TY  - THES
A1  - Münch, Thomas
T1  - Interpretation of temperature signals from ice cores
T1  - Interpretation von Temperatursignalen aus Eisbohrkernen
BT  - insights into the spatial and temporal variability of water isotopes in Antarctica
BT  - Einblicke in die räumliche und zeitliche Variabilität antarktischer Isotopendaten
N2  - Earth's climate varies continuously across space and time, but humankind has witnessed only a small snapshot of its entire history, and instrumentally documented it for a mere 200 years. Our knowledge of past climate changes is therefore almost exclusively based on indirect proxy data, i.e. on indicators which are sensitive to changes in climatic variables and stored in environmental archives. Extracting the data from these archives allows retrieval of the information from earlier times. Obtaining accurate proxy information is a key means to test model predictions of the past climate, and only after such validation can the models be used to reliably forecast future changes in our warming world. The polar ice sheets of Greenland and Antarctica are one major climate archive, which record information about local air temperatures by means of the isotopic composition of the water molecules embedded in the ice. However, this temperature proxy is, as any indirect climate data, not a perfect recorder of past climatic variations. Apart from local air temperatures, a multitude of other processes affect the mean and variability of the isotopic data, which hinders their direct interpretation in terms of climate variations. This applies especially to regions with little annual accumulation of snow, such as the Antarctic Plateau. While these areas in principle allow for the extraction of isotope records reaching far back in time, a strong corruption of the temperature signal originally encoded in the isotopic data of the snow is expected. This dissertation uses observational isotope data from Antarctica, focussing especially on the East Antarctic low-accumulation area around the Kohnen Station ice-core drilling site, together with statistical and physical methods, to improve our understanding of the spatial and temporal isotope variability across different scales, and thus to enhance the applicability of the proxy for estimating past temperature variability. The presented results lead to a quantitative explanation of the local-scale (1–500 m) spatial variability in the form of a statistical noise model, and reveal the main source of the temporal variability to be the mixture of a climatic seasonal cycle in temperature and the effect of diffusional smoothing acting on temporally uncorrelated noise. These findings put significant limits on the representativity of single isotope records in terms of local air temperature, and impact the interpretation of apparent cyclicalities in the records. Furthermore, to extend the analyses to larger scales, the timescale-dependency of observed Holocene isotope variability is studied. This offers a deeper understanding of the nature of the variations, and is crucial for unravelling the embedded true temperature variability over a wide range of timescales.
N2  - Das Klima der Erde verändert sich stetig sowohl im Raum als auch in der Zeit, jedoch hat die Menschheit nur einen Bruchteil dieser Entwicklung direkt verfolgen können und erst seit 200 Jahren mit instrumentellen Beobachtungen aufgezeichnet. Unser Wissen bezüglich früherer Klimaveränderungen beruht daher fast ausschließlich auf indirekten Proxydaten, also Stellvertreterdaten, welche sensitiv auf Veränderungen in bestimmten Klimavariablen reagieren und in Klimaarchiven abgespeichert werden. Essentiell ist eine hohe Genauigkeit der erhaltenen Proxydaten. Sie erlaubt, Modellvorhersagen früherer Klimazustände quantitativ zu überprüfen und damit die Modelle zu validieren. Erst dann können mit Hilfe der Modelle verlässliche Aussagen über die anthropogen bedingten zukünftigen Klimaveränderungen getroffen werden. Die polaren Eisschilde von Grönland und Antarktika sind eines der wichtigsten Klimaarchive. Über die isotopische Zusammensetzung der im Eis eingelagerten Wassermoleküle zeichnen sie Veränderungen der lokalen Lufttemperatur auf. Jedoch stellen die Daten dieses Temperaturproxys keine perfekte Aufzeichnung früherer Klimaschwankungen dar – was im Übrigen für alle Proxydaten gilt –, da neben der Temperatur eine Fülle anderer Effekte Mittelwert und Varianz der Proxyschwankungen beeinflussen und damit die direkte Interpretation der Daten in Bezug auf klimatische Veränderungen beeinträchtigen. Insbesondere trifft dies auf Gebiete mit geringen jährlichen Schneefallmengen zu, wie z.B. das Polarplateau des antarktischen Kontinents. Diese Gebiete erlauben zwar prinzipiell die Gewinnung von Proxydatensätzen, die weit in die Vergangenheit zurückreichen, allerdings erwartet man im Allgemeinen auch eine starke Beeinträchtigung des ursprünglichen, in der isotopischen Zusammensetzung des Schnees eingeprägten Temperatursignals. Unter Verwendung von Beobachtungsdaten aus der Antarktis – hauptsächlich aus dem Niedrigakkumulationsgebiet von Dronning Maud Land in Ostantarktika, in dem auch die Kohnen-Station liegt –, sowie durch Anwendung statistischer und physikalischer Methoden, trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Isotopendaten über einen weiten Skalenbereich bei. Damit verbessert die vorliegende Arbeit die Anwendbarkeit dieses Temperaturproxys in Bezug auf die Rekonstruktion natürlicher Klimavariabilität. Im Speziellen wird aus den Beobachtungsdaten ein statistisches Modell abgeleitet, welches quantitativ die lokale räumliche (1–500 m-Skala) Variabilität erklärt; des Weiteren wird gezeigt, dass die zeitliche Variabilität hauptsächlich bedingt wird durch die Kombination zweier Effekte: einen klimatischen Jahreszyklus angetrieben durch den Jahresgang der Temperatur, und die Wirkung des Diffusionsprozesses auf einen zeitlich unkorrelierten Rauschterm. Diese Resultate führen zum einen zu einer wesentlich eingegrenzten Abschätzung der Repräsentativität einzelner, isotopenbasierter Proxyzeitreihen in Bezug auf lokale Temperaturveränderungen. Zum anderen beeinflussen sie erheblich die Interpretation scheinbarer Periodizitäten im Isotopensignal. Es wird darüber hinaus vermutet, dass die Gesamtstärke des Rauschens im Isotopensignal nicht nur durch die örtliche Akkumulationsrate bestimmt wird, sondern auch durch andere Parameter wie die lokale mittlere Windstärke und die räumliche und zeitliche Kohärenz der Niederschlagswichtung. Schließlich erlaubt die Erweiterung der Analyse auf größere räumliche und zeitliche Skalen die Untersuchung, inwieweit die Variabilität isotopenbasierter Proxyzeitreihen aus dem Holozän von der Zeitskala abhängt. Dadurch wird ein tieferes Verständnis der Proxyvariabilität erzielt, welches grundlegend dafür ist, die tatsächliche, in den Daten einzelner Zeitreihen verdeckt vorhandene Temperaturvariabilität, über einen weiten Zeitskalenbereich zu entschlüsseln.
KW  - climate physics
KW  - temperature variability
KW  - temperature proxy
KW  - proxy understanding
KW  - proxy uncertainty
KW  - stable isotopes
KW  - isotope variations
KW  - ice core
KW  - firn
KW  - noise
KW  - post-depositional
KW  - two-dimensional
KW  - Antarctica
KW  - Dronning Maud Land
KW  - Kohnen
KW  - Klimaphysik
KW  - Klimavariabilität
KW  - Temperaturproxy
KW  - Proxyverständnis
KW  - Proxyunsicherheit
KW  - stabile Isotope
KW  - Eisbohrkern
KW  - Antarktis
KW  - Dronning Maud Land
KW  - Kohnen
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414963
ER  - 
TY  - THES
A1  - Castino, Fabiana
T1  - Climate variability and extreme hydro-meteorological events in the Southern Central Andes, NW Argentina
T1  - Klimavariabilität und extreme hydro-meteorologische Ereignisse in den südlichen Zentralanden, NW Argentinien
N2  - Extreme hydro-meteorological events, such as severe droughts or heavy rainstorms, constitute primary manifestations of climate variability and exert a critical impact on the natural environment and human society. This is particularly true for high-mountain areas, such as the eastern flank of the southern Central Andes of NW Argentina, a region impacted by deep convection processes that form the basis of extreme events, often resulting in floods, a variety of mass movements, and hillslope processes. This region is characterized by pronounced E-W gradients in topography, precipitation, and vegetation cover, spanning low to medium-elevation, humid and densely vegetated areas to high-elevation, arid and sparsely vegetated environments. This strong E-W gradient is mirrored by differences in the efficiency of surface processes, which mobilize and transport large amounts of sediment through the fluvial system, from the steep hillslopes to the intermontane basins and further to the foreland. In a highly sensitive high-mountain environment like this, even small changes in the spatiotemporal distribution, magnitude and rates of extreme events may strongly impact environmental conditions, anthropogenic activity, and the well-being of mountain communities and beyond. However, although the NW Argentine Andes comprise the catchments for the La Plata river that traverses one of the most populated and economically relevant areas of South America, there are only few detailed investigations of climate variability and extreme hydro-meteorological events. 
