Authors:	Konter, Oliver
Title:	Trends and signals in tree-ring parameters
Online publication date:	11-Feb-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Tree-rings are frequently used to develop annually resolved paleoclimate reconstructions of periods in time when meteorological instrumental measurements are not available. Commonly used proxy records derived from tree-rings are ring width, maximum latewood density, and stable carbon and oxygen isotopes. Calibrating the different tree-ring proxies against available meteorological data is a prerequisite for reconstruction approaches, as results provide the essential statistical relationships to convert proxy data into the targeted climate data. Additionally, the evaluation of potential non-climatic biases is crucial for accurate calibration results. In this dissertation, methods for identifying proxy-specific biases are developed and evaluated for associated impact on various calibration setups. Focus is placed on age-related climate sensitivity trends in growth and density data, insect-induced disturbances in interannual growth patterns, and effects of elevated atmospheric CO2 concentrations on stable isotopic compositions. Age-related alternation in the climate sensitivity of tree-ring width data has been previously reported and is here revisited by analyzing a large dataset of 692 Pinus sylvestris L. series from northern Fennoscandia. Additionally and for the first time, maximum latewood density measurements of the same trees are included. Results indicate significant decreasing climate sensitivity with increasing age in both tree-ring parameters, while density data are less affected, thus, more suitable for the development of climate reconstructions. Temperature reconstructions for this region can dismiss age-related biases, by using density data from evenly distributed cambial ages, i.e. including young and old trees, as a function of time. The larch budmoth (Zeiraphera diniana Gn.) is characterized by regular population oscillations and cyclic mass outbreaks (8-10 years), causing interannual disturbances in tree-ring width chronologies from host trees and reduced climate signal strength. In contrast to reported historical evidence over 1200 years from the European Alps, cyclic mass outbreaks in the Slovakian High Tatra Mountains are, in this dissertation, found to be absent during the last 300 years. Low stand densities in the spatially limited larch forests in this habitat prevent larch budmoth populations from peaking at mass outbreaks levels. The significantly synchronized Larix decidua Mill. (host) and Pinus cembra L. (non-host) chronologies, both free of insect-induced pulsed disturbances, exhibit distinct early-summer temperature signals ideal for East-European temperature reconstructions. Stable isotope data from tree-rings provide extensive information on interactions between tree-physiological processes and external climatic forcing. Annually and decadally resolved stable carbon (δ13C) and oxygen (δ18O) isotope time series from Pinus uncinata Ramond ex DC tree-rings from the Spanish Pyrenees exhibit climate sensitivity - δ18O values are controlled by spring precipitation and other more complex factors, and δ13C data embeds a significant summer temperature signal. However, different correction methods addressing effects of elevated atmospheric CO2 on the carbon isotopic composition add low-frequency information to the data, and alter the magnitude of the climate signal strength and its temporal robustness. Selecting the most appropriate correction method remains challenging, as the habitat-specific natural adaptation of tree-intrinsic physiological processes to elevated atmospheric CO2 could not be clarified, and objective criteria for best-fit corrections are still missing. Using the correction method resembling summer temperature characteristics, a newly developed 750-year decadal summer temperature reconstruction comprises greater amplitude compared to previously reported reconstructions derived from ring width and density data. Additionally, the novel approach in tree-ring stable isotope chronology development of detrending-techniques are applied to the δ13C isotopic data, providing the background of this temperature reconstruction. The detection and evaluation methods for potential biases in calibration setups presented in this dissertation can be utilized as conceptual basis to evaluate existing and to advance future reconstruction, thereby, improving our understanding of long-term climate variations. Die Jahrringe verschiedener Baumarten werden häufig für dendroklimatische Forschung genutzt, vor allem für Rekonstruktionen vergangener Klimaschwankungen. Dabei können unterschiedliche Datengrundlagen gewonnen werden, wie z. B. die Jahrringbreite, die maximale Spätholzdichte und die Zusammensetzung der stabilen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope. Eine