A Discriminant Analysis Model of Alaskan Biomes Based on Spatial Climatic and Environmental Data

• Published in: ARCTIC
• Main Authors: Simpson, James J., Stuart, Michael C., Daly, Christopher
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: The Arctic Institute of North America 2009
• Subjects: Arctic; Alaska; biome; vegetation; climate; climatic transition zones; classification; discriminant analysis; fires; climographs; boreal forest; coastal rain forest; alpine tundra; shrublands; Arctic tundra; ecotone; Arctique; végétation; climat; zones de transition climatique; classement; analyse discriminante; incendies; climogrammes; forêt boréale; forêt pluviale côtière; toundra alpine; arbustaie; toundra arctique; écotone; Canada; Arctique*; Ice; permafrost; toundra; Tundra; pergélisol
• Online Access: https://journalhosting.ucalgary.ca/index.php/arctic/article/view/63255

Classification of high-latitude landscapes into their appropriate biomes is important for many climate and global change-related issues. Unfortunately, large-scale, high-spatial-resolution observations of plant assemblages associated with these regions are generally unavailable, so accurate modeling of plant assemblages and biome boundaries is often needed. We built different discriminant analysis models and used them to “convert” various combinations of spatial climatic data (surface temperature and precipitation) and spatial environmental data (topography, soil, permafrost) into a biome-level map of Alaska. Five biomes (alpine tundra and ice fi elds, Arctic tundra, shrublands, boreal forest, and coastal rainforest) and one biome transition zone are modeled. Mean annual values of climatic variables were less useful than their annual extrema in this context. A quadratic discriminant analysis, combined with climate, topography, permafrost, and soil information, produced the most accurate Alaskan biome classification (skill = 74% when compared to independent data). The multivariate alteration detection transformation was used to identify Climatic Transition Zones (CTZs) with large interannual variability, and hence, less climatic consistency than other parts of Alaska. Biome classification was the least accurate in the CTZs, leading to the conclusion that large interannual climatic variability does not favor a unique biome. We interpret the CTZs as “transition biome areas” or ecotones between the five “core biomes” cited above. Both disturbance events (e.g., fires and subsequent plant succession sequences) and the partial intersection of the environmental variables used to characterize Alaskan biomes further complicate biome classification. Alaskan results obtained from the data-driven quadratic discriminant model compare favorably (based on Kappa statistics) with those produced by an equilibrium-based biome model for regions of Canada ecologically similar to the biomes we studied in Alaska. Climatic statistics are provided for each biome studied. Le classement des paysages de hautes latitudes dans les biomes adéquats revêt de l'importance dans le cadre de nombreux enjeux relatifs aux changements climatiques et à d'autres changements d'envergure mondiale. Malheureusement et en règle générale, il n'existe pas d'observations spatiales de haute résolution et à grande échelle pour ce qui est des assemblages de végétaux pour ces régions. C'est pourquoi il faut souvent procéder à la modélisation des assemblages de végétaux et des limites des biomes. Nous avons élaboré différents modèles d'analyses discriminantes dont nous nous sommes servis pour « transformer » divers ensembles de données climatiques spatiales (température de la surface et précipitation) et diverses données sur l'environnement spatial (topographie, sol, pergélisol) en carte des biomes de l'Alaska. La modélisation porte sur cinq biomes (toundra alpine et champs de glace, toundra arctique, arbustaie, forêt boréale et forêt pluviale côtière) et sur une zone de transition de biome. Les valeurs moyennes annuelles des variables climatiques ont été moins utiles que leurs extremas annuels dans ce contexte. Une analyse discriminante quadratique, combinée aux données relatives au climat, à la topographie, au pergélisol et au sol, a permis d'aboutir au classement de biomes alaskiens le plus précis (habileté = 74 % lorsque comparé aux données indépendantes). Nous avons recouru à la transformation de la détection de l'altération à variables multiples (multivariate alteration detection transformation) pour identifi er les zones de transition climatique (ZTC) ayant une importante variabilité interannuelle et, par conséquent, une moins grande uniformité climatique que d'autres parties de l'Alaska. Le classement des biomes était moins précis dans les ZTC, ce qui nous a amenés à conclure que l'importante variabilité climatique interannuelle ne favorise pas un biome unique. Nous interprétons les ZTC comme des « régions de biomes de transition » ou des écotones entre les cinq « biomes principaux » dont il est question ci-dessus. Les deux perturbations (c'est-à-dire les incendies et les séquences subséquentes des végétaux) et l'intersection partielle des variables environnementales utilisées pour caractériser les biomes alaskiens compliquent davantage le classement des biomes. Les résultats alaskiens obtenus à partir du modèle discriminant quadratique dérivant des données se comparent favorablement (en fonction des statistiques kappa) à ceux obtenus par un modèle de biome en équilibre pour des régions du Canada similaires du point de vue écologique aux biomes que nous avons étudiés en Alaska. Des statistiques climatiques sont fournies pour chaque biome étudié.