Forschung
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Aus der Vergangenheit lernen (Foto: Ina Frings)

Rekonstruktion des regionalen Klimas der Vergangenheit auf langen Zeitskalen

Der jüngste Klimawandel ist eingebettet in den Hintergrund natürlicher Klima- und Umweltveränderungen. Um den rein menschlich verursachten Klimawandel zu verstehen, ist ein profundes Verständnis vergangener Umweltveränderungen und deren Gründe notwendig. Instrumentelle Aufzeichnungen sind allerdings zu kurz, um die volle Spannbreite dieser Veränderungen zu enthalten. Zusammen mit langen Klimasimulationen und der Analyse direkter Archive ist unser Ziel, natürliche Klima- und Umweltmuster in der Vergangenheit zu rekonstruieren, um deren Einfluss für die kommenden Dekaden abzuschätzen. Diese Arbeiten haben zu einer Reihe von Publikationen in renommierten wissenschaftlichen Zeitschriften geführt.

Diese Umwelt- und Klimaarchive umfassen biophysikalische Systeme wie z.B. Baumringe, Seesedimente, Tropfsteine und Korallen, aber auch historische und administrative Aufzeichnungen vergangener Jahrhunderte. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, das eigentliche Klimasignal aus diesen Archiven zu extrahieren und das nicht klima-getriebene Rauschen zu eliminieren, da nicht alle Schwankungen in den Aufzeichnungen direkt mit Klima- und Umweltschwankungen zusammenhängen.

Dies verlangt nach ausgereiften und innovativen statistischen Methoden, welche die gesamte Information in den Archiven nutzen. Zusätzlich werden natürliche Archive mit Modellsimulationen verschnitten, um ein konsistentes Bild vergangener Klima- und Umweltbedingungen zu rekonstruieren.

HZG hat hierbei statistische Methoden entwickelt und getestet, um verschiedene Klimacharakeristika von Teilen oder des gesamten letzten Jahrtausends zu rekonstruieren. Diese Rekonstruktionen basieren auf natürlichen Archiven und langen instrumentellen Aufzeichnungen bestimmter meteorologischer Variablen.

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Fig. 1 Darstellung eines Proxy Netzwerks verschiedener Kategorien, welche in unserer Forschung für hydrologische und ozeanische Rekonstruktionen verwendet werden. Ebenfalls enthalten ein neu entwickelter äolischer Proxy für die Ostseeküste von Ludwig et al., 2017 und Bierstedt et al., 2017.

Die Atlantische Multidekadische Variabilität (AMV), eine multidekadische Schwankung der Meeresoberflächentemperatur im Nordatlantik, konnte für die vergangenen 1200 Jahre rekonstruiert werden. Die Rekonstruktion basiert auf der Annahme, dass die AMV ihren Fußabdruck in den bodennahen Temperaturen des Nordatlantiks und Europas hinterlässt (Wang et al., 2017). Die verwendete Methode ist eine multivariate Regression, welche den AMV Index mit landbasierten Prädiktoren verknüpft. Die Methode wurde zusätzlich im Kontext von Pseudo Proxy Experimenten in der virtuellen Welt eines Ensembles von Klimasimulationen für das letzte Jahrtausend getestet. Die entsprechenden Resultate zeigen eine akzeptable Güte auf.

Die Rekonstruktion nordatlantischer Meeresoberflächentemperaturen (Pyrina et al., 2017a) basiert auf den Archiven von Wachstumsringen der Muschel Arctica Islandica – eine sehr langlebige zweischalige Muschel. Die Archive erstrecken sich auf einige wenige Fundstellen im östlichen Nordatlantik. Die statistische Methode beinhaltet eine Variante der Hauptkomponentenanalyse kombiniert mit Regressionsansätzen. Diese Methode wurde ebenfalls erfolgreich im Kontext von Pseudo-Proxy Experimenten in einer Reihe von Ensemble Klimasimulationen getestet. Mit Hilfe dieser Tests sind wir nun in der Lage, mit einer gewissen Güte weite Bereiche des Nordatlantiks zu rekonstruieren. Die tropischen Gebiete konnten durch diese Methode allerdings aufgrund des Fehlens entsprechender Fundorte von Arctica Islandica nicht rekonstruiert werden.