In this thesis, I focus on deciphering the spatiotemporal variability of rainfall and river discharge, with particular emphasis on extreme hydro-meteorological events in the subtropical southern Central Andes of NW Argentina during the past seven decades. I employ various methods to assess and quantify statistically significant trend patterns of rainfall and river discharge, integrating high-quality daily time series from gauging stations (40 rainfall and 8 river discharge stations) with gridded datasets (CPC-uni and TRMM 3B42 V7), for the period between 1940 and 2015. Evidence for a general intensification of the hydrological cycle at intermediate elevations (~ 0.5 – 3 km asl) at the eastern flank of the southern Central Andes is found both from rainfall and river-discharge time-series analysis during the period from 1940 to 2015. This intensification is associated with the increase of the annual total amount of rainfall and the mean annual discharge. However, most pronounced trends are found at high percentiles, i.e. extreme hydro-meteorological events, particularly during the wet season from December to February.An important outcome of my studies is the recognition of a rapid increase in the amount of river discharge during the period between 1971 and 1977, most likely linked to the 1976-77 global climate shift, which is associated with the North Pacific Ocean sea surface temperature variability. Interestingly, after this rapid increase, both rainfall and river discharge decreased at low and intermediate elevations along the eastern flank of the Andes. In contrast, during the same time interval, at high elevations, extensive areas on the arid Puna de Atacama plateau have recorded increasing annual rainfall totals. This has been associated with more intense extreme hydro-meteorological events from 1979 to 2014. This part of the study reveals that low-, intermediate, and high-elevation sectors in the Andes of NW Argentina respond differently to changing climate conditions. 
Possible forcing mechanisms of the pronounced hydro-meteorological variability observed in the study area are also investigated. For the period between 1940 and 2015, I analyzed modes of oscillation of river discharge from small to medium drainage basins (102 to 104 km2), located on the eastern flank of the orogen. First, I decomposed the relevant monthly time series using the Hilbert-Huang Transform, which is particularly appropriate for non-stationary time series that result from non-linear natural processes. I observed that in the study region discharge variability can be described by five quasi-periodic oscillatory modes on timescales varying from 1 to ~20 years. Secondly, I tested the link between river-discharge variations and large-scale climate modes of variability, using different climate indices, such as the BEST ENSO (Bivariate El Niño-Southern Oscillation Time-series) index. This analysis reveals that, although most of the variance on the annual timescale is associated with the South American Monsoon System, a relatively large part of river-discharge variability is linked to Pacific Ocean variability (PDO phases) at multi-decadal timescales (~20 years). To a lesser degree, river discharge variability is also linked to the Tropical South Atlantic (TSA) sea surface temperature anomaly at multi-annual timescales (~2-5 years). 
Taken together, these findings exemplify the high degree of sensitivity of high-mountain environments with respect to climatic variability and change. This is particularly true for the topographic transitions between the humid, low-moderate elevations and the semi-arid to arid highlands of the southern Central Andes. Even subtle changes in the hydro-meteorological regime of these areas of the mountain belt react with major impacts on erosional hillslope processes and generate mass movements that fundamentally impact the transport capacity of mountain streams. Despite more severe storms in these areas, the fluvial system is characterized by pronounced variability of the stream power on different timescales, leading to cycles of sediment aggradation, the loss of agriculturally used land and severe impacts on infrastructure.
N2  - Extreme hydro-meteorologische Ereignisse, wie langanhaltende Dürren oder Starkregen, gelten als Haupterscheinungsform der Klimavariabilität und haben einen entscheidenden Einfluss auf Umwelt und Gesellschaft. Dies gilt im Besonderen für die großen Gebirgsregionen dieser Erde. In einer extrem sensiblen Hochgebirgsregion wie den NW argentinischen Anden haben selbst geringe Veränderungen in der Intensität solcher Extremereignisse, sowie deren Häufigkeit und räumliche Verteilung, nicht nur einen großen Einfluss auf die Landschaftsentwicklung; flussabwärtsliegende Gemeinden sind zudem wirtschaftlich als auch humanitär einem hohen Risiko ausgesetzt. Die vorliegende Arbeit befasst sich im Wesentlichen mit der räumlich-zeitlichen Verteilung von Niederschlags- und Abflussmengen über den Zeitraum der letzten sieben Jahrzente, mit besonderem Fokus auf extreme hydro-meteorologische Ereignisse der subtropischen Zentralanden NW-Argentiniens. Um räumliche und zeitliche statistisch signifikante Trends der Niederschlags- und Abflussmengen bestimmen und quantifizieren zu können, finden in dieser Arbeit verschiedene Methoden Anwendung, in denen hochaufgelöste Zeitreihen von Niederschlags- und Abflussmengenstationen mit diversen Rasterdatensätzen von 1940 bis 2015 kombiniert werden. Über den betrachteten Zeitraum hinweg lässt sich eine allgemeine Intensivierung des hydrologischen Kreislaufes auf mittleren Höhen (500 - 3.000 m ü. NN) belegen. Diese Intensivierung steht einerseits im Zusammenhang mit dem Ansteigen von Extremwetterereignissen, besonders während der Regenzeit von Dezember bis Februar. Der beobachtete Anstieg in der Intensität dieser Wetterlagen deutet auf einen Zusammenhang der schweren Regenstürme und der Verlandung der Abflussbecken in der untersuchten, intermontanen Region hin. Ein rapider Anstieg in der Abflussmenge in Flüssen um bis zu 40% ist für den Zeitraum zwischen 1971 und 1977 dokumentiert. Dieser steht höchstwahrscheinlich mit der globalen Klimaverschiebung von 1976-77 in Zusammenhang, welche wiederum durch die Variabilität der Oberflächentemperatur des Pazifischen Ozeans beeinflusst wird. Nach diesem starken Anstieg können jedoch abnehmende Trends in Niederschlags- wie auch Abflussmengen auf niedrigen und mittleren Höhen der Ostflanken der Anden beobachtet werden. Im Gegensatz dazu belegen ein Anstieg der jährlichen Gesamtniederschlagsmenge sowie der Magnitude von extremen hydro-meterologischen Ereignissen in hohen Höhenlagen der trockenen Puna de Atacama Plateaus, dass niedrige, mittlere und hohe Sektoren der NW argentinischen Anden unterschiedlich auf Änderungen des Klimas reagieren. Schlussendlich kann die in der Region beobachtete, stark ausgeprägte Variabilität in der Hydro-meteorologie über jährliche Zeiträume zum größten Teil mit dem Südamerikanischen Monsunsystem erklärt werden. Jedoch sind große Anteile in der Variabilität der Abflussmenge auch stark an die Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO) in Zeiträumen über mehrereJahrzehnte (~20 Jahre) gekoppelt und zu einem geringeren Anteil auch an die Meeresoberflächentemperatur-Anomalie des tropischen Südatlantiks (TSA) über mehrjährige Zeiträume hinweg (~2-5 Jahre). Interessanterweise wurden nur weniger stark ausgeprägte Zusammenhänge zwischen der Abflussvariabilität und El Niño-Southern Oscillation in unserem Untersuchungsgebiet gefunden.
KW  - climate variability
KW  - extreme hydrometeorological events
KW  - Central Andes
KW  - Klimavariabilität
KW  - extreme hydro-meteorologische Ereignisse
KW  - Zentralanden
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396815
ER  -