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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von regionalen Klimasimulationen für die Region Ostasien. Hierfür werden zwei verschiedene Modellierungsansätze verwendet. Der dynamische Regionalmodellierungsansatz, vertreten durch COSMO CLM (CCLM), und der statistische Modellierungsansatz, vertreten durch STARS. Die Simulationen erfolgten unter den Rahmenbedingungen des Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). Beide Regionalmodelle wurden im Rahmen dieser Arbeit umfassend für die Region CORDEX-Ostasien kalibriert und evaluiert. Das statistische Modell STARS wurde hierbei erstmals auf kontinentaler Ebene angewendet. Auf Basis der kalibrierten Modelle wurden Projektionen der zukünftigen klimatischen Entwicklung der Region durchgeführt.
Zur Auswertung der einzelnen Kalibrierungsläufe wurde ein komplexes Evaluierungsschema, mit einem Gütekennzahlensystem basierend auf einer linearisierten Form der relativen Modelldifferenz, entwickelt. Neben den etablierten univariaten statistischen Kennwerten (Mittelwert, Varianz, Trend) enthält das Gütekennzahlensystem auch ein bivariates statistisches Maß, welches die zweidimensionalen Stichprobenverteilungen zweier Variablen (beispielsweise Temperatur und Niederschlag) bewertet.
Im Rahmen der Kalibrierung konnte ein Großteil des Parameterraums des statistischen Modells STARS systematisch untersucht werden. Es zeigte sich, dass nur wenige Parameter einen Einfluss auf die Simulationen haben. Die meisten Parameter zeigten eine geringe und teilweise unsystematische Beeinflussung. Es konnte zudem eine Schwachstelle des Modells in Bezug auf die Variablenkorrelationen identifiziert werden. Bei der Kalibrierung des dynamischen Regionalmodells CCLM zeigte sich, dass aufgrund der groben horizontalen Auflösung des Modells eine signifikante Verbesserung der Simulationen durch eine Anpassung der physikalischen Parametrisierungen erfolgen kann.
Im Rahmen einer abschließenden Evaluierung wurden beide Modelle hinsichtlich ihres räumlichen Bias, des simulierten Jahresgangs und der Abbildung des asiatischen Monsunphänomens untersucht. Im ersten Punkt ergab sich kein qualitativer Unterschied zwischen CCLM und STARS. Beide Modelle zeigen eine deutliche Überschätzung der 2m-Temperatur im Winter über dem nördlichen Teil CORDEX-Ostasiens und eine Überschätzung des Luftdrucks über dem Hochland von Tibet im Sommer. Unterschiede zwischen beiden Modellen ergaben sich hingegen beim simulierten Jahresgang.
In Bezug auf die Modellierung des Monsunphänomens zeigt CCLM eine Unterschätzung der Intensität des indischen Sommermonsuns und eine Überschätzung des Sommermonsuns über dem westlichen Nordpazifik. Das statistische Modell STARS zeigte eine Auffälligkeit bei der Simulation des Jahresgangs sowie der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Sommermonsuns. Aufgrund der Konzeption des Modells ergab sich in einzelnen Regionen eine systematische Deformation des Jahresgangs. Trotz der identifizierten Schwachstellen von CCLM und STARS, bilden beide Modelle das Klima über der Region CORDEX-Ostasien qualitativ ähnlich gut ab wie aktuelle Reanalysen (ERA-Interim).