Eine global aufgelöste Temperaturrekonstruktion wurde aus landbasierten Archiven abgeleitet, welche im Kontext der PAGES2k Initiative erstellt wurde, an welcher HZG aktiv beteiligt war (Gómez-Navarro et al., 2017). Hierbei wurde die Analog Methode auf ein Ensemble an Klimasimulationen für das letzte Jahrtausend angewendet – in diesem Zusammenhang wird die Analog Methode als eine off-line Datenassimilationsmethode angewendet, wie sie am HZG entwickelt wurde.

Schließlich wurde die Klimaentwicklung in Nordeuropa auf einer räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Skala rekonstruiert. Die Rekonstruktion umfasst die vergangenen 150 Jahre basierend auf langen instrumentellen Reihen von Bodenluftdruck und Temperatur (Schenk 2015). Diese Rekonstruktion kann als Antrieb für Ökosystemmodelle der Ostsee verwendet werden. Die Rekonstruktion basiert ebenfalls auf der Analog Methode unter Verwendung von instrumentellen Reihen mit hoch aufgelösten Regionalsimulationen. Die Strategie wird auch zukünftig angewendet werden – eine Erweiterung und Ausdehnung über die letzten 400 Jahre wird durch die Verwendung von natürlichen Archiven und historischer Information angestrebt. Die erweiterte Version wird auch die sog. Kleine Eiszeit umfassen, ein Klimaregime das sich deutlich vom heutigen unterscheidet und ein Spiegelbild zur erwartenden Erwärmung der nächsten Dekaden darstellt.

Eine allgemeine Schlussfolgerung dieser Studien ist, dass Klimamodelle dazu tendieren, ein Klima zu simulieren, welches räumlich zu homogen sowie zu sensitiv auf Änderungen der äußeren Antriebsfaktoren wie z.B. Vulkanausbrüche reagiert. Auf der anderen Seite sind die internen Schwankungen (welche nicht in Zusammenhang mit den äußeren Antrieben stehen) zu gering im Vergleich zu den Rekonstruktionen (Wang et al., 2017).

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Fig. 2 Die jährlich aufgelöste AMV Rekonstruktion (Wang et al. 2017)

In bestimmten Fällen stimmen Klimarekonstruktionen und Modellsimulationen hinreichend überein, z.B. hinsichtlich der langfristigen Zusammenhänge zwischen räumlich weit entfernten Regionen, welche durch die stehenden atmosphärischen planetaren Wellen (sog. Rossby Waves) vermittelt werden. Dies ist ein wichtiges Beispiel, welches die Bedeutung des Verständnisses der Mechanismen erklärt, welche hinter der Antiken Kleinen Eiszeit stehen – einer großskaligen Klimaanomalie während des ersten Jahrtausends. Hier konnte durch den Mechanismus der stehenden planetaren Wellen ein Zusammenhang zwischen Zentralasien und Europa hergestellt werden (Büntgen et al., 2016).

Die Häufigkeitsverteilung dieser rekonstruierten Extreme (oder bedeutender Perioden) könnte eine bestimme Relevanz für vergangene Gesellschaftssysteme (Lemmen and Wirtz 2014) sowie für Rückkopplungen des durch die Landnutzung angetriebenen Kohlenstoffhaushalts aufzeigen (Ruddiman et al., 2016).

Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Niederschlag sowie deren Relevanz für Klimaauswirkungen ist ein entscheidender Aspekt von Klimaschwankungen und zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels. Im Unterschied zu zukünftigen Klimasimulationen, welche eine allgemeine Verstärkung der hydrologischen Gradienten aufzeigen, weisen hydroklimatische Rekonstruktionen für das letzte Jahrtausend weder auf einen starken Zusammenhang zu vergangenen regionalen Temperaturen (Ljungqvist et al., 2016) noch zu einer Verstärkung hydrologischer Extreme während des 20. Jahrhunderts hin.

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Fig. 3 Abgeleitete hydrologische Anomalien im Vergleich zum Mittel des letzten Jahrtausends. Obere Abb.: Originalwerte aus Proxydaten. Untere Abb.: Originaldaten aus Klimasimulationen (aus Ljungqvist et al., 2016)

Der europäische Sommerniederschlag wird primär durch die Position der Zugbahnen nordatlantischer Stürme gesteuert. In diesem Kontext scheint die Position unabhängig zu Veränderungen von äußeren Antrieben zu sein, z.B. Vulkanausbrüche und Schwankungen der Sonnenaktivität (Gagen et al., 2016).

