Synoptic Regimes and δ18O: A Model-Based Approach to Climate Variability

Abstract

Diese Dissertation entwickelt einen innovativen, modellgestützten Ansatz zur physikalisch konsistenten Interpretation stabiler Sauerstoffsotope (δ18O) in Speläothemen mit dem Ziel, großskalige atmosphärische Zirkulationsmuster und Niederschlagsprozesse vergangener Klimaperioden belastbar zu rekonstruieren. Zentral ist die Verknüpfung eines isotopenfähigen globalen Zirkulationsmodells (EMAC/H2OISO) mit einer objektiven dynamischen Klassifikation großskaliger Wetterregimes (Diagnostic Synoptic Regime Model, DSRM). Ergänzt wird dieser Ansatz durch vier differenzierte Isotopengewichtungen: ungewichtete δ18O-Werte des Niederschlags sowie niederschlags-, infiltrations- und kalzitgewichtete δ18O, die jeweils unterschiedliche Prozesse der Signalentstehung abbilden. Für das heutige Klima wurden 30-jährige Simulationen unter Verwendung moderner atmosphärischer Randbedingungen durchgeführt und anhand von 12 deutschen GNIP-Stationen validiert. Dabei zeigte sich eine systematische Überschätzung der ungewichteten δ18O-Werte um etwa 1 ‰ bis 3 ‰, welche durch Niederschlagsgewichtung weitgehend korrigiert werden konnte. Eine Hauptkomponentenanalyse ergab, dass Temperatur, Niederschlag und das vorherrschende synoptische Regime gemeinsam rund 50% der Variabilität zwischen den Stationen erklären und somit deren zentrale Rolle bei der Steuerung isotopischer Signale unterstreichen. Unter Bedingungen des Letzten Glazialen Maximums (LGM) verändert sich die atmosphärische Zirkulation über Europa und dem Mittelmeerraum deutlich: Zonale Flüsse und zyklonale Regime nehmen ab, während meridionale Muster und antizyklonale Regime zunehmen. Der Abgleich modellierter δ18O-Signale mit 14 mediterranen Speläothem Datensätzen aus dem SISAL-Archiv zeigt, dass insbesondere in infiltrations- und kalzitgewichtete Signale die beobachtete Proxy-Variabilität am besten reproduzieren. Im mediterranen LGM-Szenario führen zyklonale Regime zu ausgeprägter isotopischer Abreicherung, antizyklonale Hochdrucklagen hingegen zu Anreicherung. Eine markante Ost-West-Differenzierung spiegelt die unterschiedlichen Feuchtigkeitsquellen wider, welche für europäisch atlantische bzw. mediterrane Regionen charakteristisch sind. Die Ergebnisse belegen, dass die Kombination aus dynamischer Regimeklassifikation und physikalisch fundierter Isotopengewichtung eine robuste Rekonstruktion atmosphärischer Dynamik aus terrestrischen Speläothem-Archiven ermöglicht. Der Ansatz eignet sich sowohl für die Analyse heutiger Klimabedingungen als auch für komplexe glaziale Szenarien und liefert wertvolle Einblicke in die Kopplung von großskaliger Zirkulation, regionalem Hydroklima und isotopischer Signaturbildung in terrestrischen Sedimenten.

This dissertation develops an innovative, model-based framework for the physically consistent interpretation of stable oxygen isotopes (δ18O) in speleothems, with the aim of robustly reconstructing large-scale atmospheric circulation patterns and precipitation processes of past climate periods. Central to this approach is the integration of an isotope-enabled general circulation model (EMAC/H2OISO), an objective and dynamic classification of large-scale weather regimes (Diagnostic Synoptic Regime Model, DSRM), and four differentiated isotope weighting schemes (unweighted δ18O in precipitation, precipitation-, in ltration-, and calcite-weighted δ18O), each representing distinct processes of signal formation. For present-day climate, 30-year simulations using modern atmospheric boundary conditions were conducted and validated against 12 German GNIP stations. These revealed a systematic overestimation of unweighted δ18O values by approx. 1 ‰ to 3 ‰, which can largely be mitigated by applying precipitation weighting. A principal component analysis confirmed that temperature, precipitation, and the prevailing synoptic regime together explain approximately 50% of the variability, underscoring their importance as key drivers of isotopic signals. Under Last Glacial Maximum (LGM) conditions, atmospheric circulation over Europe and the Mediterranean region shifts significantly: the frequency of zonal flows and cyclonic regimes decreases, while meridional patterns and anticyclonic regimes become more prevalent. A comparison of modeled δ18O signals with 14 Mediterranean speleothem records from the SISAL database shows that infiltration- and especially calcite-weighted signals best reproduce observed proxy variability. In the Mediterranean LGM scenario, cyclonic regimes lead to pronounced isotopic depletion, while anticyclonic regimes result in isotopic enrichment. A pronounced eastwest gradient reflects the contrasting moisture sources characteristic of the Atlantic and Mediterranean domains. The results demonstrate that the methodological combination of DSRM classification and physically motivated isotope weighting enables a robust and reproducible reconstruction of atmospheric dynamics from terrestrial speleothem archives. This framework is applicable to both modern climate analysis and complex glacial conditions, offering valuable insights into the coupling between large-scale circulation, regional hydroclimate variability, and isotopic signal formation in terrestrial sediments.