• Energy Research

AbstractThe Yedoma layer, a permafrost layer containing a massive amount of underground ice in the Arctic regions, is reported to be rapidly thawing. In this study, we develop the Permafrost Degradation and Greenhouse gasses Emission Model (PDGEM), which describes the thawing of the Arctic permafrost including the Yedoma layer due to climate change and the greenhouse gas (GHG) emissions. The PDGEM includes the processes by which high-concentration GHGs (CO2and CH4) contained in the pores of the Yedoma layer are released directly by dynamic degradation, as well as the processes by which GHGs are released by the decomposition of organic matter in the Yedoma layer and other permafrost. Our model simulations show that the total GHG emissions from permafrost degradation in the RCP8.5 scenario was estimated to be 31-63 PgC for CO2and 1261-2821 TgCH4for CH4(68thpercentile of the perturbed model simulations, corresponding to a global average surface air temperature change of 0.05–0.11 °C), and 14-28 PgC for CO2and 618-1341 TgCH4for CH4(0.03–0.07 °C) in the RCP2.6 scenario. GHG emissions resulting from the dynamic degradation of the Yedoma layer were estimated to be less than 1% of the total emissions from the permafrost in both scenarios, possibly because of the small area ratio of the Yedoma layer. An advantage of PDGEM is that geographical distributions of GHG emissions can be estimated by combining a state-of-the-art land surface model featuring detailed physical processes with a GHG release model using a simple scheme, enabling us to consider a broad range of uncertainty regarding model parameters. In regions with large GHG emissions due to permafrost thawing, it may be possible to help reduce GHG emissions by taking measures such as restraining land development.

AbstractDroughts that exceed the magnitudes of historical variation ranges could occur increasingly frequently under future climate conditions. However, the time of the emergence of unprecedented drought conditions under climate change has rarely been examined. Here, using multimodel hydrological simulations, we investigate the changes in the frequency of hydrological drought (defined as abnormally low river discharge) under high and low greenhouse gas concentration scenarios and existing water resource management measures and estimate the time of the first emergence of unprecedented regional drought conditions centered on the low-flow season. The times are detected for several subcontinental-scale regions, and three regions, namely, Southwestern South America, Mediterranean Europe, and Northern Africa, exhibit particularly robust results under the high-emission scenario. These three regions are expected to confront unprecedented conditions within the next 30 years with a high likelihood regardless of the emission scenarios. In addition, the results obtained herein demonstrate the benefits of the lower-emission pathway in reducing the likelihood of emergence. The Paris Agreement goals are shown to be effective in reducing the likelihood to the unlikely level in most regions. However, appropriate and prior adaptation measures are considered indispensable when facing unprecedented drought conditions. The results of this study underscore the importance of improving drought preparedness within the considered time horizons.

AbstractTo date, the treatment of permafrost in global climate models has been simplified due to the prevailing uncertainties in the processes involving frozen ground. In this study, we improved the modeling of permafrost processes in a state-of-the-art climate model by taking into account some of the relevant physical properties of soil such as changes in the thermophysical properties due to soil freezing. As a result, the improved version of the global land surface model was able to reproduce a more realistic permafrost distribution at the southern limit of the permafrost area by increasing the freezing of soil moisture in winter. The improved modeling of permafrost processes also had a significant effect on future projections. Using the conventional formulation, the predicted cumulative reduction of the permafrost area by year 2100 was approximately 60% (40–80% range of uncertainty from a multi-model ensemble) in the RCP8.5 scenario, while with the improved formulation, the reduction was approximately 35% (20–50%). Our results indicate that the improved treatment of permafrost processes in global climate models is important to ensuring more reliable future projections.

Résumé. Dans chaque cycle d'évaluation du GIEC, une multitude de scénarios sont évalués, avec une portée et une importance différentes dans les différents groupes de travail et rapports spéciaux et leurs chapitres respectifs. Dans les rapports, l'ambition est d'intégrer les connaissances sur les futurs climatiques possibles dans les groupes de travail et les domaines de recherche scientifique sur la base d'un petit ensemble de « voies de cadrage », telles que les voies dites RCP du cinquième rapport d'évaluation du GIEC (AR5) et les scénarios SSP-RCP dans le sixième rapport d'évaluation (AR6). Cette perspective, initiée par les discussions lors de l'atelier du GIEC à Bangkok en avril 2023 sur « l'utilisation des scénarios dans le RE6 et les évaluations ultérieures », est destinée à servir d'une des contributions de la communauté pour mettre en évidence les besoins pour la prochaine génération de voies de cadrage qui est avancée sous l'égide du CMIP pour une utilisation dans le RE7 du GIEC. Ici, nous suggérons un certain nombre d'objectifs de recherche politique qu'un tel ensemble de voies d'encadrement devrait idéalement remplir, y compris les besoins d'atténuation pour atteindre les objectifs de l'Accord de Paris, les risques associés aux stratégies d'élimination du carbone, les conséquences du retard dans la mise en œuvre de cette atténuation, des conseils pour les besoins d'adaptation, les pertes et les dommages, et pour la réalisation de l'atténuation dans le contexte plus large des objectifs de développement sociétal. Sur la base de ce contexte, nous suggérons que la prochaine génération de scénarios climatiques pour les modèles du système terrestre évolue vers des « voies d'émission représentatives » (REP) et suggérons des catégories clés pour ces voies. Ces « voies d'encadrement » devraient répondre aux besoins les plus critiques en matière de politique d'atténuation et d'adaptation au cours des 5 à 10 prochaines années. À notre avis, les catégories les plus importantes sont celles qui sont pertinentes dans le contexte de l'objectif à long terme de l'Accord de Paris, en particulier une action immédiate (dépassement faible) de 1,5 °C et une action retardée (dépassement élevé) de 1,5 °C. Deux autres catégories clés sont une catégorie de trajectoire approximativement conforme aux objectifs politiques actuels (tels qu'exprimés d'ici 2023) à court et à long terme, et une catégorie d'émissions plus élevées qui est approximativement conforme aux « politiques actuelles » (telles qu'exprimées d'ici 2023). Nous plaidons également en faveur de la pertinence scientifique et politique de l'exploration de deux « mondes qui auraient pu l'être ». L'une de ces catégories a des trajectoires d'émissions élevées bien au-dessus de ce que les politiques actuelles impliquent, et l'autre a des trajectoires d'émissions très faibles qui supposent que les mesures d'atténuation mondiales visant à limiter le réchauffement à 1,5 °C sans dépassement ont commencé en 2015. Enfin, nous notons que la fourniture en temps opportun de nouvelles informations scientifiques sur les voies est essentielle pour éclairer l'élaboration et la mise en œuvre de la politique climatique. Pour le deuxième bilan mondial dans le cadre de l'Accord de Paris en 2028, et pour éclairer le développement ultérieur des contributions déterminées au niveau national (CDN) jusqu'en 2040, des contributions scientifiques sont nécessaires bien avant 2028. Ces besoins doivent être soigneusement pris en compte dans le calendrier d'élaboration des activités de modélisation communautaire, y compris celles menées dans le cadre du CMIP7. Resumen. En cada ciclo de Evaluación del IPCC, se evalúan una multitud de escenarios, con diferentes alcances y énfasis a lo largo de los diversos Grupos de Trabajo e Informes Especiales y sus respectivos capítulos. Dentro de los informes, la ambición es integrar el conocimiento sobre posibles futuros climáticos en los Grupos de Trabajo y los dominios de investigación científica basados en un pequeño conjunto de "vías de encuadre", como las llamadas vías RCP del Quinto Informe de Evaluación del IPCC (AR5) y los escenarios SSP-RCP en el Sexto Informe de Evaluación (AR6). Esta perspectiva, iniciada por las discusiones en el taller del IPCC en Bangkok en abril de 2023 sobre el "Uso de escenarios en el IE6 y evaluaciones posteriores", pretende servir como una de las contribuciones de la comunidad para resaltar las necesidades de la próxima generación de vías de encuadre que se está avanzando bajo el paraguas del CMIP para su uso en el IE7 del IPCC. Aquí sugerimos una serie de objetivos