Diese Resultate ermutigten uns, weitere und detailliertere Analysen von den Zusammenhängen zwischen Windextremen und dem mittleren Klimazustand über Nordwesteuropa durchzuführen. In einer Reihe von globalen und regionalen Modellen steht diese Häufigkeitsverteilung weder besonders stark im Zusammenhang zur mittleren regionalen Temperatur noch zu bedeutenden atmosphärischen Klimamustern wie der nordatlantischen Oszillation (Bierstedt et al., 2016). Für Windextreme sind verschiedene Parametrisierungen von Prozessen sowie der Dynamik der atmosphärischen Grenzschicht, inklusive historischer Entwaldungsprozesse bedeutsamer, mit deutlichen Auswirkungen auf die anzunehmende Entwicklung zukünftiger Extreme.

Literaturnachweis:

Bierstedt, S. E., Hünicke, B., Zorita, E., and Ludwig, J. (2017): A wind proxy based on migrating dunes at the Baltic Coast: statistical analysis of the link between wind conditions and sand movement. Earth System Dynamics, 8, 639-652, doi:10.5194/esd-8-639-2017

Bierstedt, S.E., Hünicke, B., Zorita, E., Wagner, S. and Gomez-Navarro, J.J. (2016): Variability of daily winter wind speed distribution over Northern Europe during the past millennium in regional and global climate simulations. Climate of the Past 12, 317-338, doi:10.5194/cp-12-317-2016

Büntgen, U., Myglan, V.S., Ljungqvist, F.C., McCormick, M., Di Cosmo, N., Sigl, M., Jungclaus, J., Wagner, S., Krusic, P.J., Esper, J., Kaplan, J.O., de Vaan, M.A.C., Luterbacher, J., Wacker, L., Tegel, W., Kirdyanov, A.V. (2016): Cooling and societal change during the Late Antique Little Ice Age from 536 to around 660 AD. Nature Geoscience 9, 231–236, doi:10.1038/ngeo2652

Gagen, M. H.; Zorita, E.; McCarroll, D.; Zahn, M.; Young, G. H. F.; Robertson, I. (2016): North Atlantic summer storm tracks over Europe dominated by internal variability over the past millennium. In: Nature Geosciences 9 (8), S. 630–635. doi:10.1038/ngeo2752

Gómez-Navarro, J.J., Zorita, E., Raible, C. and Neukom, R. (2017): Pseudo-proxy tests of the analogue method to reconstruct spatially resolved global temperature during the Common Era. Climate of the Past 13, 629-648, doi:10.5194/cp-13-629-2017

Lemmen, C., and Wirtz, K.W. (2014): On the sensitivity of the simulated European Neolithic transition to climate extremes, Journal of Archaeological Science 51, 65–72, doi:10.1016/j.jas.2012.10.023

Ljungqvist, F. C., P. J. Krusic, H. S. Sundqvist, E. Zorita, G. Brattstrom, and D. Frank (2016): Northern Hemisphere hydroclimate variability over the past twelve centuries, Nature 532(7597), 94–98, doi:10.1038/nature17418

Ludwig, J. , Lindhorst. S., Betzler C., Bierstedt, S., Borówka, R. (2017): Sedimentary rhythms in coastal dunes as a record of intra-annual changes in wind climate. Aeolian Research 27: 67-77, doi:10.1016/j.aeolia.2017.06.003

Pyrina, M., Wagner, S., and Zorita, E. (2017): Pseudo-proxy evaluation of climate field reconstruction methods of North Atlantic climate based on an annually resolved marine proxy network, Climate of the past 13, 1339-1354, doi:10.5194/cp-13-1339-2017

Ruddiman, W. F., D. Q. Fuller, J. E. Kutzbach, P. C. Tzedakis, J. O. Kaplan, E. C. Ellis, S. J. Vavrus, C. N. Roberts, R. Fyfe, F. He, C. Lemmen, and J. Woodbridge (2016): Late Holocene climate, Natural or anthropogenic?, Rev. Geophys. 54 (1), 93–118, doi:10.1002/2015RG000503

Schenk, F. (2015): The analog -method as statistical upscaling tool for meteorological field reconstructions over Northern Europe since 1850. Dissertation, University of Hamburg.

Wang, J., Yang, B., Ljungqvist, F.C., Luterbacher, J., Osborn, T.J., Briffa, K.R., and Zorita, E. (2017): Internal and external forcing of multidecadal Atlantic climate variability over the past 1200 years. Nature Geoscience 10, 512-517, doi:10.1038/ngeo2962

Weitere Verweise:

Paleoclimate – Learning from the Past

Historical atmospheric reconstruction