Authors:	Pfahl, Stephan
Title:	Exploring physical processes related to past climate proxies: lake sediments and stable water isotopes
Online publication date:	13-Oct-2009
Year of first publication:	2009
Language:	english
Abstract:	Proxy data are essential for the investigation of climate variability on time scales larger than the historical meteorological observation period. The potential value of a proxy depends on our ability to understand and quantify the physical processes that relate the corresponding climate parameter and the signal in the proxy archive. These processes can be explored under present-day conditions. In this thesis, both statistical and physical models are applied for their analysis, focusing on two specific types of proxies, lake sediment data and stable water isotopes.rnIn the first part of this work, the basis is established for statistically calibrating new proxies from lake sediments in western Germany. A comprehensive meteorological and hydrological data set is compiled and statistically analyzed. In this way, meteorological times series are identified that can be applied for the calibration of various climate proxies. A particular focus is laid on the investigation of extreme weather events, which have rarely been the objective of paleoclimate reconstructions so far. Subsequently, a concrete example of a proxy calibration is presented. Maxima in the quartz grain concentration from a lake sediment core are compared to recent windstorms. The latter are identified from the meteorological data with the help of a newly developed windstorm index, combining local measurements and reanalysis data. The statistical significance of the correlation between extreme windstorms and signals in the sediment is verified with the help of a Monte Carlo method. This correlation is fundamental for employing lake sediment data as a new proxy to reconstruct windstorm records of the geological past.rnThe second part of this thesis deals with the analysis and simulation of stable water isotopes in atmospheric vapor on daily time scales. In this way, a better understanding of the physical processes determining these isotope ratios can be obtained, which is an important prerequisite for the interpretation of isotope data from ice cores and the reconstruction of past temperature. In particular, the focus here is on the deuterium excess and its relation to the environmental conditions during evaporation of water from the ocean. As a basis for the diagnostic analysis and for evaluating the simulations, isotope measurements from Rehovot (Israel) are used, provided by the Weizmann Institute of Science. First, a Lagrangian moisture source diagnostic is employed in order to establish quantitative linkages between the measurements and the evaporation conditions of the vapor (and thus to calibrate the isotope signal). A strong negative correlation between relative humidity in the source regions and measured deuterium excess is found. On the contrary, sea surface temperature in the evaporation regions does not correlate well with deuterium excess. Although requiring confirmation by isotope data from different regions and longer time scales, this weak correlation might be of major importance for the reconstruction of moisture source temperatures from ice core data. Second, the Lagrangian source diagnostic is combined with a Craig-Gordon fractionation parameterization for the identified evaporation events in order to simulate the isotope ratios at Rehovot. In this way, the Craig-Gordon model can be directly evaluated with atmospheric isotope data, and better constraints for uncertain model parameters can be obtained. A comparison of the simulated deuterium excess with the measurements reveals that a much better agreement can be achieved using a wind speed independent formulation of the non-equilibrium fractionation factor instead of the classical parameterization introduced by Merlivat and Jouzel, which is widely applied in isotope GCMs. Finally, the first steps of the implementation of water isotope physics in the limited-area COSMO model are described, and an approach is outlined that allows to compare simulated isotope ratios to measurements in an event-based manner by using a water tagging technique. The good agreement between model results from several case studies and measurements at Rehovot demonstrates the applicability of the approach. Because the model can be run with high, potentially cloud-resolving spatial resolution, and because it contains sophisticated parameterizations of many atmospheric processes, a complete implementation of isotope physics will allow detailed, process-oriented studies of the