Under de senaste decennierna, Forskare har noterat en ökning i arktisk växttillväxt som ett symptom på klimatförändringar. Men utan observationer som visar exakt när och var vegetationen har blommat när världens kallaste områden värmer, det är svårt att förutsäga hur vegetationen kommer att reagera på framtida uppvärmning. Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt som kan ge en mer korrekt bild av arktisk vegetation och vårt klimats senaste förflutna – och framtid.

I en studie publicerad online 20 augusti in Naturens klimatförändringar , forskarna använde satellitbilder som tagits under de senaste 30 åren för att spåra – ner till en pixel som representerar cirka 25 kvadratkilometer – ebb och flod av växttillväxt i kalla områden på norra halvklotet, som Alaska, den arktiska regionen i Kanada, och den tibetanska platån.

De 30-åriga historiska satellitdata som användes i studien samlades in av National Oceanic and Atmospheric Administrations Advanced Very High Resolution Radiometer. Uppgifterna har behandlats av Boston University, och finns på NEX – NASA Earth Exchanges dataarkiv.

I början, satellitdatan visade vad de förväntade sig – att när det arktiska klimatet värmdes, träd- och växttillväxten ökade. Efter att ha jämfört dessa observationer med toppmoderna klimatmodeller utvecklade för CMIP5 – Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 – överraskade vad de upptäckte dem.

Deras dataanalys avslöjade att 16 procent av jordens vegeterade mark där växttillväxt begränsades av kalla temperaturer för tre decennier sedan inte längre är övervägande temperaturbegränsad idag, ett resultat som inte återgavs av de testade CMIP5-modellerna. "Våra resultat tyder på att CMIP5:s förutsägelser kan ha väsentligt underskattat förändringar i det arktiska ekosystemet, och klimatmodeller kommer att behöva förbättras för att bättre förstå och förutsäga framtiden för Arktis, " sa första författaren Trevor Keenan, en fakultetsforskare i Berkeley Labs Earth &Environmental Sciences Area och en biträdande professor vid UC Berkeleys avdelning för miljövetenskap, Politik, och ledning.

Keenan och Riley använde satellitdata för att bygga ett nytt observationsriktmärke som kvantifierar den växande vidden av vegeterad mark på norra halvklotet. De uppskattade också förändringar i andelen av jordens yta där växttillväxt inte längre kommer att begränsas av kalla temperaturer under 2000-talet. Keenan och Riley räknar med att år 2100, endast 20 procent av den vegeterade marken på norra halvklotet kommer fortfarande att begränsas av kalla förhållanden som har varit på plats där i århundraden; de återstående 80 procenten kommer inte längre att uppleva tillräckligt kalla temperaturer, och med tidigare vårar, växter kommer att växa snabbare, på oväntade platser och i oväntad grad.

"Även om miljön kan låta som goda nyheter eftersom det innebär mer kolupptag och produktion av biomassa, det representerar en stor störning av den känsliga balansen i kalla ekosystem, ", sa Keenan. "Temperaturerna kommer att värmas tillräckligt så att nya trädarter kan flytta in och konkurrera med vegetation som tidigare dominerat landskapet. Denna förändring i vegetationen skulle också påverka insekter och djur som förlitade sig på inhemsk vegetation för mat."

Forskare som samarbetar genom World Climate Research Program utvecklade CMIP5-modellerna för att hjälpa forskare runt om i världen att få en bättre förståelse för sambandet mellan koldioxidutsläpp och global uppvärmning, bland andra mål. Internationella konsortier som IPCC (International Panel on Climate Change) har också använt CMIP5-prognoser för att informera om politiska beslut. Keenan sa att även om CMIP5-modellerna gav forskare en bred översikt av problemet, de representerar inte alltid exakt de viktiga roller växter spelar för att reflektera ljus tillbaka till atmosfären, skickar vatten tillbaka till atmosfären, och absorberar koldioxid.

"Ingen har tittat på höglatitudsystem från denna vinkel tidigare eftersom de är mycket komplexa, men de är viktiga eftersom de styr flera återkopplingar till jordsystemet, " sa medförfattaren William Riley, en senior vetenskapsman i Berkeley Labs Earth &Environmental Sciences Area.

Nu när Keenan och Riley har etablerat en standardmetod för att bedöma klimatmodeller, de planerar att utforska hur de kan använda mer avancerade statistiska tekniker, som maskininlärning, att kvantifiera hur markens organiska material egenskaper, atmosfärisk koldioxid, vildmarksbränder, och temperatur, kommer att påverka klimatet under 2000-talet.