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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-85836
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8583/


North Atlantic Ocean decadal variability over the past millennium from climate model simulations and proxy based reconstructions

Dekadische Variabilität des Nordaltantischen Ozeans während der vergangenen 1000 Jahre in Simulationen mit Klimamodellen und proxy-basierten Rekonstruktionen

Pyrina, Maria

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SWD-Schlagwörter: Atlantischer Ozean <Nord > , Variabilität , Klima
Freie Schlagwörter (Deutsch): Klimarekonstruktionen , letzte 1000 Jahre , Simulationen
Freie Schlagwörter (Englisch): proxy data , climate reconstruction
Basisklassifikation: 38.82
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Zorita, Eduardo (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.06.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 11.07.2017
Kurzfassung auf Englisch: The present work is focused on the study of North Atlantic (NA) past ocean variability during the last millennium and the potential influence of natural external forcing. The analysis is conducted by using both molluscan-based proxy records and output of state-of-the-art comprehensive Earth System Models. The marine proxy records that are used are the growth increments of the bivalve shell Arctica islandica. The model simulations used participate in the fifth phase of the Climate Model Intercomparison Project (CMIP5).
In particular, with this work I seek to answer the following questions:
i) Does Arctica islandica have the potential to be used in Climate Field Reconstructions (CFRs) of the sea-surface-temperatures (SSTs) in the NA Ocean?
ii) If there is a NA basin signal registered in Arctica islandica locations, which CMIP5 models can reproduce that signal?
iii) Which climate reconstruction techniques are the most suited to reconstruct SSTs based on Arctica islandica?
iv) Is the climate model or the statistical reconstruction method more important to evaluate the skill of the reconstruction?
v) Do changes in solar forcing affect upper ocean circulation during summer?
Initially, I investigated the spatial covariance of the SSTs over two Arctica islandica collection sites with the North Atlantic wide SST field, using COBE2 reanalysis data and CMIP5 model output, during the second half of the 20th century. The SSTs co-located with the Arctica islandica collection sites are found to co-vary with the north-east Atlantic basin. Therefore, Arctica islandica has the potential to provide a skillful spatial reconstruction of the SSTs over this area. These results are shown by both COBE2 data and CMIP5 models. Additionally, eleven CMIP5 models were evaluated regarding the possibility to be used as test beds for the assessment of CFR methods that can be applied to reconstruct basin wide SSTs from the collection of proxy records of Arctica islandica. The best performing CMIP5 models in this regard are: CanESM2, CCSM4 and MPI-ESM.
Two statistical methods to reconstruct the past SSTs (pre-industrial and industrial era) of the NA Ocean based on the marine proxy records of Arctica islandica were tested in a pseudo-proxy experiment (PPE) set-up using the models CCSM4 and MPI-ESM-P, and reanalysis data from the COBE2 SST data set. The CFR techniques are Canonical Correlation Analysis and Principal Component Regression. The latter method was found to be more appropriate to be used for CFRs based on the Arctica islandica network. The choice of the climate model used as the surrogate reality in the PPE has a more significant effect on the reconstruction skill than the statistical reconstruction method itself, most likely due to the different internal co-variance structure of the models investigated.
A general conclusion is that the network of Arctica islandica is found to be a valuable proxy archive for the study of NA marine climate, as it records the climate signal of the NA basin. Performing a NA climate field reconstruction based on Arctica’s network and appropriate CFR techniques is important for the further investigation of the effect of solar forcing to NA Ocean circulation.
Regarding the investigation of the effect of solar forcing on ocean circulation, we focused on the response of the pre-industrial NA climate (850—1849 AD), as simulated by an only solar forced experiment of the MPI-ESM-P model, to Total Solar Irradiance (TSI) changes. In this analysis three methods were used. For the first method we use techniques that measure the linear dependence between variables. These techniques (Pearson Correlation and Linear regression) were found to be inadequate to detect robust changes in the climatic variables studied. The second method is based on the comparison of two climatically different periods during the last millennium, namely the Medieval Climate Anomaly (MCA) and the Little Ice Age (LIA). The third method used was Composite Analysis, with which we focused on the separate effect of the most prominent TSI maxima and minima during the 1000 year period. Signals of solar forcing were detected on the simulated climate of the NA basin with the two latter methods, but the spatial response of the NA climate is found to be different depending on the method. The magnitude of the simulated climate response cannot be solely explained by TSI changes.
