Palaeo wind system reconstruction of the last glacial period over Europe, using high resolution proxy data and model-data-comparison

The atmosphere is a global influence on the movement of heat and humidity between the continents, and thus significantly affects climate variability. Information about atmospheric circulation are of major importance for the understanding of different climatic conditions. Dust deposits from maar lakes and dry maars from the Eifel Volcanic Field (Germany) are therefore used as proxy data for the reconstruction of past aeolian dynamics.rnrnIn this thesis past two sediment cores from the Eifel region are examined: the core SM3 from Lake Schalkenmehren and the core DE3 from the Dehner dry maar. Both cores contain the tephra of the Laacher See eruption, which is dated to 12,900 before present. Taken together the cores cover the last 60,000 years: SM3 the Holocene and DE3 the marine isotope stages MIS-3 and MIS-2, respectively. The frequencies of glacial dust storm events and their paleo wind direction are detected by high resolution grain size and provenance analysis of the lake sediments. Therefore two different methods are applied: geochemical measurements of the sediment using µXRF-scanning and the particle analysis method RADIUS (rapid particle analysis of digital images by ultra-high-resolution scanning of thin sections).rnIt is shown that single dust layers in the lake sediment are characterized by an increased content of aeolian transported carbonate particles. The limestone-bearing Eifel-North-South zone is the most likely source for the carbonate rich aeolian dust in the lake sediments of the Dehner dry maar. The dry maar is located on the western side of the Eifel-North-South zone. Thus, carbonate rich aeolian sediment is most likely to be transported towards the Dehner dry maar within easterly winds. A methodology is developed which limits the detection to the aeolian transported carbonate particles in the sediment, the RADIUS-carbonate module.rnrnIn summary, during the marine isotope stage MIS-3 the storm frequency and the east wind frequency are both increased in comparison to MIS-2. These results leads to the suggestion that atmospheric circulation was affected by more turbulent conditions during MIS-3 in comparison to the more stable atmospheric circulation during the full glacial conditions of MIS-2.rnThe results of the investigations of the dust records are finally evaluated in relation a study of atmospheric general circulation models for a comprehensive interpretation. Here, AGCM experiments (ECHAM3 and ECHAM4) with different prescribed SST patterns are used to develop a synoptic interpretation of long-persisting east wind conditions and of east wind storm events, which are suggested to lead to an enhanced accumulation of sediment being transported by easterly winds to the proxy site of the Dehner dry maar.rnrnThe basic observations made on the proxy record are also illustrated in the 10 m-wind vectors in the different model experiments under glacial conditions with different prescribed sea surface temperature patterns. Furthermore, the analysis of long-persisting east wind conditions in the AGCM data shows a stronger seasonality under glacial conditions: all the different experiments are characterized by an increase of the relative importance of the LEWIC during spring and summer. The different glacial experiments consistently show a shift from a long-lasting high over the Baltic Sea towards the NW, directly above the Scandinavian Ice Sheet, together with contemporary enhanced westerly circulation over the North Atlantic.rnrnThis thesis is a comprehensive analysis of atmospheric circulation patterns during the last glacial period. It has been possible to reconstruct important elements of the glacial paleo climate in Central Europe. While the proxy data from sediment cores lead to a binary signal of the wind direction changes (east versus west wind), a synoptic interpretation using atmospheric circulation models is successful. This shows a possible distribution of high and low pressure areas and thus the direction and strength of wind fields which have the capacity to transport dust. In conclusion, the combination of numerical models, to enhance understanding of processes in the climate system, with proxy data from the environmental record is the key to a comprehensive approach to paleo climatic reconstruction.rn

