题未来的研究的目的和方法——我们认为代表最有效的方法解决这些问题。

估计碳壁垒损失

干扰的考虑,最近从火可以评估碳损失最多的信心。大量的网格数据集来自卫星数据报告区和火焚烧排放在年度或更高的时间分辨率在区域pan-Arctic尺度(安德森et al ., 2015;Veraverbeke et al ., 2015;想来et al ., 2018;Oton et al ., 2019;Dieleman et al ., 2020)。与气候变化之间的关系也良好,气候变暖,干燥,增加雷击率所有涉及增加火活动(沃尔什et al ., 2020;et al ., 2020;陈et al ., 2021;麦卡蒂et al ., 2021)。

然而,预计增加燃烧区域,火排放的主要决定因素(Veraverbeke et al ., 2015),从不足50%到超过150%°C的全球变暖,甚至有类似的宽范围等研究地区阿拉斯加°C (7 - 93%⁻¹)(估计:Euskirchen et al ., 2009;Eliseev et al ., 2014;麝猫et al ., 2018)。这些范围的广度证明未来消防活动仍高度不确定,由于底层流程的复杂性和扩展这些跨大区域的挑战(Kitzberger et al ., 2017;面包师et al ., 2018)。

与火,没有pan-Arctic评估发病率突然解冻。这部分是由于检测的困难突然解冻功能——可以相对较小,与热签名与火有关,缺乏一个信号,很容易通过中等分辨率卫星遥感探测。最近的研究表明,即使是高北极永冻层可以迅速接受突然解冻,以应对气候变暖(Farquharson et al ., 2019;琼斯等人。,2019年;Lewkowicz和方式,2019)。然而,尽管当地范围内观察性研究提供关键的见解(例如)不同解冻的司机轨迹,进行单独依赖当地范围内研究量化突然解冻发病率在大型和异构北极地区意味着气候变化之间的联系和突然解冻限制利率依然不佳。

同样,尽管对地区级的核建模表明,突然解冻可以为碳脆弱性(有决定性的影响Nitzbon et al ., 2020),综合评估其影响碳通量稀缺,尤其是横向通量,占超过一半的总碳损失(广场et al ., 2019)。一个现有pan-Arctic估计表明,突然thaw-driven净碳逐渐解冻损失可能等于40%的人(图瑞斯基et al ., 2020)。然而,数据缺乏这一阶的方法仍然是一个限制因素。

量化火灾后解冻也严重依赖单研究中,经常用不到十年的观测数据报告(但如见。Jafarov et al ., 2013;吉布森et al ., 2018)。苔原生态系统,消防制度预计最大的比例增加(陈et al ., 2021),没有长期监测火灾后活性层厚度的报告日期(Holloway et al ., 2020)。因此,我们对火灾后解冻轨迹的理解,特别是他们的空间和地理变异,仍然有限。

带来的障碍缺乏观测数据被限制在当前复合建模方法。全球范围内的空间分辨率模型比随机粗糙,精细和高度异构的脉冲干扰的过程。此外,简化模型结构不会让自己的机械化模拟这些干扰。例如,esm通常使用一个列每个网格单元,土壤和植被的“大叶”表示;有效eco-physiological崩溃复杂,生物地球化学和地貌过程在数千公里²成一个单一的网站。

优先获得更好的预测

预测未来的后果脉冲干扰是复杂的。它需要预测气候变化,识别关键环境因素(包括变量描述环境上下文,例如土壤特性、地形和排水)管理的发生率,和恢复,干扰和机械的理解气候变化如何影响这些驱动程序。数据描述地理和空间环境的关键因素的变化,和机械的理解这些司机如何影响发病率,从扰动的影响,恢复也需要应用在整个大空间尺度上的预测。

