Aanthropogene Einflüsse verursachten 1965-2014 zunehmende Aridifizierung des Globus

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Austrocknung gut dokumentiert, aber relativ wenig erforscht

Die weit verbreitete Austrocknung der Landoberfläche stellt die Umwelt vor erhebliche Herausforderungen und ist im Allgemeinen gut dokumentiert. Die Mechanismen, die der zunehmenden Trockenheit zugrunde liegen, sind jedoch noch relativ wenig erforscht. Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Universität von Nanjing (China) und der Universität von Knoxville sowie dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Tennessee (USA), haben die anthropogenen und natürlichen Faktoren untersucht, die sich auf die langfristigen globalen Veränderungen der Trockenheit auswirken. Dabei haben sie einen auf Beobachtungen basierenden Ariditätsindex, faktorielle Simulationen aus dem Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) und rigorose Erkennungs- und Zuordnungsmethoden (D&A) verwendet.

Dürre in der Folsom Lake Marina: „No Fishing“ nach vier Jahren Trockenheit in Kalifornien – Foto © Robert Couse Baker – CC_BY_20

Die Studie ergab, dass anthropogene Einflüsse, vor allem steigende Treibhausgasemissionen (GHGE) und Aerosole, die zunehmende Aridifizierung des Globus und jeder Hemisphäre mit hoher statistischer Sicherheit für den Zeitraum 1965-2014 verursachten; die GHGE trugen zu Trocknungstendenzen bei, während die Aerosolemissionen zu Benetzungstendenzen führten; darüber hinaus zeigte der verzerrungskorrigierte CMIP6-Zukunfts-Ariditätsindex, der auf den Skalierungsfaktoren aus optimaler D&A basierte, eine stärkere Aridifizierung als die ursprünglichen Simulationen. Diese Ergebnisse unterstreichen die dominante Rolle menschlicher Einflüsse bei der zunehmenden Aridifizierung auf breiter räumlicher Skala, was bedeutet, dass die künftige Verringerung der Aridifizierung in erster Linie von der Minderung der Treibhausgasemissionen abhängen wird.

Trockenheit wird infolge anthropogener Mechanismen erheblich zunehmen

Aridität und die damit verbundene Wasserknappheit sind langfristige hydrologische und klimatische Bedingungen, welche die Dynamik der menschlichen Gesellschaft und der terrestrischen Ökosysteme stark beeinflussen (z. B. häufigere hydrologische und ökosystemare Dürren, höhere wirtschaftliche Verluste, geringere Kohlenstoffsenke im Boden). Jüngste Studien weisen darauf hin, dass die Trockenheit, definiert als atmosphärisches Angebot (Niederschlag) und Nachfrage nach Wasser (potenzielle Evapotranspiration, PET), in den letzten Jahrzehnten weltweit zugenommen hat und den Prognosen zufolge in Zukunft noch erheblich zunehmen wird.

Die natürlichen und anthropogenen Mechanismen, die zu solchen Veränderungen der Trockenheit führen, bleiben jedoch unklar. Es hat sich gezeigt, dass natürliche Schwankungen (z. B. die Pazifische Dekadische Oszillation und die El Niño-Südliche Oszillation [ENSO]) die großräumige Aridität über Rückkopplungen zwischen Atmosphäre und Ozean und atmosphärische Telekonnektionen beeinflussen; die natürliche Variabilität allein kann jedoch die zunehmende Aridifizierung auf langen Zeitskalen nicht erklären.

Insgesamt können die anthropogenen Treibhausgasemissionen die globalen Niederschläge erhöhen und die stomatäre Leitfähigkeit und den Wasserverbrauch der Pflanzen verändern, wodurch der Trockenheitsstress wahrscheinlich gemildert wird; der allgegenwärtige Anstieg des PET, der mit der treibhausgasbedingten Erwärmung einhergeht, kann die Trockenheit jedoch noch verschlimmern. Die Nettoauswirkungen der Treibhausgase auf die globale Trockenheit sind daher nach wie vor ungewiss und bedürfen weiterer Forschung. Angesichts der viel kürzeren Verweildauer und der komplexeren Auswirkungen von Aerosolen im Vergleich zu denen von Treibhausgasemissionen wurden Aerosole als zweitgrößter anthropogener Einflussfaktor im Erdsystem identifiziert, der die Auswirkungen von Treibhausgasen auf die Trockenheit teilweise ausgleicht. Dennoch ist die Ermittlung der Auswirkungen von Aerosolen auf die Trockenheit aufgrund ihrer heterogenen räumlichen Verteilung und ihrer direkten und indirekten Wechselwirkungen mit hydrologischen Zyklen eine Herausforderung.