Die Atmosphäre ist eine globale Einflußgröße für den Wärme- und Feuchtigkeitstransport zu den Kontinenten und beeinflusst damit stark das dortige Klima. Informationen über den Zustand der atmosphärischen Zirkulation sind deswegen von großer Bedeutung für das Verständnis verschiedener klimatischer Zustände. Äolische Staubablagerungen in Seesedimenten dienen in dieser Arbeit als Proxydaten für die Rekonstruktion der vergangenen glazialen äolischen Dynamik.rnrnIn dieser Arbeit werden zwei Sedimentkerne aus der Eifel untersucht: der Kern SM3 aus dem Schalkenmehrener Maar und der Kern DE3 aus dem Dehner Trockenmaar. Beide Kerne enthalten die Tephra des Laacher See-Ausbruchs, der 12.900 Jahre vor heute datiert. So decken die Kerne zusammen die letzten 60.000 Jahre ab: der Kern SM3 das Holozän und DE3 die marinen Isotopenstadien MIS-3 und MIS-2. Die Häufigkeiten der glazialen Staubsturmereignisse einschließlich ihrer Paläowindrichtung werden mit Hilfe von hochauflösenden Korngrößen- und Provenanceanalysen der Seesedimente gemessen. Dafür werden zwei unterschiedliche Methoden angewandt: zum einen eine geochemische Analytik des Seesediments mittels einer µXRF (Röntgenfluoreszenzanalyse) und zum anderen eine Partikelanalyse durch die RADIUS-Methode (Partikelanalyse an digitalen Bildern durch ultra-hochauflösendes Scannen von Dünnschliffen).rnrnDiese Untersuchungen zeigen, dass einzelne Staublagen in den Seesedimenten einen hohen Anteil äolisch-transportierter Karbonatpartikel aufweisen. Die Eifel Nord-Süd-Zone mit ihren devonischen Kalkmulden ist die wahrscheinlichste Quelle des karbonathaltigen äolischen Staubs im Dehner Trockenmaar. Das Dehner Trockenmaar befindet sich westlich der Eifel Nord-Süd-Zone. Demnach wurden die stark karbonathaltigen Staubsedimente höchstwahrscheinlich mit Winden aus östlicher Richtung zum Dehner Trockenmaar transportiert und dort abgelagert. Um diese Ostwindlagen im Sediment zu detektieren, wurde deshalb eine spezielle Korngrößenanalyse entwickelt, die die Detektion von Karbonatpartikeln auf tatsächlich äolisch transportierte Karbonatpartikel eingrenzt.rnZusammenfassend ist während des marinen Isotopenstadium MIS-3 sowohl die Häufigkeit von Stürmen als auch von Ostwindlagen im Vergleich zum MIS-2 deutlich erhöht. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass die atmosphärische Zirkulation während des MIS-3 eine deutlich höhere Variabilität aufweist. Im Vergleich dazu scheint während der vollglazialen Bedingungen im MIS-2 eine stabilere atmosphärische Zirkulation vorgeherrscht zu haben.rnDie an den Sedimentbohrkernen gewonnenen Daten werden schließlich durch eine Studie der atmosphärischen Zirkulation mittels Klimamodellexperimenten für eine zusammenfassende Interpretation ausgewertet. Verwendet werden hierbei atmosphärische Zirkulationsmodelle (ECHAM3 und ECHAM4) mit verschiedenen vorgeschriebenen Verteilungsmustern der ozeanischen Wasseroberflächentemperaturen, um eine synoptische Interpretation von persistenten Ostwindbedingungen ableiten zu können.rnrnDie generellen Beobachtungen aus der Windrichtungsstudie, die am Sedimentbohrkern DE3 durchgeführt wurde, sind auch in den 10 m-Windvektoren der verschiedenen Modellversuche zu sehen. Darüber hinaus zeigt die Analyse lang anhaltender Ostwindbedingungen in den Modelldaten eine Verstärkung der Saisonalität während glazialer Bedingungen: In diesen Experimenten kommt es zu einem Anstieg der relativen Wichtigkeit dieser Wetterlagen im Frühjahr und Sommer. Die Rekonstruktion des glazialen Luftstroms mit vorherrschend östlicher Richtungen deutet auf eine Verschiebung eines lang anhaltenden Hochs von der Ostsee in Richtung NW, direkt über das skandinavische Eisschild, hin. Zeitgleich tritt eine verstärkte Westwindzirkulation im nördlichen Atlantik auf.rnrnZiel dieser Arbeit ist eine umfassende Analyse der atmosphärischen Zirkulationsmuster während der letzten glazialen Periode. So können wichtige Elemente des glazialen Paläoklimas in Mitteleuropa rekonstruiert werden. Während die Daten aus den Bohrkernen ein binäres Signal über die Windrichtungswechsel (Ostwind gegen Westwind) geben, gelingt mit Hilfe von atmosphärischen Zirkulationsmodellen eine synoptische Interpretation. Diese zeigt eine mögliche Verteilung von Hoch- und Tiefdruckgebieten und damit die Richtung und Stärke von Windfeldern an, die das Potenzial haben, Staub zu transportieren. Durch das Interagieren von numerischen Klimamodellen und Proxy-Daten ergibt sich so eine umfassende Möglichkeit, paläoklimatische Prozesse zu rekonstruieren.rn