de investigación de políticas que ese conjunto de vías de encuadre debería cumplir idealmente, incluidas las necesidades de mitigación para cumplir los objetivos del Acuerdo de París, los riesgos asociados con las estrategias de eliminación de carbono, las consecuencias del retraso en la promulgación de esa mitigación, la orientación para las necesidades de adaptación, las pérdidas y los daños, y para lograr la mitigación en el contexto más amplio de los objetivos de desarrollo social. Con base en este contexto, sugerimos que la próxima generación de escenarios climáticos para los Modelos del Sistema Terrestre evolucione hacia 'Vías de Emisión Representativas' (REP) y sugerimos categorías clave para tales vías. Estas "vías de encuadre" deberían abordar las políticas de mitigación y las necesidades de adaptación más críticas en los próximos 5–10 años. En nuestra opinión, las categorías más importantes son las relevantes en el contexto del objetivo a largo plazo del Acuerdo de París, específicamente una vía de acción inmediata (sobrepaso bajo) de 1,5 °C y una vía de acción retardada (sobrepaso alto) de 1,5 °C. Otras dos categorías clave son una categoría de vía aproximadamente en línea con los objetivos políticos actuales (expresados para 2023) a corto y largo plazo, y una categoría de emisiones más altas que está aproximadamente en línea con las "políticas actuales" (expresadas para 2023). También defendemos la relevancia científica y política de explorar dos "mundos que podrían haber sido". Una de estas categorías tiene trayectorias de altas emisiones muy por encima de lo que implican las políticas actuales, y la otra tiene trayectorias de muy bajas emisiones que asumen que la acción de mitigación global en línea con la limitación del calentamiento a 1.5 ° C sin sobrepasar había comenzado en 2015. Finalmente, observamos que el suministro oportuno de nueva información científica sobre las vías es fundamental para informar el desarrollo y la implementación de la política climática. Para el segundo Balance Global bajo el Acuerdo de París en 2028, y para informar el desarrollo posterior de las Contribuciones Determinadas a Nivel Nacional (NDC) hasta 2040, se requieren insumos científicos mucho antes de 2028. Estas necesidades deben considerarse cuidadosamente en el cronograma de desarrollo de las actividades de modelado comunitario, incluidas las del CMIP7. Abstract. In every IPCC Assessment cycle, a multitude of scenarios are assessed, with different scope and emphasis throughout the various Working Group and Special Reports and their respective chapters. Within the reports, the ambition is to integrate knowledge on possible climate futures across the Working Groups and scientific research domains based on a small set of ‘framing pathways’, such as the so-called RCP pathways from the Fifth IPCC Assessment report (AR5) and the SSP-RCP scenarios in the Sixth Assessment Report (AR6). This perspective, initiated by discussions at the IPCC Bangkok workshop in April 2023 on the “Use of Scenarios in AR6 and Subsequent Assessments”, is intended to serve as one of the community contributions to highlight needs for the next generation of framing pathways that is being advanced under the CMIP umbrella for use in the IPCC AR7. Here we suggest a number of policy research objectives that such a set of framing pathways should ideally fulfil, including mitigation needs for meeting the Paris Agreement objectives, the risks associated with carbon removal strategies, the consequences of delay in enacting that mitigation, guidance for adaptation needs, loss and damage, and for achieving mitigation in the wider context of Societal Development goals. Based on this context we suggest that the next generation of climate scenarios for Earth System Models should evolve towards ‘Representative Emission Pathways’ (REPs) and suggest key categories for such pathways. These ‘framing pathways’ should address the most critical mitigation policy and adaptation needs over the next 5–10 years. In our view the most important categories are those relevant in the context of the Paris Agreement long-term goal, specifically an immediate action (low overshoot) 1.5 °C pathway, and a delayed action (high overshoot) 1.5 °C pathway. Two other key categories are a pathway category approximately in line with current (as expressed by 2023) near- and long-term policy objectives, and a higher emissions category that is approximately in line with “current policies” (as expressed by 2023). We also argue for the scientific and policy relevance in exploring two ‘worlds that could have been’. One of these categories has high emission trajectories well above what is implied by current policies, and the other has very low emission trajectories that assume that global mitigation action in line with limiting warming to 1.5 °C without overshoot had begun in 2015. Finally, we note that timely provision of new scientific information on pathways is critical to inform the development and implementation of climate policy. For the second Global Stocktake under the Paris Agreement in 2028, and to inform subsequent development of Nationally Determined Contributions (NDCs) up to 2040, scientific inputs are required well before 2028. These needs should be carefully considered in the development timeline of community modelling activities including those under CMIP7. الملخص. في كل دورة تقييم للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، يتم تقييم العديد من السيناريوهات، مع نطاق وتركيز مختلفين في مختلف مجموعات العمل والتقارير الخاصة وفصولها. ضمن التقارير، يتمثل الطموح في دمج المعرفة حول المستقبل المناخي المحتمل عبر مجموعات العمل ومجالات البحث العلمي بناءً على مجموعة صغيرة من "مسارات التأطير"، مثل ما يسمى مسارات RCP من تقرير التقييم الخامس للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (AR5) وسيناريوهات SSP - RCP في تقرير التقييم السادس (AR6). يهدف هذا المنظور، الذي بدأته المناقشات في ورشة عمل الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ في بانكوك في أبريل 2023 حول "استخدام السيناريوهات في التقرير التقييمي السادس والتقييمات اللاحقة"، إلى أن يكون أحد مساهمات المجتمع لتسليط الضوء على احتياجات الجيل القادم من مسارات التأطير التي يتم تطويرها تحت مظلة الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ لاستخدامها في التقرير التقييمي السابع للفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ. نقترح هنا عددًا من أهداف أبحاث السياسات التي يجب أن تلبيها مجموعة مسارات التأطير هذه بشكل مثالي، بما في ذلك احتياجات التخفيف لتحقيق أهداف اتفاق باريس، والمخاطر المرتبطة باستراتيجيات إزالة الكربون، وعواقب التأخير في سن هذا التخفيف، وتوجيه احتياجات التكيف، والخسائر والأضرار، ولتحقيق التخفيف في السياق الأوسع لأهداف التنمية المجتمعية. بناءً على هذا السياق، نقترح أن يتطور الجيل التالي من سيناريوهات المناخ لنماذج النظام الأرضي نحو "مسارات الانبعاثات التمثيلية" (REPs) واقتراح الفئات الرئيسية لمثل هذه المسارات. يجب أن تتناول "مسارات التأطير" هذه أهم سياسات التخفيف واحتياجات التكيف على مدى السنوات الخمس إلى العشر القادمة. من وجهة نظرنا، فإن أهم الفئات هي تلك ذات الصلة في سياق الهدف طويل الأجل لاتفاق باريس، وتحديداً مسار الإجراء الفوري (التجاوز المنخفض) 1.5 درجة مئوية، ومسار الإجراء المتأخر (التجاوز العالي) 1.5 درجة مئوية. هناك فئتان رئيسيتان أخريان هما فئة المسار التي تتماشى تقريبًا مع أهداف السياسة الحالية (كما هو معبر عنه بحلول عام 2023) على المدى القريب والطويل، وفئة الانبعاثات الأعلى التي تتماشى تقريبًا مع "السياسات الحالية" (كما هو معبر عنه بحلول عام 2023). كما ندعو إلى الأهمية العلمية والسياسية لاستكشاف "عالمين كان من الممكن أن يكونا". واحدة من هذه الفئات لديها مسارات انبعاثات عالية أعلى بكثير مما تنطوي عليه السياسات الحالية، والأخرى لديها مسارات انبعاثات منخفضة للغاية تفترض أن إجراءات التخفيف العالمية بما يتماشى مع الحد من الاحترار إلى 1.5 درجة مئوية دون تجاوز قد بدأت في عام 2015. أخيرًا، نلاحظ أن توفير المعلومات العلمية الجديدة في الوقت المناسب حول المسارات أمر بالغ الأهمية لإثراء تطوير وتنفيذ سياسة المناخ. بالنسبة للتقييم العالمي الثاني بموجب اتفاقية باريس في عام 2028، وللإبلاغ عن التطوير اللاحق للمساهمات المحددة وطنيًا (NDCs) حتى عام 2040، هناك حاجة إلى مدخلات علمية قبل عام 2028 بوقت طويل. يجب النظر في هذه الاحتياجات بعناية في الجدول الزمني لتطوير أنشطة النمذجة المجتمعية بما في ذلك تلك الموجودة في إطار CMIP7.

Abstract Permafrost covers a wide area of the Northern Hemisphere, including high-altitude mountainous areas even at mid-low latitudes. There is concern that the thawing of mountain permafrost can cause slope instability and substantially impact alpine ecosystems. However, permafrost in mountainous areas is difficult to observe, and detailed analyses have not been performed on its current distribution and future changes. Here, we show that the surface air temperature required to sustain Japan's mountain permafrost is estimated to decrease rapidly at present; most mountain permafrost in Japan is projected to disappear by the second half of the 21st century, and disappear very quickly in some places from approximately 2020–2030, regardless of climate scenarios. Our projections indicate that climate change has a considerable impact on mountain environments and that even if climate stabilization is achieved, Japan's mountain permafrost may almost disappear. It is important to consider measures to adapt to the changing mountain environment.