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der vergangenen Klimaschwankungen des Nordatlantischen (NA) Ozeans während der letzten 1000 Jahre und dem möglichen Einfluss äußerer Klimafaktoren. Die Analysen werden unter Verwendung von proxy-basierten Archiven von Muscheln und den Ausgabefeldern der jüngsten Generation von komplexen Erdsystemmodellen durchgeführt. Die verwendeten Proxy Archive beziehen sich auf Wachstumsringe der zweischaligen Muschel Arctica Islandica. Die verwendeten Modellsimulationen nehmen in der fünften Phase der Internationalen Klimamodellvergleichsstudie CMIP5 teil.
Im Detail möchte ich die folgenden Fragen beantworten:
i) Besitzt Arctica Islandica das Potential um für räumliche Klimarekonstruktionen (CFRs) für Meeresoberflächentemperaturen (SSTs) im NA Ozean verwendet zu werden?
ii) Falls ein Signal im NA Ozean in den Verbreitungsgebieten von Arctica Islandica aufgezeichnet wird, welche CMIP5 Modelle können dieses Signal wiedergeben?
iii) Welche Klimarekonstruktionsmethoden sind am besten geeignet um die SSTs basierend auf Arctica Islandica zu rekonstruieren?
iv) Ist das Klimamodell oder die statistische Rekonstruktionsmethode bedeutsamer für die Güte der Rekonstruktion?
v) Beeinflussen Veränderungen der Solaraktivität die Zirkulation des oberflächennahen Ozeans während der Sommermonate?
Zu Beginn der Arbeit untersuche ich die räumliche Kovarianz der SSTs für zwei Verbreitungsregionen von Arctica Islandica für das gesamte nordatlantische SST Feld. Hierzu verwende ich den COBE2 Reanalyse Datensatz und die CMIP5 Ausgabefelder während der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Es zeigt sich, dass die ausgewählten Verbreitungsregionen von Arctica Islandica mit den SSTs im nordostatlantischen Becken zusammenhängen. Demzufolge besitzt Arctica Islandica grundsätzlich das Potential um für eine adäquate Rekonstruktion von SSTs in diesen Regionen benutzt zu werden. Diese Resultate zeigen sich sowohl für COBE2 Daten als auch die CMIP5 Modelle. Zusätzlich wurden elf CMIP5 Modelle dahin gehend evaluiert als Test Bett für die Abschätzung der Güte verschieden räumlich aufgelöster SST-Klimarekonstruktionen für den Nordatlantik, basierend auf den Verbreitungsregionen von Arctica Islandica benutzt zu werden. Die am besten geeignetsten Modelle in diesem Zusammenhang sind CanESM2, CCSM4 und MPI-ESM.
Zwei statistische Methoden wurden angewandt um vergangene SSTs (vorindustriell und industrielle Periode) des NA Ozeans basierend auf den marinen Proxy von Arctica Islandica in einem Pseudo-Proxy Ansatz zu testen. Hierzu wurden die Modelle CCSM4 und MPI-ESM-P sowie die COBE2 SST Reanalysen verwendet. Die CFR Methoden beziehen sich auf die Kanonische Korrelationsanalyse und die Hauptkomponenten-Regressionsanalyse. Letztere hatte sich als geeigneter erwiesen um für räumlich aufgelöste Rekonstruktionen basierend auf dem Netzwerk von Arctica Islandica verwendet zu werden. Die Wahl des Klimamodells, welches die virtuelle Wahrheit innerhalb des Pseudo Proxy Ansatzes darstellt, besitzt dabei einen stärkeren Einfluss auf die Rekonstruktionsgüte als die eigentliche Rekonstruktionsmethode. Dies liegt höchst wahrscheinlich in den unterschiedlichen internen räumlichen Kovarianz Strukturen innerhalb der untersuchten Modelle begründet.
Eine übergeordnete Schlussfolgerung ist, dass das Netzwerk von Arctica Islandica ein geeigneter Proxy für die Untersuchung des Nordatlantisch ozeanischen Klimas darstellt, da es Klimasignale im Nordatlantischen Becken aufzeichnet. Die Erzeugung einer räumlich aufgelösten Klimarekonstruktion für den Nordatlantik basierend auf dem Netzwerk von Arctica Islandica und geeigneter CFR-Methoden ist zudem bedeutsam für weitere Untersuchungen hinsichtlich der Auswirkungen der Solaraktivität auf die Ozeanzirkulation innerhalb des Nordatlantischen Beckens.
Bezüglich der Untersuchungen der Auswirkungen der Solaraktivität auf Änderungen der Ozeanzirkulation konzentriere ich mich auf den Einfluss auf das vor-industrielle Klima des NA (850-1849 AD). Hierzu wurde eine Simulation mit dem MPI-ESM-P Modell verwendet, welche nur durch den Antrieb von Änderungen der Solaraktivität durchgeführt wurde. In diesem Kontext wurden drei Analysemethoden angewendet: Die erste Methode beschreibt ein Maß für die Bestimmung des linearen Zusammenhangs zwischen Variablen. Diese Methode (Lineare Korrelation nach Pearson/lineare Regression) wurden als inadäquat eingestuft, um robuste Zusammenhänge zwischen Änderungen der Solaraktivität und den untersuchten Klimavariablen herauszustellen. Die zweite Methode bezieht sich auf den Vergleich zwischen zwei klimatisch unterschiedlichen Perioden während des letzten Jahrtausends hinsichtlich der mittelalterlichen Klimaanomalie und der kleinen Eiszeit. Die dritte Methode bezieht sich auf die Komposit-Methode, welche auf den jeweiligen Einfluss solarer Maxima und Minima Phasen während der 1000jährigen Periode abhebt. Der Einfluss der Solaraktivität wurde im simulierten Klima des Nordatlantischen Beckens mittels der beiden zuletzt genannten Methoden erfasst. Allerdings variieren die Amplitude und das räumliche Muster in Abhängigkeit der gewählten Methode. In diesem Zusammenhang kann die Größe der simulierten Klimaänderungen nicht allein mit Hilfe der Änderungen der Solaraktivität erklärt werden.

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