我们提出一个概念性的框架(图2)来描述这些数据和知识的需求。下面,我们使用这个框架来确定优先级提供短期预测碳损失的改善脉冲干扰。在这一过程中,我们强调了需要改进:(a)机械的了解环境变量驱动的干扰影响(图2d);和(b)网格数据描述这些驱动变量(图2c)。“机械的理解”在这里指的是一个预测的理解变化的方式在一个给定的环境变量驱动变化扰动的影响。“驱动变量”在这里是指变量与因果影响干扰的影响。在一起,改善(a)和(b)可以提供更好的理解如何异质性在北极目前影响脉冲干扰的发病率和后果,因此环境变化将如何影响未来的脉冲干扰。解决这些概念(a和b),我们提供了具体的建议和未来的研究重点。

图2

图2。简化框架预测碳损失脉冲扰动下气候变化。预测的理解依赖于一个基本的了解的发病率和康复干扰影响碳通量,以及那些碳通量变化转化为长期储存碳的变化(过程在浅灰色阴影)。预测未来碳损失扰动在气候变化的情况下需要(a)预测的气候变化;(b)机械的理解这些变量如何驱动(c)关键环境变量影响发病率的干扰问题,和数据描述这些变量在苔原和北方生物群落的变化;和(d)的机械理解这些变量如何影响(i)干扰等特征频率、持续时间、空间分布;(ii)的严重程度或强度影响生态系统碳通量和(iii)的恢复时间和最终状态等特征。

识别机制

识别和量化的因果过程可以突出变量影响干扰特征以可预测的方式。这些变量可以指导地面或远程数据收集和/或通知预测建模方法。例如,最近的研究强调,“自下而上”的司机,如燃料的可用性,能发挥更强的影响在火排放相比,“自上而下”的驱动程序(如火的天气;沃克et al ., 2020)。在这种情况下,位置排水发挥了巨大的作用在决定燃料的可用性和碳排放,但大规模的排水估计不存在。因此,更好的量化排水条件应该是一个理解和预测研究优先级高强化消防制度对碳循环的影响。

机械的焦点有很强的潜力减少不确定性的碳损失由于火灾后冻土解冻。它已经表明,火灾后有机层深度是一个决定性因素在决定后续解冻轨迹(Jafarov et al ., 2013)。由于地下的碳池大小、植被类型和土壤水分影响有机层燃烧,这些变量可能会重大火灾后解冻的司机(Minsley et al ., 2016;沃克et al ., 2020)。

机制推动地面热力学相对易于理解(Jafarov et al ., 2013),允许健壮的位置估计的渐进地面解冻(例如,Garnello et al ., 2021);然而,pan-Arctic评估受限于缺乏强劲的网格数据集(例如,积雪深度和密度)。虽然地面冰内容是解冻后地面沉降的主要决定因素,突然解冻过程也强烈影响等景观特征表面含水率、水文连通性、土壤类型、地形、坡度和沉积地层学(Shiklomanov和尼尔森,2013年;劳拉et al ., 2015;Olefeldt et al ., 2016)。此外,突然解冻的发生和发展可能加剧了其他脉冲干扰,包括火(雷诺兹et al ., 2013;Baltzer et al ., 2014;Lewkowicz和方式,2019;克里斯腾森et al ., 2021)。因果,量化的了解这些landcover特征-和交互干扰类型影响突然解冻过程可以通知改善pan-Arctic碳预测。

另一个优先领域改善机械的理解是post-disturbance植被变化特征,如提高生产率(Reichstein et al ., 2013)或落叶物种的优势(麦克et al ., 2021)。通常认为,这些变化可能在某种程度上“抵消”土壤碳损失;但长期、综合理解disturbance-driven碳吸收量的变化是需要评估现实——特别是作为单独的干扰事件可以有大,短期内影响净碳损失(雅培et al ., 2016)。例如,Anaktuvuk河排放的火,烧毁了1039公里²2007年阿拉斯加苔原,相当于年度净碳吸收整个苔原生态区(麦克et al ., 2011)。此外,火也连带影响冻土通过改变地表反照率和删除的植被和土壤有机绝缘地面温度和冻土从温暖的夏季空气温度;如通过阴影和干/湿苔藓的绝缘/导电能力(O ' donnell et al ., 2009)。这些效应可以促进循序渐进,自上而下的永久冻土层解冻的几十年,启动热岩溶特征的发展,包括大规模突然解冻功能(例如倒退解冻衰退,刘et al ., 2014;琼斯等人。,2015年)。然而,火灾后的轨迹冻土解冻取决于燃烧过程,如深度土壤有机层和火灾后的轨迹植被恢复;这是反过来由变量如地形、土壤水分状况和地面冰内容(Jafarov et al ., 2013;Nossov et al ., 2013;吉布森et al ., 2018)。