complex variability of stable isotopes in atmospheric waters in future research.rn Zur Erforschung von Klimavariabilität auf langen Zeitskalen, für die es keine direkten meteorologischen Beobachtungen gibt, werden Proxydaten verwendet. Der mögliche Nutzen, den man aus einem Proxy ziehen kann, hängst stark davon ab, wie gut die physikalischen Prozesse verstanden sind und quantifiziert werden können, die den zu rekonstruierenden Klimaparameter und das Signal im Proxy-Archiv verknüpfen. Diese Prozesse können unter heutigen klimatischen Bedingungen untersucht werden. In dieser Arbeit werden dafür sowohl statistische als auch physikalische Modelle verwendet. Dabei stehen zwei spezifische Proxy-Typen im Vordergrund, Seesediment-Daten und stabile Wasserisotope.rnIm ersten Teil dieser Arbeit wird die Grundlage für eine statistische Kalibrierung von neuen Proxys basierend auf Seesediment-Daten aus Westdeutschland geschaffen. Ein umfassender meteorologischer und hydrologischer Datensatz wird zusammengestellt und statistisch analysiert. Auf diese Weise werden meteorologische Zeitreihen identifiziert, die für eine Kalibrierung verschiedener Klima-Proxys verwendet werden können. Im Vordergrund stehen dabei extreme Wetterereignisse, die bisher nur selten das Ziel von paläoklimatologischen Rekonstruktionen waren. Anschließend wird ein konkretes Beispiel für eine Proxy-Kalibrierung vorgestellt. Maxima in der Konzentration von Quartzkörnern in einem Sedimentkern werden mit Windstürmen der letzten Jahre verglichen. Diese Stürme werden mit Hilfe eines neuen Indexes identifiziert, der meteorologische Messdaten und Reanalysen kombiniert. Die statistische Signifikanz der Korrelation zwischen Windstürmen und Signalen im Sediment wird mit Hilfe einer Monte-Carlo-Methode gezeigt. Diese Korrelation kann als Grundlage für die Verwendung eines neuen Windsturm-Proxys basierend auf Seesedimenten dienen.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Analyse und Simulation der Variabilität von stabilen Wasserisotopen in atmosphärischem Wasserdampf auf kurzen Zeitskalen. Ein verbessertes Verständnis der physikalischen Prozesse, die diese Variabilität bestimmen, ist eine wichtige Voraussetzung für die Interpretation von Eisbohrkernen. Das Hauptaugenmerk liegt hier auf dem Deuterium-Exzess und seiner Beziehung zu den Bedingungen während der Verdunstung des Wassers vom Ozean. Als Basis für die Analyse dienen Isotopenmessungen aus Rehovot (Israel), bereitgestellt durch das Weizmann Institute of Science. Als erstes wird eine Lagrangsche Diagnostik verwendet, um quantitative Zusammenhänge zwischen den Messungen und den Bedingungen während der Verdunstung zu erhalten. Dabei wird eine starke Antikorrelation zwischen Deuterium-Exzess und der relativen Feuchte in der Verdunstungsregion festgestellt. Andererseits besteht kein starker Zusammenhang zwischen Deuterium-Exzess und Meeresoberflächentemperatur. Dieses Resultat muss noch mit Hilfe von Isotopendaten aus anderen Regionen und für längere Zeiträume bestätigt werden, könnte aber von zentraler Bedeutung für die Temperaturrekonstruktion aus Eisbohrkerndaten sein. Als nächstes wird die Lagransche Diagnostik mit einer Craig-Gordon-Parametrisierung kombiniert, um die Isotopenverhältnisse in Rehovot zu modellieren. Auf diese Weise können das Craig-Gordon-Modell mit atmosphärischen Messungen direkt evaluiert und unsichere Modell-Parameter genauer bestimmt werden. Ein Vergleich mit den Messungen zeigt, dass mit Hilfe eines nicht von der Windgeschwindigkeit abhängigen Nichtgleichgewichts-Fraktionierungsfaktors eine viel bessere Übereinstimmung erreicht werden kann als mit der klassischen Parametrisierung von Merlivat und Jouzel, die normalerweise in GCMs verwendet wird. Schließlich werden die ersten Schritte des Einbaus von stabilen Wasserisotopen in das regionale COSMO-Modell beschrieben. Ein Ansatz wird vorgestellt, der es durch Einsatz einer Wasser-Markierungstechnik erlaubt, simulierte Isotopenwerte direkt mit Messungen zu vergleichen. Die gute Übereinstimmung zwischen Modellergebnissen und Messungen in Rehovot zeigt die prinzipielle Verwendbarkeit des Ansatzes. Da das Modell mit hoher räumlicher Auflösung betrieben werden kann und aufwändige Parametrisierungen von vielen atmosphärischen Prozessen beinhaltet, wird eine komplette Implementierung der Isotopenphysik viele Möglichkeiten für zukünftige detaillierte und prozess-orientierte Studien der komplexen Variabilität von stabilen Wasserisotopen in der Atmosphäre eröffnen.rn
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4535
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-20995
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen