TY  - THES
A1  - Malik, Nishant
T1  - Extremes in events and dynamics : a nonlinear data analysis perspective on the past and present dynamics of the Indian summer monsoon
N2  - To identify extreme changes in the dynamics of the Indian Summer Monsoon (ISM) in the past, I propose a new approach based on the quantification of fluctuations of a nonlinear similarity measure, to identify regimes of distinct dynamical complexity in short time series. I provide an analytical derivation for the relationship of the new measure with the dynamical invariants such as dimension and Lyapunov exponents of the underlying system. A statistical test is also developed to estimate the significance of the identified transitions. Our method is justified by uncovering bifurcation structures in several paradigmatic models, providing more complex transitions compared with traditional Lyapunov exponents. In a real world situation, we apply the method to identify millennial-scale dynamical transitions in Pleistocene proxy records of the south Asian summer monsoon system. We infer that many of these transitions are induced by the external forcing of solar insolation and are also affected by internal forcing on Monsoonal dynamics, i.e., the glaciation cycles of the Northern Hemisphere and the onset of the tropical Walker circulation. Although this new method has general applicability, it is particularly useful in analysing short palaeo-climate records. Rainfall during the ISM over the Indian subcontinent occurs in form of enormously complex spatiotemporal patterns due to the underlying dynamics of atmospheric circulation and varying topography. I present a detailed analysis of summer monsoon rainfall over the Indian peninsular using Event Synchronization (ES), a measure of nonlinear correlation for point processes such as rainfall. First, using hierarchical clustering I identify principle regions where the dynamics of monsoonal rainfall is more coherent or homogenous. I also provide a method to reconstruct the time delay patterns of rain events. Moreover, further analysis is carried out employing the tools of complex network theory. This study provides valuable insights into the spatial organization, scales, and structure of the 90th and 94th percentile rainfall events during the ISM (June to September). I furthermore analyse the influence of different critical synoptic atmospheric systems and the impact of the steep Himalayan topography on rainfall patterns. The presented method not only helps in visualising the structure of the extremeevent rainfall fields, but also identifies the water vapor pathways and decadal-scale moisture sinks over the region. Furthermore a simple scheme based on complex networks is presented to decipher the spatial intricacies and temporal evolution of monsoonal rainfall patterns over the last six decades. Some supplementary results on the evolution of monsoonal rainfall extremes over the last sixty years are also presented.
N2  - Um Extremereignisse in der Dynamik des indischen Sommermonsuns (ISM) in der geologischen Vergangenheit zu identifizieren, schlage ich einen neuartigen Ansatz basierend auf der Quantifikation von Fluktuationen in einem nichtlinearen Ähnlichkeitsmaß vor. Dieser reagiert empfindlich auf Zeitabschnitte mit deutlichen Veränderungen in der dynamischen Komplexität kurzer Zeitreihen. Ein mathematischer Zusammenhang zwischen dem neuen Maß und dynamischen Invarianten des zugrundeliegenden Systems wie fraktalen Dimensionen und Lyapunovexponenten wird analytisch hergeleitet. Weiterhin entwickle ich einen statistischen Test zur Schätzung der Signifikanz der so identifizierten dynamischen Übergänge. Die Stärken der Methode werden durch die Aufdeckung von Bifurkationsstrukturen in paradigmatischen Modellsystemen nachgewiesen, wobei im Vergleich zu den traditionellen Lyapunovexponenten eine Identifikation komplexerer dynamischer Übergänge möglich ist. Wir wenden die neu entwickelte Methode zur Analyse realer Messdaten an, um ausgeprägte dynamische Veränderungen auf Zeitskalen von Jahrtausenden in Klimaproxydaten des südasiatischen Sommermonsunsystems während des Pleistozäns aufzuspüren. Dabei zeigt sich, dass viele dieser Übergänge durch den externen Einfluss der veränderlichen Sonneneinstrahlung, sowie durch dem Klimasystem interne Einflussfaktoren auf das Monsunsystem (Eiszeitzyklen der nördlichen Hemisphäre und Einsatz der tropischenWalkerzirkulation) induziert werden. Trotz seiner Anwendbarkeit auf allgemeine Zeitreihen ist der diskutierte Ansatz besonders zur Untersuchung von kurzen Paläoklimazeitreihen geeignet. Die während des ISM über dem indischen Subkontinent fallenden Niederschläge treten, bedingt durch die zugrundeliegende Dynamik der atmosphärischen Zirkulation und topographische Einflüsse, in äußerst komplexen, raumzeitlichen Mustern auf. Ich stelle eine detaillierte Analyse der Sommermonsunniederschläge über der indischen Halbinsel vor, die auf Ereignissynchronisation (ES) beruht, einem Maß für die nichtlineare Korrelation von Punktprozessen wie Niederschlagsereignissen. Mit hierarchischen Clusteringalgorithmen identifiziere ich zunächst Regionen mit besonders kohärenten oder homogenen Monsunniederschlägen. Dabei können auch die Zeitverzögerungsmuster von Regenereignissen rekonstruiert werden. Darüber hinaus führe ich weitere Analysen auf Basis der Theorie komplexer Netzwerke durch. Diese Studien ermöglichen wertvolle Einsichten in räumliche Organisation, Skalen und Strukturen von starken Niederschlagsereignissen oberhalb der 90% und 94% Perzentilen während des ISM (Juni bis September). Weiterhin untersuche ich den Einfluss von verschiedenen, kritischen synoptischen Systemen der Atmosphäre sowie der steilen Topographie des Himalayas auf diese Niederschlagsmuster. Die vorgestellte Methode ist nicht nur geeignet, die Struktur extremer Niederschlagsereignisse zu visualisieren, sondern kann darüber hinaus über der Region atmosphärische Transportwege von Wasserdampf und Feuchtigkeitssenken auf dekadischen Skalen identifizieren.Weiterhin wird ein einfaches, auf komplexen Netzwerken basierendes Verfahren zur Entschlüsselung der räumlichen Feinstruktur und Zeitentwicklung von Monsunniederschlagsextremen während der vergangenen 60 Jahre vorgestellt.
T2  - Extrema in Ereignissen und Dynamiken : historische und heutige Dynamik des Indischen Sommer-Monsuns aus der Perspektive nichtlinearer Datenanalyse
KW  - nichtlineare Datenanalyse
KW  - Paläoklimatologie
KW  - Indischer Sommer-Monsun
KW  - Extremereignisse
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - nonlinear time series analysis
KW  - Paleoclimatology
KW  - Indian summer monsoon
KW  - extreme events
KW  - complex networks
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-58016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ambili, Anoop
T1  - Lake sediments as climate and tectonic archives in the Indian summer monsoon domain
T1  - Seesedimente als Klima- und Tektonikarchive im Einflussbereich des Indischen Sommermonsuns
N2  - The Indian summer monsoon (ISM) is one of the largest climate systems on earth and impacts the livelihood of nearly 40% of the world’s population. Despite dedicated efforts, a comprehensive picture of monsoon variability has proved elusive largely due to the absence of long term high resolution records, spatial inhomogeneity of the monsoon precipitation, and the complex forcing mechanisms (solar insolation, internal teleconnections for e.g., El Niño-Southern Oscillation, tropical-midlatitude interactions). My work aims to improve the understanding of monsoon variability through generation of long term high resolution palaeoclimate data from climatically sensitive regions in the ISM and westerlies domain. To achieve this aim I have (i) identified proxies (sedimentological, geochemical, isotopic, and mineralogical) that are sensitive to environmental changes; (ii) used the identified proxies to generate long term palaeoclimate data from two climatically sensitive regions, one in NW Himalayas (transitional westerlies and ISM domain in the Spiti valley and one in the core monsoon zone (Lonar lake) in central India); (iii) undertaken a regional overview to generate “snapshots” of selected time slices; and (iv) interpreted the spatial precipitation anomalies in terms of those caused by modern teleconnections. This approach must be considered only as the first step towards identifying the past teleconnections as the boundary conditions in the past were significantly different from today and would have impacted the precipitation anomalies. As the Spiti valley is located in the in the active tectonic orogen of Himalayas, it was essential to understand the role of regional tectonics to make valid interpretations of catchment erosion and detrital influx into the lake. My approach of using integrated structural/morphometric and geomorphic signatures provided clear evidence for active tectonics in this area and demonstrated the suitability of these lacustrine sediments as palaleoseismic archives. The investigations on the lacustrine outcrops in Spiti valley also provided information on changes in seasonality of precipitation and occurrence of frequent and intense periods (ca. 6.8-6.1 cal ka BP) of detrital influx indicating extreme hydrological events in the past. Regional comparison for this time slice indicates a possible extended “break-monsoon like” mode for the monsoon that favors enhanced precipitation over the Tibetan plateau, Himalayas and their foothills. My studies on surface sediments from Lonar lake helped to identify environmentally sensitive proxies which could also be used to interpret palaeodata obtained from a ca. 10m long core raised from the lake in 2008. The core encompasses the entire Holocene and is the first well dated (by 14C) archive from the core monsoon zone of central India. My identification of authigenic evaporite gaylussite crystals within the core sediments provided evidence of exceptionally drier conditions during 4.7-3.9 and 2.0-0.5 cal ka BP. Additionally, isotopic investigations on these crystals provided information on eutrophication, stratification, and carbon cycling processes in the lake.
N2  - Der Indische Sommer Monsun (ISM) ist eines der bedeutendsten Klimaphänomene auf der Erde und hat großen Einfluss auf die Lebensbedingungen und -grundlagen von nahezu 40% der Weltbevölkerung. Trotz großer Bemühungen ist es bisher nicht gelungen ein genaues und umfassendes Verständnis der Monsun-Variabilität zu gewinnen. Hauptgründe dafür sind das Fehlen von langjährigen und hochaufgelösten Klimazeitreihen, räumlichen Inhomogenitäten in den Niederschlagsverteilungen und die Komplexität der treibenden klimatischen Mechanismen (Sonneneinstrahlung, interne Wechselwirkungen des Klimasystems, wie z.B. zwischen Tropen und mittleren Breiten oder die Auswirkungen der El Niño Oszillation). Die Zielsetzung der hier vorgestellten Arbeit ist ein verbessertes Verständnis der Monsun-Variabilität zu entwickeln, auf Basis von hochaufgelösten und weit reichenden Paläoklimazeitreihen aus klimasensitiven Regionen des ISM und der Westwindzone. Um die Zielsetzung umzusetzen habe ich: (i) Proxys identifiziert (sedimentologische, geochemische, isotopische, und mineralogische), die empfindlich auf Umweltveränderungen reagieren; (ii) die identifizierten Proxys zur Erzeugung von langjährigen Paläoklima-Daten für zwei klimasensible Regionen verwendet, eine im NW des Himalaja (Übergangs-Westwindzone und ISM Gebiet von Spity Valley) und eine in der Kernzone des Monsun (Lonar-See) in Zentralindien; (iii) Übersichts-"Momentaufnahmen" der regionalen klimatischen Bedingungen für ausgewählte Zeitpunkte der Vergangenheit erzeugt; und (iv) räumliche Niederschlagsanomalien in Hinblick auf heutige Wechselbeziehungen im Klimasystem interpretiert. Dieser Ansatz stellt allerdings nur einen ersten Schritt zur Identifizierung von paläoklimatischen Wechselbeziehungen im Monsunsystem dar, da sich die Randbedingungen in der Vergangenheit deutlich von den heutigen unterscheiden und diese einen signifikanten Einfluss auf die Niederschlagsanomalien haben. Da das Spity Valley im tektonisch aktiven Himalaja-Orogen lokalisiert ist, ist es von entscheidender Bedeutung die regionalen tektonischen Prozesse zu verstehen, um Erosionsvorgänge des Einzugsgebiets und die Einfuhr von Detritus in den See korrekt interpretieren zu können. Mein Ansatz der Nutzung kombinierter strukturell/morphometrischer und geomorphologischer Charakteristiken lieferte klare Beweise für aktive Tektonik im untersuchten Gebiet und demonstrierte damit die Eignung dieser lakustrinen Sedimente als paläoseismisches Archiv. Die Untersuchung lakustriner Aufschlüsse in Spity Valley lieferte auch Informationen saisonale Änderung der Niederschlagsverteilung sowie das Auftreten von häufigen und intensiven Perioden (ca. 6,8-6,1 cal ka BP) detritischer Einfuhr, welche auf extreme hydrologische Ereignisse in der Vergangenheit schließen lässt. Ein regionaler Vergleich dieser Periode deutet auf einen möglicherweise erweiterten „break-monsoon-like“ Modus für den Monsun hin, welcher hohe Niederschläge über dem Tibetischen Plateau, dem Himalaja und seinen Gebirgsausläufern begünstigt. Meine Studien an den Oberflächensedimenten des Lonar-Sees haben dazu beigetragen umweltsensitive Proxys zu identifizieren, die auch zur Interpretation von Paläodaten von einem ca. 10 m langen Sedimentkern genutzt wurden, der 2008 erbohrt wurde. Der Kern umfasst das gesamte Holozän und stellt das erste gut 14C-datierte Archiv aus der Kernmonsunzone Zentralindiens dar. Die Identifizierung von authigenen Evaporit-Kristallen (Gaylussite) innerhalb der Sedimente liefert einen Beweis für ungewöhnlich trockene Bedingungen in den Perioden zwischen 4,7-3,9 und 2,0-0,5 cal ka BP. Darüber hinaus lieferten Isotopen-Untersuchungen dieser Kristalle Informationen zur Eutrophierung, Stratifikation und zum Kohlenstoff-Kreislauf des Sees.
KW  - Gaylussite
KW  - Indische Sommer Monsun
KW  - Seesediment
KW  - Spity Valley
KW  - Lonarsee
KW  - Gaylussite
KW  - Indian summer monsoon
KW  - Lake sediments
KW  - Spiti valley
KW  - Lonar lake
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64799
ER  -