Der Ariditätsindex (AI), definiert als das Verhältnis von Jahresniederschlag zu PET, wird häufig verwendet, um den Grad der meteorologischen Trockenheit zu charakterisieren. Im Vergleich zu anderen meteorologischen Trockenheitsindizes (z. B. Standardized Precipitation Index und Palmer Drought Severity Index) ist der AI klimatisch besser geeignet für die Charakterisierung von Trockenheits-/Nässebedingungen und für die Klassifizierung von Klima und Vegetation in bestimmten Regionen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass der AI eng mit den Veränderungen anderer Dürretypen (z. B. hydrologische Dürre, landwirtschaftliche Dürre, Ökosystemdürre) korreliert, obwohl er eher die klimatologische Hintergrundtrockenheit als spezifische Dürreereignisse darstellt. Frühere AI-Studien stützten sich in der Regel auf einen einzigen Satz von Beobachtungen oder lediglich auf Modellergebnisse, wodurch die Robustheit ihrer Ergebnisse eingeschränkt wird. Die Untersuchungen von AI-Veränderungen konzentrierten sich auch in erster Linie auf die Rolle meteorologischer Variablen wie Niederschlag und PET, ohne die Beiträge wichtiger menschlicher und natürlicher Einflüsse genau zu quantifizieren. Darüber hinaus wurden nur wenige Anstrengungen unternommen, um künftige AI-Simulationen mit Hilfe zahlreicher historischer Beobachtungen einzuschränken, was zu erheblichen Unsicherheiten bei den AI-Projektionen führen könnte.

In dieser Studie wollen die Forscher den menschlichen Fingerabdruck von der natürlichen internen Variabilität für die AI-Veränderungen im Zeitraum 1965 bis 2014 umfassend entflechten. Um die Unsicherheit langfristiger AIs zu verringern, haben sie eine Sammlung historischer AI-Produkte entwickelt, die auf aus mehreren Quellen stammenden Beobachtungsniederschlägen und reanalysierten PET-Datensätzen basieren. Die PET-Daten wurden aus dem modifizierten Penman-Monteith-Algorithmus abgeleitet, der die Auswirkungen von Temperatur, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und atmosphärischen CO2-Konzentrationen berücksichtigt.

Sowohl für die globale Skala als auch für die beiden Hemisphären wurde eine formale Detection-and-Attribution-Analyse (D&A) durchgeführt, um die einzelnen Beiträge menschlicher Aktivitäten und natürlicher Variabilität zu trennen, wobei optimale Fingerprinting-Methoden, die neuen AI-Produkte und die neuesten faktoriellen Experimente des Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) verwendet wurden. Diese CMIP6-Ensemble-Experimente umfassen Experimente, die durch historische anthropogene und natürliche Einflüsse (ALL), nur durch Treibhausgase (GHG), nur durch natürliche Einflüsse (NAT), nur durch Aerosole (AER) und die vorindustrielle Kontrolle (piControl) angetrieben werden. Wir wendeten außerdem die von D&A abgeleiteten Skalierungsfaktoren an, die den Betrag angeben, um den die Amplitude der modellsimulierten Reaktionen auf den Antrieb verändert werden muss, um mit den Beobachtungen übereinzustimmen, um die zukünftigen Trends der Trockenheit unter verschiedenen CMIP6 Shared Socioeconomic Pathways zu korrigieren.

Diskussion

Frühere Studien haben auf der Grundlage von Trockenheitsanalysen oder anderen Dürrevariablen, einschließlich des Palmer Drought Severity Index, des Bodenfeuchtigkeitsindex und des Stromflusses, eine verstärkte globale Aridifizierung festgestellt. Die Studienautoren fanden auch signifikante Abnahmen des Aridity Indexes (AI – d. h. Trocknungstendenzen), die in Vorzeichen und Ausmaß über den gesamten Globus und zwei Hemisphären hinweg weitgehend konsistent waren. Traditionell werden Gebiete, in denen der AI weniger als 0,65 beträgt, als Trockengebiete klassifiziert und weiter in die Untertypen hyperaride (AI < 0,05), aride (0,05 ? AI < 0,2), semiaride (0,2 ? AI < 0,5) und trockene subhumide (0,5 ? AI < 0,65) Regionen unterteilt. Der räumlich weit verbreitete Rückgang des AI (>60 % der globalen Fläche, in der Größenordnung von ~0,1 pro 50 Jahre; Abb. 1) würde sich in extrem trockenen und feuchten Regionen (z. B. Sahara-Wüste und Südostasien) kaum auswirken, könnte aber den Übergang von feuchteren zu trockeneren Typen auslösen und dann die Risiken von Landdegradation und Wüstenbildung erhöhen.

Untersucht wurden ferner die Schlüsselrolle, die menschliche Aktivitäten, insbesondere Treibhausgasemissionen, bei der Verstärkung der Trockenheit während des Untersuchungszeitraums spielten. Für den Globus, die NH und SH wurde der Treibhausgas-Antrieb durchgängig erkannt oder erkannt und zugeordnet, und die Treibhausgas-Simulationen spiegelten die abnehmenden AI-Trends in der OBS gut wider. Diese durch erhöhte Treibhausgasemissionen verursachten Abnahmen des AI wurden hauptsächlich durch den Anstieg der Lufttemperatur verursacht, was bedeutet, dass die Zunahme der Landniederschläge nicht mit dem wachsenden Verdunstungsbedarf im Zusammenhang mit der treibhausgasbedingten Erwärmung Schritt halten konnte. Für den Globus, die NH und SH wurde der VRE-Antrieb ebenfalls häufig nachgewiesen oder nachgewiesen und zugeordnet.

Ergebnisse

Durch die Absorption und Streuung der einfallenden Sonnenstrahlung reduzieren Aerosole die einfallende Sonnenstrahlung an der Landoberfläche und gleichen so einen Teil der durch Treibhausgasemissionen verursachten Erwärmung aus, was mit den ermittelten positiven Beiträgen der VRE zu den globalen, NH- und SH-gemittelten AI-Trends übereinstimmt. Aufgrund der indirekten Aerosoleffekte, wie z. B. der Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen durch mikrophysikalische Prozesse, kann die Zunahme der anthropogenen Aerosolemissionen jedoch zu einer Verringerung der großräumigen Niederschläge und damit zu einer erhöhten Trockenheit führen.

Vor allem die Aerosolemissionen weisen eine starke räumliche und zeitliche Heterogenität auf, wobei sich die Emissionen seit den 1970er Jahren von den Industrieländern auf die Entwicklungsländer verlagert haben. Ein solcher Übergang hat über veränderte Zirkulationsmuster und damit verbundene Veränderungen bei Niederschlag und PET komplizierte Auswirkungen auf die regionale und entfernte Trockenheit gehabt. So ergaben die VRE-Simulationen beispielsweise offensichtliche Nässetrends über Afrika, vor allem Zentralafrika, wobei sowohl die Verringerung des PET als auch die Zunahme der Niederschläge zu solchen positiven AI-Trends beitrugen.

Zusammenfassend sind die Forscher sehr zuversichtlich, dass die verstärkten Aridifizierungen über weite räumliche Skalen hinweg hauptsächlich durch menschliche Aktivitäten zwischen 1965 und 2014 verursacht wurden. Innerhalb der verifizierten anthropogenen Effekte dominierte der Treibhausgasantrieb die langfristig beobachteten Austrocknungstendenzen rund um den Globus sowie in zwei Hemisphären; und der VRE-Antrieb milderte diese Austrocknungstendenzen als sekundärer Einflussfaktor der AI. Die von den eingeschränkten CMIP6-Simulationen prognostizierten stärkeren künftigen Veränderungen der Trockenheit deuten auf dringendere Umweltprobleme hin, mit denen die Gesellschaft wahrscheinlich konfrontiert sein wird.

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