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Anthropogenic activities have led to a global decline in biodiversity, and monitoring studies indicate that both insect communities and wetland ecosystems are particularly affected. However, there is a need for long-term data (over centennial or millennial timescales) to better understand natural community dynamics and the processes that govern the observed trends. Chironomids (Insecta: Diptera: Chironomidae) are often the most abundant insects in lake ecosystems, sensitive to environmental change, and, because their larval exoskeleton head capsules preserve well in lake sediments, they provide a unique record of insect community dynamics through time. Here, we provide the results of a metadata analysis of chironomid diversity across a range of spatial and temporal scales. First, we analyse spatial trends in chironomid diversity using Northern Hemispheric data sets overall consisting of 837 lakes. Our results indicate that in most of our data sets, summer temperature (T-jul) is strongly associated with spatial trends in modern-day chironomid diversity. We observe a strong increase in chironomid alpha diversity with increasing T-jul in regions with present-day T-jul between 2.5 and 14 degrees C. In some areas with T-jul > 14 degrees C, chironomid diversity stabilizes or declines. Second, we demonstrate that the direction and amplitude of change in alpha diversity in a compilation of subfossil chironomid records spanning the last glacial-interglacial transition (similar to 15,000-11,000 years ago) are similar to those observed in our modern data. A compilation of Holocene records shows that during phases when the amplitude of temperature change was small, site-specific factors had a greater influence on the chironomid fauna obscuring the chironomid diversity-temperature relationship. Our results imply expected overall chironomid diversity increases in colder regions such as the Arctic under sustained global warming, but with complex and not necessarily predictable responses for individual sites.
Der Klimawandel
(2020)
Permafrost is warming in the northern high latitudes, inducing highly dynamic thaw-related permafrost disturbances across the terrestrial Arctic. Monitoring and tracking of permafrost disturbances is important as they impact surrounding landscapes, ecosystems and infrastructure. Remote sensing provides the means to detect, map, and quantify these changes homogeneously across large regions and time scales. Existing Landsat-based algorithms assess different types of disturbances with similar spatiotemporal requirements. However, Landsat-based analyses are restricted in northern high latitudes due to the long repeat interval and frequent clouds, in particular at Arctic coastal sites. We therefore propose to combine Landsat and Sentinel-2 data for enhanced data coverage and present a combined annual mosaic workflow, expanding currently available algorithms, such as LandTrendr, to achieve more reliable time series analysis. We exemplary test the workflow for twelve sites across the northern high latitudes in Siberia. We assessed the number of images and cloud-free pixels, the spatial mosaic coverage and the mosaic quality with spectral comparisons. The number of available images increased steadily from 1999 to 2019 but especially from 2016 onward with the addition of Sentinel-2 images. Consequently, we have an increased number of cloud-free pixels even under challenging environmental conditions, which then serve as the input to the mosaicking process. In a comparison of annual mosaics, the Landsat+Sentinel-2 mosaics always fully covered the study areas (99.9–100 %), while Landsat-only mosaics contained data-gaps in the same years, only reaching coverage percentages of 27.2 %, 58.1 %, and 69.7 % for Sobo Sise, East Taymyr, and Kurungnakh in 2017, respectively. The spectral comparison of Landsat image, Sentinel-2 image, and Landsat+Sentinel-2 mosaic showed high correlation between the input images and mosaic bands (e.g., for Kurungnakh 0.91–0.97 between Landsat and Landsat+Sentinel-2 mosaic and 0.92–0.98 between Sentinel-2 and Landsat+Sentinel-2 mosaic) across all twelve study sites, testifying good quality mosaic results. Our results show that especially the results for northern, coastal areas was substantially improved with the Landsat+Sentinel-2 mosaics. By combining Landsat and Sentinel-2 data we accomplished to create reliably high spatial resolution input mosaics for time series analyses. Our approach allows to apply a high temporal continuous time series analysis to northern high latitude permafrost regions for the first time, overcoming substantial data gaps, and assess permafrost disturbance dynamics on an annual scale across large regions with algorithms such as LandTrendr by deriving the location, timing and progression of permafrost thaw disturbances