Analyse der Klimasignale in Jahrringzeitreihen bildet die Basis für Klimarekonstruktionen, denn die ermittelten statistischen Klimawachstumsbeziehungen ermöglichen die Übertragung der Ergebnisse aus der Kalibrationsperiode auf Jahrringdaten der Rekonstruktionsperiode in vorindustrieller Zeit, für die in der Regel meteorologische instrumentelle Messdaten fehlen. Zusätzlich ist eine Bewertung der potenziell verfälschenden Einflussgrößen in der Kalibrationsanalyse obligatorisch. Diese Dissertation legt den Schwerpunkt auf die Evaluation unterschiedlicher Kalibrationseinstellungen, entwickelt Methoden zur Identifizierung parameterspezifischen Verzerrungen und bestimmt das Ausmaß ihrer Auswirkungen. Im Speziellen sind altersbedingte Trends in der Klimasensitivität, Störungen im jährlichen Wachstumsmuster durch Insektenbefall und die Auswirkungen der erhöhten atmosphärischen CO2-Konzentrationen von Interesse. Ziel dieser Arbeit ist es, in unterschiedlichen Kalibrationsanalysen „nicht-klimatische“ Einflussgrößen zu identifizieren, sowie Lösungsstrategien für deren Vermeidung zu entwickeln. Die altersbedingten Veränderungen der Klimasensitivität in Ringbreitendaten sind Gegenstand der Untersuchung in mehreren publizierten Studien. In dieser Arbeit wird dieses Thema durch die Analyse von Pinus sylvestris L. Jahrringbreiteserien aus dem nördlichen Fennoskandien aufgegriffen und durch die erstmalige Hinzunahme von Dichtedaten der gleichen Bäume erweitert. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante altersbedingte Abnahme der Temperatursensitivität mit zunehmendem Alter. Die Dichtedaten erweisen sich hiervon weniger beeinflusst und sind folglich besser geeignet für Klimarekonstruktionen. Temperaturrekonstruktionen dieser Region zeigen keine altersbedingten Verzerrungen, wenn die zugrundeliegenden Daten unter der Prämisse von gleich verteilten Altersgruppen, also von jungen als auch alten Bäume, erhoben wurden. Der Lärchenwickler (Zeiraphera diniana Gn.) wird mit regelmäßigen Populationsschwankungen und zyklischen Massenvermehrungen (alle 8-10 Jahre) in Verbindung gebracht, was zu Veränderungen in der Jahrringbreite und reduzierter Klimasensitivität von Wirtsbäumen führt. Im Gegensatz zu den bekannten 1200-jährigen historischen Belegen aus den Alpen, lehnen die Ergebnisse dieser Arbeit die Annahme einer zyklischen Massenvermehrung des Lärchenwicklers für die letzten 300 Jahre in der slowakischen Hohen Tatra ab. Niedrige Bestandsdichten in räumlich begrenzten Lärchenwäldern verhindern die massenhafte Vermehrung des Lärchenwicklers. Signifikant gleichläufige Larix decidua Mill. (Wirt) und Pinus cembra L. Jahrringserien, bestehend aus 323 Proben, zeigen zudem deutliche Klimasignale frühsommerlicher Temperaturschwankungen und liefern somit ideale Voraussetzungen für osteuropäische Temperaturrekonstruktionen. Die Analyse von stabilen Isotopendaten aus Jahrringen bietet umfangreiche Informationen über Auswirkungen von externen klimatischen Einflussfaktoren auf physiologische Prozesse der Bäume. Kohlenstoff- (δ13C) und Sauerstoff- (δ18O) Isotopendaten von Pinus uncinata Jahrringen aus den spanischen Pyrenäen weisen signifikante Klimasensitivität auf. Während die δ18O Zeitreihen durch Frühjahrsniederschläge und andere komplexere Faktoren gesteuert werden, zeigen die δ13C Zeitreihen ein eindeutiges Sommertemperatursignal. Aufgrund der erhöhten atmosphärischen CO2 Konzentration werden in dieser Dissertation unterschiedliche Korrekturverfahren für δ13C Daten verwendet, welche jedoch die niederfrequenten Trends verändern, was Auswirkungen auf die Klimasignalstärke nach sich zieht. Welches Korrekturverfahren als letzte Instanz ausgewählt werden soll bleibt eine Herausforderung, da die natürliche Anpassung der baumphysiologischen Prozesse an diesem Standort nicht quantifiziert werden konnten und objektive Kriterien für eine optimale CO2-Korrektur weiterhin fehlen. Mit einem neuartigen Ansatz trendbereinigter δ13C Daten im juvenilen Baumalter konnte eine 750-jährige Rekonstruktion dekadischer Sommertemperaturen entwickelt werden. Diese Rekonstruktion zeigt im historischen Verlauf größere Temperaturamplituden im Vergleich zu bereits publizierten Rekonstruktionen, welche auf traditionellen Jahrringparametern beruhen. Vorhandene als auch zukünftige Rekonstruktionen können durch Anwendung der vorgestellten Nachweismethoden auf mögliche Verzerrungen überprüft werden. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern somit einen Beitrag zur Debatte über zuverlässige Schätzungen vergangener Klimaschwankungen und deren Bedeutung als Grundlage für die Vorhersage zukünftiger Trends.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1961
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000002442
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	IX, 106 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen