Везде

RAS Earth ScienceЛёд и Снег Ice and Snow

  • ISSN (Print) 2076-6734
  • ISSN (Online) 2412-3765

Model assessments of the Northern Hemisphere continental permafrost changes in the 21st century

You can
PII
S2076673425010116-1
DOI
10.31857/S2076673425010116
Publication type
Article
Status
Published
Authors
M. M. Arzhanov
  • Affiliation:
    Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences
    Moscow State University
Volume/ Edition
Volume 65 / Issue number 1
Pages
148-163
Abstract
Using the results of simulations with an ensemble of Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6) models, an analysis of the regimes of the Northern Hemisphere continental permafrost in the 21st century was carried out under various scenarios of anthropogenic forcing. It is noted that the modern boundaries of the permafrost in Northern Eurasia and North America are realistically reproduced using various frost indices based on air temperature and ground temperature. Using various indices, the near-surface permafrost area at the beginning of the 21st century. estimated in the range of 11.5–13.1 million km2. At the same time, the range of the near-surface permafrost area estimates based on simulations with CMIP6 models using the ground temperature is about 11 million km2, which is half as much as similar estimates for the previous generation CMIP5 models. The maximum value of the area trend in the 21st century (–125 thousand km2/ year), obtained under the most aggressive scenario ssp5-8.5 is almost twice as large in absolute value as under the least aggressive scenario ssp1.2-6. A decrease in the sensitivity of the permafrost area to changes in global air temperature from the least aggressive to the most aggressive scenario of anthropogenic impacts was revealed: –3.3 million km2/°С under scenario ssp1-2.6, –2.9 million km2/°С under scenario ssp2-4.5 and –2.1 million km2/°С under scenario ssp5-8.5. Analysis of the results showed that with an increase in the rate of global warming for the most aggressive anthropogenic scenarios, a significant increase in temperature in high latitudes leads to rapid degradation of the permafrost in the second half of the 21st century in the north of Eurasia, and according to certain models in Tibet and North America with the exception Canadian Arctic.
Keywords
изменения климата криолитозона температурно-климатические индексы глобальные климатические модели CMIP6
Date of publication
18.09.2025
Year of publication
2025
Number of purchasers
0
Views
14

References

  1. 1. Анисимов О.А., Нельсон Ф.Е. О применении математических моделей для исследования взаимосвязи климат – вечная мерзлота // Метеорология и гидрология. 1990. № 10. С. 13–19.
  2. 2. Анисимов О.А., Величко А.А., Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Мохов И.И., Нечаев В.П. Влияние изменений климата на вечную мерзлоту в прошлом, настоящем и будущем // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38. № 1. С. 25–39.
  3. 3. Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Мохов И.И. Воспроизведение характеристик температурного и гидрологического режимов почвы в равновесных численных экспериментах с моделью климата промежуточной сложности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 5. С. 591–610.
  4. 4. Аржанов М.М., Елисеев А.В., Демченко П.Ф., Мохов И.И., Хон В.Ч. Моделирование температурного и гидрологического режима водосборов сибирских рек в условиях вечной мерзлоты с использованием данных реанализа // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. T. 44. № 1. C. 86–93.
  5. 5. Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Мохов И.И. Моделирование осадки отаивания многолетнемерзлых грунтов Северного полушария в XXI веке // Криосфера Земли. 2010. Т. XIV. № 3. С. 37–42.
  6. 6. Аржанов М.М., Елисеев А.В., Мохов И.И. Влияние климатических изменений над сушей внетропических широт на динамику многолетнемерзлых грунтов при сценариях RCP в XXI в. по расчетам глобальной климатической модели ИФА РАН // Метеорология и гидрология. 2013. № 7. С. 31–42.
  7. 7. Аржанов М.М., Мохов И.И. Температурные тренды в многолетнемерзлых грунтах Северного полушария: Сравнение модельных расчетов с данными наблюдений // Доклады РАН. 2013. Т. 449. № 1. С. 87–92.
  8. 8. Аржанов М.М., Мохов И.И. Модельные оценки количества органического углерода, освобождаемого из многолетнемерзлых грунтов при сценариях глобального потепления в XXI веке // Доклады РАН. 2014. Т. 455. № 3. С. 328–331.
  9. 9. Аржанов М.М., Мохов И.И. Оценки степени устойчивости континентальных реликтовых метангидратов в оптимуме голоцена и при современных климатических условиях // Доклады РАН. 2017. Т. 476. № 4. C. 456–460.
  10. 10. Аржанов М.М., Малахова В.В. Моделирование условий накопления и перехода в реликтовое состояние метангидратов криолитозоны севера Западной Сибири // Физика Земли. 2023. № 2. С. 149–161.
  11. 11. Бабкина Е.А., Лейбман М.О., Дворников Ю.А., Факащук Н.Ю., Хайруллин Р.Р., Хомутов А.В. Активизация криогенных процессов на территории Центрального Ямала как следствие региональных и локальных изменений климата и теплового состояния пород // Метеорология и гидрология. 2019. № 4. С. 99–109.
  12. 12. Демченко П.Ф., Величко А.А., Елисеев А.В., Мохов И.И., Нечаев В.П. Зависимость условий распространения вечной мерзлоты от уровня глобального потепления: сравнение моделей, сценариев и данных палеореконструкций // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38. № 2. С. 165–174.
  13. 13. Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Аржанов М.М., Мохов И.И. Влияние скорости глобального потепления на таяние вечной мерзлоты // Изв. РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2006. Т. 42. № 1. С. 35–43.
  14. 14. Денисов С.Н., Елисеев А.В., Мохов И.И., Аржанов М.М. Модельные оценки глобальных и региональных эмиссий метана в атмосферу влажными экосистемами // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 5. С. 543–549.
  15. 15. Елисеев А.В., Мохов И.И., Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Денисов С.Н. Взаимодействие метанового цикла и процессов в болотных экосистемах в климатической модели промежуточной сложности // Изв. РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2008. Т. 44. № 2. С. 147–162.
  16. 16. Мохов И.И., Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Хон В.Ч., Хворостьянов Д.В. Оценки глобальных и региональных изменений климата в XIX–XXI веках на основе модели ИФА РАН с учетом антропогенных воздействий // Изв. РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2002. Т. 38. № 5. С. 629–642.
  17. 17. Мохов И.И., Елисеев А.В., Демченко П.Ф., Хон В.Ч., Акперов М.Г., Аржанов М.М., Карпенко А.А., Тихонов В.А., Чернокульский А.В., Сигаева Е.В. Климатические изменения и их оценки с использованием глобальной модели ИФА РАН // Доклады РАН. 2005. Т. 402. № 2. C. 243–247.
  18. 18. Мохов И.И., Елисеев А.В., Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Денисов С.Н., Карпенко А.А. Моделирование изменений климата в высоких широтах с использованием климатической модели ИФА РАН / В: Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Т. III. Ч. II. Природные процессы в полярных областях Земли. М.: Ин-т географии РАН, 2008. С. 13–19.
  19. 19. Мохов И.И., Елисеев А.В. Моделирование глобальных климатических изменений в XX-XXIII веках при новых сценариях антропогенных воздействий RCP // Доклады РАН. 2012. Т. 443. № 6. С. 732–736.
  20. 20. Мохов И.И., Малахова В.В., Аржанов М.М. Модельные оценки внутри- и межвековой деградации “вечной мерзлоты” в регионе полуострова Ямал при потеплении // Доклады РАН. 2022. Т. 506. № 2. С. 97–104.
  21. 21. Мохов И.И., Хон В.Ч. Гидрологический режим в бассейнах сибирских рек: модельные оценки изменений в 21 веке // Метеорология и гидрология. 2002. № 2. C. 77–91.
  22. 22. Павлов А.В., Малкова Г.В. Мелкомасштабное картографирование трендов современных изменений температуры грунтов на севере России // Криосфера Земли. 2009. Т. XIII. № 4. С. 32–39.
  23. 23. Павлова Т.В., Катцов В.М., Надежина Е.Д., Спорышев П.В., Говоркова В.А. Расчет эволюции криосферы в XX и XXI веках с использованием глобальных климатических моделей нового поколения // Криосфера Земли. 2007. Т. XI. № 2. С. 3–13.
  24. 24. Alexeev V.A., Nicolsky D.J., Romanovsky V.E., Lawrence D.M. An evaluation of deep soil configurations in the CLM3 for improved representation of permafrost // Geophys. Research Letters. 2007. V. 34. № 9. P. L09502.
  25. 25. Alexandrov G.A., Ginzburg V.A., Insarov G.E. CMIP6 model projections leave no room for permafrost to persist in Western Siberia under the SSP5-8.5 scenario // Climatic Change. 2021. V. 169. P. 42. https://doi.org/10.1007/s10584-021-03292-w
  26. 26. Anisimov O.A., Nelson F.E. Permafrost distribution in the Northern Hemisphere under scenarios of climatic change // Global Planet. Change. 1996. V. 14. P. 59–72.
  27. 27. Anisimov O., Zimov S. Thawing permafrost and methane emission in Siberia: Synthesis of observations, reanalysis, and predictive modeling // Siberian Environmental Change. 2020. V. 50. P. 2050–2059.
  28. 28. Arzhanov M.M., Malakhova V.V., Mokhov I.I. Modeling thermal regime and evolution of the methane hydrate stability zone of the Yamal peninsula permafrost // Permafrost Periglac. Process. 2020. V. 31. P. 487–496.
  29. 29. Biskaborn B.K., Smith S.L., Noetzli J. Permafrost is warming at a global scale // Nat. Commun. 2019. V. 10. P. 264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4
  30. 30. Brown J.O.F., Heginbottom J.A., Melnikov E. Circum-Arctic Map of Permafrost and Ground-Ice Conditions, Version 2. Boulder, Colorado USA: NASA, 2002. https://doi.org/10.7265/skbg-kf16
  31. 31. Burke E.J., Zhang Y., Krinner G. Evaluating permafrost physics in the Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6) models and their sensitivity to climate change // The Cryosphere. 2020. V. 14. P. 3155–3174.
  32. 32. Chadburn S.E., Burke E.J., Cox P.M., Friedlingstein P., Hugelius G., Westermann S. An observation-based constraint on permafrost loss as a function of global warming // Nature Clim Change. 2017. V. 7. P. 340–344.
  33. 33. Dvornikov Yu.A., Leibman M.O., Khomutov A.V. Gas‐emission craters of the Yamal and Gydan peninsulas: A proposed mechanism for lake genesis and development of permafrost landscapes // Permafrost Periglac. Process. 2019. V. 30. P. 146–162.
  34. 34. Eyring V., Bony S., Meehl G.A., Senior C.A., Stevens B., Stouffer R.J., Taylor K.E. Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization // Geosci. Model Dev. 2016. V. 9. P. 1937–1958. https://doi.org/10.5194/gmd-9-1937-2016
  35. 35. Gelfan A., Gustafsson D., Motovilov Y., Arheimer B., Kalugin A., Krylenko I., Lavrenov A. Climate change impact on the water regime of two great Arctic rivers: modeling and uncertainty issues // Climatic Change. 2017. V. 141. P. 499–515. https://doi.org/10.1007/s10584-016-1710-5
  36. 36. Guo D., Wang H. CMIP5 permafrost degradation projection: A comparison among different regions // Journ. of Geophys. Research. Atmosphere. 2016. V. 121. P. 4499–4517. https://doi.org/10.1002/2015JD024108
  37. 37. Hugelius G., Bockheim J.G., Camill P. A new data set for estimating organic carbon storage to 3 m depth in soils of the northern circumpolar permafrost region // Earth System Science Data 2013. V. 5. P. 393–402.
  38. 38. IPCC, 2022: Climate Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2022. 3056 p. https://doi.org/10.1017/9781009325844
  39. 39. Jorgenson M.T., Racine C.H., Walters J.C. Permafrost Degradation and Ecological Changes Associated with a WarmingClimate in Central Alaska // Climatic Change. 2001. V. 48. P. 551–579.
  40. 40. Kizyakov A., Zimin M, Sonyushkin A., Dvornikov Yu., Khomutov A., Leibman M. Comparison of gas emission crater geomorphodynamics on Yamal and Gydan peninsulas (Russia), based on repeat very-high-resolution stereopairs // Remote Sens. 2017. V. 9. P. 1023–1036.
  41. 41. Kleinen T., Brovkin V. Pathway-dependent fate of permafrost region carbon // Environ. Res. Lett. 2018. V. 13. P. 094001.
  42. 42. Lawrence D.M., Slater A.G. A projection of severe near-surface permafrost degradation during the 21st century // Geophys. Research Letters. 2005. V. 32. № 24. P. L24401.
  43. 43. Nelson F., Outcalt S. A computational method for prediction and regionalization of permafrost // Arctic and Alpine Research. 1987. V. 19. № 3. P. 279–288.
  44. 44. Obu J., Westermann S., Bartsch A. et al. Northern Hemisphere permafrost map based on TTOP modelling for 2000–2016 at 1 km2 scale // Earth-Science Reviews. 2019. V. 193. P. 299–316.
  45. 45. Schuur E.A.G., McGuire A.D., Schadel C. Climate change and the permafrost carbon feedback // Nature. 2015. V. 520. P. 171–179.
  46. 46. Smith S.L., Romanovsky V.E., Lewkowicz A.G., Burn C.R., Allard M., Clow G.D., Yoshikawa K., Throop J. Thermal State of Permafrost in North America: A Contribution to the International Polar Year // Permafrost Periglac. Process. 2010. V. 21. P. 117–135.
  47. 47. Stendel M., Christensen J.H. Impact of global warming on permafrost condition in a coupled GCM // Geophys. Research Letters. 2002. V. 29. № 13. P. 1632.
  48. 48. Slater A.G., Lawrence D.M. Diagnosing present and future permafrost from climate models // Journ. of Climate. 2013. V. 26. P. 5608–5623.
  49. 49. Taylor K.E., Stouffer R.J., Meehl G.A. An overview of CMIP5 and the experiment design // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2012. V. 93. P. 485–498. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-11-00094.1
  50. 50. van Vuuren D.P., Edmonds J., Kainuma M. The representative concentration pathways: an overview // Climatic Change. 2011. V. 109. P. 5–31. https://doi.org/10.1007/s10584-011-0148-z
  51. 51. Vasiliev A.A, Drozdov D.S., Gravis A.G., Malkova G.V., Nyland K.S., Streletskiy D.A. Permafrost degradation in the Western Russian Arctic // Environmental Research Letters. 2020. V. 15. № 4. P. 045001.
  52. 52. Wahlen M. The global methane cycle // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 1993. V. 21. P. 407–426.
  53. 53. Wagner A.M., Lindsey N.J., Dou S. Permafrost degradation and subsidence observations during a controlled warming experiment // Science Report. 2018. V. 8. P. 10908. https://doi.org/10.1038/s41598-018-29292-y
  54. 54. Zhang T., Barry R.G., Knowles K., Heginbottom J.A., Brown J. Statistics and characteristics of permafrost and ground-ice distribution in the Northern Hemisphere // Polar Geography. 2008. V. 31. № 1–2. P. 47–68.
  55. 55. Zhang T., Stamnes K. Impact of climatic factors on the active layer and permafrost at Barrow, Alaska // Permafrost and Periglacial Processes. 1998. V. 9. № 3. P. 229–246.
QR
Translate

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library