Der zentralasiatische Naturraum, wie er sich uns heute präsentiert, ist das Ergebnis eines Zusammenwirkens vieler verschiedener Faktoren über Jahrmillionen hinweg. Im aktuellen Kontext des Klimawandels zeigt sich jedoch, wie stark sich Stoffflüsse auch kurzfristig ändern und dabei das Gesicht der Landschaft verwandeln können. Die Gobi-Wüste in der Inneren Mongolei (China), als Teil der gleichnamigen Trockenregionen Nordwestchinas, ist aufgrund der Ausgestaltung ihrer landschaftsprägenden Elemente sowie ihrer Landschaftsdynamik, im Zusammenhang mit der Lage zum Tibet-Plateau, in den Fokus der klimageschichtlichen Grundlagenforschung gerückt. Als großes Langzeitarchiv unterschiedlichster fluvialer, lakustriner und äolischer Sedimente stellt sie eine bedeutende Lokalität zur Rekonstruktion von lokalen und regionalen Stoffflüssen dar.. Andererseits ist die Gobi-Wüste zugleich auch eine bedeutende Quelle für den überregionalen Staubtransport, da sie aufgrund der klimatischen Bedingungen insbesondere der Erosion durch Ausblasung preisgegeben wird. Vor diesem Hintergrund erfolgten zwischen 2011 und 2014, im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms WTZ Zentralasien – Monsundynamik & Geoökosysteme (Förderkennzeichen 03G0814), mehrere deutsch-chinesische Expeditionen in das Ejina-Becken (Innere Mongolei) und das Qilian Shan-Vorland. Im Zuge dieser Expeditionen wurden für eine Bestimmung potenzieller Sedimentquellen erstmals zahlreiche Oberflächenproben aus dem gesamten Einzugsgebiet des Heihe (schwarzer Fluss) gesammelt. Zudem wurden mit zwei Bohrungen im inneren des Ejina-Beckens, ergänzende Sedimentbohrkerne zum bestehenden Bohrkern D100 (siehe Wünnemann (2005)) abgeteuft, um weit reichende, ergänzende Informationen zur Landschaftsgeschichte und zum überregionalen Sedimenttransfer zu erhalten. Gegenstand und Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die sedimentologisch-mineralogische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes in Bezug auf potenzielle Sedimentquellen und Stoffflüsse des Ejina-Beckens sowie die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte eines dort erbohrten, 19m langen Sedimentbohrkerns (GN100). Schwerpunkt ist hierbei die Klärung der Sedimentherkunft innerhalb des Bohrkerns sowie die Ausweisung von Herkunftssignalen und möglichen Sedimentquellen bzw. Sedimenttransportpfaden. Die methodische Herangehensweise basiert auf einem Multi-Proxy-Ansatz zur Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies anhand von Geländebeobachtungen, lithologisch-granulometrischen und mineralogisch-geochemischen Analysen sowie statistischen Verfahren. Für die mineralogischen Untersuchungen der Sedimente wurde eine neue, rasterelektronenmikroskopische Methode zur automatisierten Partikelanalyse genutzt und den traditionellen Methoden gegenübergestellt. Die synoptische Betrachtung der granulometrischen, geochemischen und mineralogischen Befunde der Oberflächensedimente ergibt für das Untersuchungsgebiet ein logisches Kaskadenmodell mit immer wiederkehrenden Prozessbereichen und ähnlichen Prozesssignalen. Die umfangreichen granulometrischen Analysen deuten dabei auf abnehmende Korngrößen mit zunehmender Entfernung vom Qilian Shan hin und ermöglichen die Identifizierung von vier texturellen Signalen: den fluvialen Sanden, den Dünensanden, den Stillwassersedimenten und Stäuben. Diese Ergebnisse können als Interpretationsgrundlage für die Korngrößenanalysen des Bohrkerns genutzt werden. Somit ist es möglich, die Ablagerungsgeschichte der Bohrkernsedimente zu rekonstruieren und in Verbindung mit eigenen und literaturbasierten Datierungen in einen Gesamtkontext einzuhängen. Für das Untersuchungsgebiet werden somit vier Ablagerungsphasen ausgewiesen, die bis in die Zeit des letzten glazialen Maximums (LGM) zurückreichen. Während dieser Ablagerungsphasen kam es im Zuge unterschiedlicher Aktivitäts- und Stabilitätsphasen zu einer kontinuierlichen Progradation und Überprägung des Schwemmfächers. Eine besonders aktive Phase kann zwischen 8 ka und 4 ka BP festgestellt werden, während der es aufgrund zunehmender fluvialer Aktivitäten zu einer deutlich verstärkten Schwemmfächerdynamik gekommen zu sein scheint. In den Abschnitten davor und danach waren es vor allem äolische Prozesse, die zu einer Überprägung des Schwemmfächers geführt haben. Hinsichtlich der mineralogischen Herkunftssignale gibt es eine große Variabilität. Dies spiegelt die enorme Heterogenität der Geologie des Untersuchungsgebietes wider, wodurch die räumlichen Signale nicht sehr stark ausgeprägt sind. Dennoch, können für das Einzugsgebiet drei größere Bereiche deklariert werden, die als Herkunftsgebiet in Frage kommen. Das östliche Qilian Shan Vorland zeichnet sich dabei durch deutlich höhere Chloritgehalte als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken aus. Sie unterscheiden sich insbesondere durch stark divergierende Chloritgehalte in der Tonmineral- und Gesamtmineralfraktion, was das östliche Qilian Shan Vorland als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken auszeichnet. Dies steht in Zusammenhang mit den Grünschiefern, Ophioliten und Serpentiniten in diesem Bereich. Geochemisch deutet vor allem das Cr/Rb-Verhältnis eine große Variabilität innerhalb des Einzugsgebietes an. Auch hier ist es das östliche Vorland, welches aufgrund seines hohen Anteils an mafischen Gesteinen reich an Chromiten und Spinellen ist und sich somit vom restlichen Untersuchungsgebiet abhebt. Die zeitliche aber auch die generelle Variabilität der Sedimentherkunft lässt sich in den Bohrkernsedimenten nicht so deutlich nachzeichnen. Die mineralogisch-sedimentologischen Eigenschaften der erbohrten klastischen Sedimente zeugen zwar von zwischenzeitlichen Änderungen bei der Sedimentherkunft, diese sind jedoch nicht so deutlich ausgeprägt, wie es die Quellsignale in den Oberflächensedimenten vermuten lassen. Ein Grund dafür scheint die starke Vermischung unterschiedlichster Sedimente während des Transportes zu sein. Die Kombination der Korngrößenergebnisse mit den Befunden der Gesamt- und Schwermineralogie deuten darauf hin, dass es zwischenzeitlich eine Phase mit überwiegend äolischen Prozessen gegeben hat, die mit einem Sedimenteintrag aus dem westlichen Bei Shan in Verbindung stehen. Neben der Zunahme ultrastabiler Schwerminerale wie Zirkon und Granat und der Abnahme opaker Schwerminerale, weisen vor allem die heutigen Verhältnisse darauf hin. Der Vergleich der traditionellen Schwermineralanalyse mit der Computer-Controlled-Scanning-Electron-Microscopy (kurz: CCSEM), die eine automatisierte Partikelauswertung der Proben ermöglicht, zeigt den deutlichen Vorteil der modernen Analysemethode. Neben einem zeitlichen Vorteil, den man durch die automatisierte Abarbeitung der vorbereiteten Proben erlangen kann, steht vor allem die deutlich größere statistische Signifikanz des Ergebnisses im Vordergrund. Zudem können mit dieser Methode auch chemische Varietäten einiger Schwerminerale bestimmt werden, die eine noch feinere Klassifizierung und sicherere Aussagen zu einer möglichen Sedimentherkunft ermöglichen. Damit ergeben sich außerdem verbesserte Aussagen zu Zusammensetzungen und Entstehungsprozessen der abgelagerten Sedimente. Die Studie verdeutlicht, dass die Sedimentherkunft innerhalb des Untersuchungsgebietes sowie die ablaufenden Prozesse zum Teil stark von lokalen Gegebenheiten abhängen. Die Heterogenität der Geologie und die Größe des Einzugsgebietes sowie die daraus resultierende Komplexität der Sedimentgenese, machen exakte Zuordnungen zu klar definierten Sedimentquellen sehr schwer. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Sedimentzufuhr in das Ejina-Becken in erster Linie durch fluviale klastische Sedimente des Heihe aus dem Qilian Shan erfolgt sein muss. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch ebenso die Notwendigkeit einer ergänzenden Bearbeitung angrenzender Untersuchungsgebiete, wie beispielsweise den Gobi-Altai im Norden oder den Beishan im Westen, sowie die Verdichtung der Oberflächenbeprobung zur feineren Auflösung von lokalen Sedimentquellen.
Temporal variation of natural light sources such as airglow limits the ability of night light sensors to detect changes in small sources of artificial light (such as villages). This study presents a method for correcting for this effect globally, using the satellite radiance detected from regions without artificial light emissions. We developed a routine to define an approximate grid of locations worldwide that do not have regular light emission. We apply this method with a 5 degree equally spaced global grid (total of 2016 individual locations), using data from the Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) Day-Night Band (DNB). This code could easily be adapted for other future global sensors. The correction reduces the standard deviation of data in the Earth Observation Group monthly DNB composites by almost a factor of two. The code and datasets presented here are available under an open license by GFZ Data Services, and are implemented in the Radiance Light Trends web application.