基于流程的方法也是一个解决非线性的大道。最近的工作表明高纬度火政权可能会经历一场应对气候变化方面的,有突然在火灾季节的时间提前。这个进步是为了指出越来越角色留任或“僵尸”火灾持续整个冬天通过地下冒烟,re-commencing传播第二年春天(前Scholten et al ., 2021)。同样,过去几年已经看到增加燃烧传统耐火湿地等景观麦卡蒂et al ., 2020)。这些现象突出的价值流程级除了观察的净影响;在快速变化的经济气候,陌生的反应,而且可能意想不到的不可能。虽然有些变化将不可避免地仍不可预测,一个开关键过程变量和阈值的量化理解如火点火,和阴燃传播行为可能强调潜在的非线性。

建议

虽然承认,许多知识差距存在,我们已经确定了一个子集的过程,确定突然解冻的净影响,火和fire-mediated解冻的碳平衡模型,缺少和它是可行的开发机械的理解。

首先在这些表面水分动力学。虽然表面水可以显著改变冻土温度(兰格et al ., 2016),水分状况如何影响过程,如火点火仍然不好量化,它影响后续的碳释放的途径(广场et al ., 2019)。这些过程的重要性只会增加北极天气变得越来越rain-dominated和冻土解冻导致复杂的水文变化(同理,2017)。

第二个优先级是流程级的理解植被反应和碳re-accumulation干扰(Pizano et al ., 2014)。尤其是突然解冻,这些反应很少监控和了解甚少,尽管大量的可能性后果的净碳影响干扰(Hugelius et al ., 2020)。长期监测post-disturbance植被过程仍然是未来研究的一个关键途径。

此外,一个系统的机械观未来工作突然解冻过程的目标应该是提供因果了解特定站点变量,如土壤和水文特点,除了地面冰——确定进展和突然解冻(如净碳通量的后果。Kokelj et al ., 2017)。这样的见解,当搭配映射/量化的关键变量(参见下一节)能有效地解决这一核心障碍综合估计未来的高纬度地区碳损失(图瑞斯基et al ., 2020)。

类似于植被模型(持续的发展费舍尔et al ., 2015;费舍尔和Koven, 2020年),代表补丁动力学(或自适应花砖)的永久冻土层解冻可以帮助之间的空间桥梁esm和突然的永久冻土层解冻功能。虽然空间分辨率提高,不太可能的全球模型将能够直接模拟这些特性在本国决议(小5 - 10米)在可预见的未来。当开发新算法,建模者也将受益于新的基准突然解冻,尤其是在空间分布上,利率的变化,稳定/复苏,对水文和碳通量的影响。

量化的司机

部分识别机制强调的重要性确定变量与因果影响的净影响干扰。这些变量可能会被用于遥感和/或预测的建模方法,以更好地约束估计未来的干扰影响。例如,参数化突然解冻(类似于那些开发的图瑞斯基et al ., 2020)可以基于网格细胞功能的冰,地形指数、土壤属性,和其他环境和气候的司机。这些映射驱动变量在空间是特别有价值的在中高纬度大陆地区,在地理和空间异质性增强发展的复杂性pan-Arctic预测(Myers-Smith et al ., 2020;Virkkala et al ., 2021)。

然而,这种方法要求确定驱动变量可以量化能够充分解决景观异质性。数据采集在遥远的北极地区仍然是具有挑战性的,而遥感测量一些植被特征,提出了一种解决方案卫星数据很少能直接观察到地下的变量。因此,许多变量冻土的基础流程和地下的碳循环仍缺乏量化(帕克et al ., 2021)。

显著的变量保持poorly-described和巨大的潜力减少不确定性是地面冰内容:对热岩溶的主要决定因素。其他同样重要的变量包括土壤有机层的深度,扮演着一个重要的角色在决定冻土热动力学,这些有关地表和土壤水分,影响对扰动的敏感性,以及随后的形式和大小的碳释放(广场et al ., 2019)。映射这些地下的变量可以帮助促进现有的观察性研究的发展和限制基于流程的预测方法。

建议

部分量化司机突出了地下的变量在网格数据存储库的代表名额不足的限制因素的理解和预测高纬度干扰。地下的变量的描述,特别是那些最关键的预测冻土变化,因此主要的需要。具体来说,我们建议网格数据产品描述地面冰内容,有机层厚度,在空间分辨率和表面水分,促进与实地数据作为优先研究的需要。

在实践层面,远程测量地下的变量的内在困难和/或大面积的核心原因描述他们的数据比较缺乏。因此,在追求有前途的方法来改善遥感地下的变量,如使用多频雷达,替代系统的方法来收集这些数据需要足够的分辨率。特别是,倡议的成功如ITEX(国际苔原实验;亨利和Molau, 1997年)强调潜在的集中式网络指导有效的可比数据集到大范围的收集。集中协议可能进一步扩展这些好处(帕克et al ., 2021),尤其是这些跨学科的方法;整合知识和生态系统的数据需求,地貌学和建模的社区。

讨论

脉冲干扰存在碳动力学相当准确地预测未来的障碍,阻碍预测未来气候反馈的冻土地区。文学的身体应对这个问题正在迅速增加,并且包括识别紧急的关系可以帮助限制未来干扰率和帮助发展他们的影响(例如,沃克et al ., 2020),以及有用的一阶,pan-Arctic估计的影响(例如,图瑞斯基et al ., 2020)。然而,所需的可用性数据估计等约束,或扩展机械的见解在北极地区,仍然是不够的。在突然的情况下和火灾后解冻,解冻这些数据规模所需的机械的见解也限制了我们的预测能力。此外,之间的差距等问题做精密脉冲干扰和现有的全球范围内模型的相对粗空间规模,继续给建模社会壁垒之外集成这些重要的数据可用性的过程。

我们认为,未来的工作应该优先考虑机械的理解,关注识别关键驱动变量,和改进的可用性数据描述这些变量。这是一种有效的方法来减少不确定性与这些重要的脉冲干扰。

然而,脉冲干扰的可能相关性影响短期缓解决策的要求不仅仅是一个有效的方法来改善科学理解,但最大利用现有信息与这些努力。这可能包括,例如,新颖的建模方法,如数据同化(Scholze et al ., 2017;福克斯et al ., 2018),将非传统的数据类型,如专家评估(雅培et al ., 2016;Sayedi et al ., 2020)。在研究社区广泛接受,脉冲干扰会显著——尽管没有量化程度影响冻土地区的净碳损失(娜塔莉et al ., 2021)。因此适当优先有效传播的风险,与长期的努力促进全面、准确的估计的净碳影响脉冲扰动下正在进行的气候变化。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步调查可以直接到通讯作者/ s。

作者的贡献

RT、SN和BR设计研究。RT, SN、BR和EM进行研究。RT写道。RT、锡、BR、EM和TG提供讨论的主题、思想、内容和编辑。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

RT、BR、锡,他们是由一个地球和戈登和贝蒂·摩尔基金会赠款协议下# 8414。TG是由欧盟支持的地平线2020研究和创新项目赠款协议下# 773421 (Nunataryuk项目)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

确认

Woodwell气候研究中心位于万帕诺亚格人的传统和神圣的土地仍然占领这片土地,而历史、语言、传统的生活方式和文化继续影响这个充满活力的社区。

引用

雅培,B.W.琼斯,J.B.Schuur,电子艺界、查宾三世F.S.鲍登,bBret-Harte,硕士,et al。(2016)。生物质偏移量很少或没有永久冻土从土壤碳释放,流,和野火:专家评估。环绕。卷。11日,034014年。1748 - 9326/11/3/034014 doi: 10.1088 /