Millennial-scale palaeoclimate variability has been documented in various terrestrial and marine palaeoclimate proxy records throughout the Northern Hemisphere for the last glacial cycle. Its clear expression and rapid shifts between different states of climate (Greenland Interstadials and Stadials) represents a correlation tool beyond the resolution of e.g. luminescence dating, especially relevant for terrestrial deposits. Usually, comparison of terrestrial proxy datasets and the Greenland ice cores indicates a complex expression of millennial-scale climate variability as recorded in terrestrial geoarchives including loess. Loess is the most widespread terrestrial geoarchive of the Quaternary and especially widespread over Eurasia. However, loess often records a smoothed representation of millennial-scale variability without all fidelity when compared to the Greenland data, this being a relevant limiting feature in integrating loess with other palaeoclimate records. To better understand the loess proxy-response to millennial-scale climate variability, we simulate a proxy signal smoothing by natural processes through application of low-pass filters of delta O-18 data from Greenland, a high-resolution palaeoclimate reference record, alongside speleothem isotope records from the Black Sea-Mediterranean region. We show that low-pass filters represent rather simple models for better constraining the expression of millennial-scale climate variability in low sedimentation environments, and in sediments where proxy-response signals are most likely affected by natural smoothing (by e.g. bioturbation). Interestingly, smoothed datasets from Greenland and the Black Sea-Mediterranean region are most similar in the last similar to 15 ka and between similar to 50-30 ka. Between similar to 30-15 ka, roughly corresponding to the Last Glacial Maximum and the deglaciation, the records show dissimilarities, challenging the construction of robust correlative time-scales in this age range. From our analysis it becomes apparent that patterns of palaeoclimate signals in loess-palaeosol sequences often might be better explained by smoothed Greenland reference data than the original high-resolution Greenland dataset, or other reference data. This opens the possibility to better assess the temporal resolution and palaeoclimate potential of loess-palaeosol sequences in recording supra-regional climate patterns, as well as to securely integrate loess with other chronologically better-resolved palaeoclimate records.
Observations of rift and rifted margin architecture suggest that significant spatial and temporal structural heterogeneity develops during the multiphase evolution of continental rifting. Inheritance is often invoked to explain this heterogeneity, such as preexisting anisotropies in rock composition, rheology, and deformation. Here, we use high-resolution 3-D thermal-mechanical numerical models of continental extension to demonstrate that rift-parallel heterogeneity may develop solely through fault network evolution during the transition from distributed to localized deformation. In our models, the initial phase of distributed normal faulting is seeded through randomized initial strength perturbations in an otherwise laterally homogeneous lithosphere extending at a constant rate. Continued extension localizes deformation onto lithosphere-scale faults, which are laterally offset by tens of km and discontinuous along-strike. These results demonstrate that rift- and margin-parallel heterogeneity of large-scale fault patterns may in-part be a natural byproduct of fault network coalescence.
The Coulomb failure stress (CFS) criterion is the most commonly used method for predicting spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, large uncertainties are always associated with the calculation of Coulomb stress change. The uncertainties mainly arise due to nonunique slip inversions and unknown receiver faults; especially for the latter, results are highly dependent on the choice of the assumed receiver mechanism. Based on binary tests (aftershocks yes/no), recent studies suggest that alternative stress quantities, a distance-slip probabilistic model as well as deep neural network (DNN) approaches, all are superior to CFS with predefined receiver mechanism. To challenge this conclusion, which might have large implications, we use 289 slip inversions from SRCMOD database to calculate more realistic CFS values for a layered half-space and variable receiver mechanisms. We also analyze the effect of the magnitude cutoff, grid size variation, and aftershock duration to verify the use of receiver operating characteristic (ROC) analysis for the ranking of stress metrics. The observations suggest that introducing a layered half-space does not improve the stress maps and ROC curves. However, results significantly improve for larger aftershocks and shorter time periods but without changing the ranking. We also go beyond binary testing and apply alternative statistics to test the ability to estimate aftershock numbers, which confirm that simple stress metrics perform better than the classic Coulomb failure stress calculations and are also better than the distance-slip probabilistic model.
Una extraordinaria edición actualizada de Observaciones sobre el clima de Lima y sus influencias en los seres organizados, en especial el hombre de José Hipólito Unanue y Pavón ha sido publicado en el 2018 y merece ser anunciado a la comunidad académica peruana e internacional. Este libro incluye un exhaustivo estudio in troductorio del destacado historiador Lizardo Seiner Lizárraga. Esta introducción está conformada de tres partes encabezadas por los siguientes títulos: a) Unanue: una historiografía de amplio espectro b) Textos, registros y referencias: una indagación en la biblioteca de Unanue y c) Observaciones sobre el clima de Lima: una obra en dos tiempos.