Auf Basis der kalibrierten und evaluierten Modelle wurden Klimaprojektionen für einen nahen (2020-2046), mittleren (2041-2070), und späten (2071-2100) Projektionszeitraum unter den Emissionsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 durchgeführt. Aufgrund von Modellbeschränkungen begrenzen sich die Rechnungen des Modells STARS auf den nahen Projektionszeitraum und die Emissionsszenarien RCP2.6 und RCP4.5. Die Projektionen beider Modelle zeigen eine deutliche und statistisch signifikante Erhöhung der 2m-Temperatur über der gesamten Region mit einer stärkeren Erwärmung über dem Kontinent gegenüber dem Meer. Aufgrund der relativ großen interannulären Variabilität des Niederschlags und des Luftdrucks werden statistisch nicht signifikante Änderungssignale und teils widersprüchliche Änderungen für den nahen Projektionszeitraum simuliert. Für den späten Projektionszeitraum ergeben sich jedoch deutliche Änderungssignale in den Simulationen des Modells CCLM. Insbesondere über dem Hochland von Tibet wird für den Zeitraum von 2071-2100 eine Temperaturerhöhung von über 7.0°C simuliert. Der Luftdruck und der Niederschlag zeigen räumlich heterogene Änderungssignale. Die spezifische Ausprägung der Luftdruckänderungen deutet auf eine Abschwächung der indischen Sommermonsunzirkulation und eine deutlichen Intensivierung des Sommermonsun über dem westlichen Nordpazifik hin. Die Niederschlagsänderungen über dem ostasiatischen Monsungebiet lassen auf eine Entkopplung der östlichen Monsunsysteme schließen. Trotz der heterogenen Änderungssignale im Niederschlag wird in den meisten Regionen eine Zunahme der Intensität von Extremniederschlägen simuliert. Dies gilt selbst für Regionen mit einer simulierten Abnahme der jährlichen Niederschlagssumme wie Westindonesien.
Das Ziel dieser Studie ist es, die Möglichkeiten und Grenzen von hochauflösenden Klimaprojektionen in orographisch beeinflussten Gebieten an den Beispielen der europäischen Alpen und des Himalajas zu prüfen. Insbesondere wird die Fragestellung untersucht, ob beobachtete regionale Muster in den höher aufgelösten Daten besser wiedergegeben werden als in den antreibenden großskaligen Daten. Dazu werden regionale Klimasimulationen des COSMO-CLM Modells und Daten von zwei statistischen Regionalisierungsmethoden mit ERA40 Reanalysen sowie Daten des globalen Atmosphäre-Ozean Modells ECHAM5/MPIOM für verschiedene Parameter des Klimasystems verglichen. Ein Vergleich mit den Reanalysen anhand täglicher Niederschlagsstatistiken ergibt, dass die COSMO-CLM Niederschlagsdaten auf der 0.5° Skala vergleichbar sind mit ERA40 Niederschlägen und mit statistisch regionalisierten ERA40 Niederschlägen. Eine zusätzliche Fehlerkorrektur der COSMO-CLM Niederschläge liefert gute Ergebnisse. Dabei sind jedoch etwa 500 Regentage notwendig, um eine robuste Fehlerabschätzung zu gewährleisten. Für das südasiatische Gebiet ist eine realistische Wiedergabe des indischen Sommermonsuns (ISM) in den Modellen von hoher Relevanz. Betrachtet man nur die Mittelwerte und zeitlichen Variabilitäten von verschiedenen Indizes des ISM, so liefert das COSMO-CLM keinen Mehrwert im Vergleich zu den antreibenden Daten. Allerdings werden die räumlichen Strukturen von Niederschlag und vertikaler Windscherung, sowie die zeitliche Korrelation der modellierten Indizes gegenüber dem ECHAM5/MPIOM Modell verbessert. Die durchgeführten COSMO-CLM Projektionen für die Jahre 1960 bis 2100 zeigen negative Trends des ISM für die SRES Szenarien A2, A1B und B1. Die negativsten Trends sind dabei im Szenario A2 zu finden, gefolgt von A1B und B1. Fast keine Trends zeigen sich im commitment Szenario. Trotz großen zeitlichen Variabilitäten sind die Abnahmen in Niederschlagsmengen, ausgehender langwelliger Strahlung und Windscherung statistisch signifikant in großen Regionen des Simulationsgebietes. Für Nordwest-Indien weisen die Projektionen teilweise einen Rückgang der Monsunniederschläge von über 70% in 100 Jahren auf. Der Rückgang der Windscherung ist hauptsächlich auf Veränderungen in der oberen Troposphäre bei 200 hPa zurück zu führen. Während in den COSMO-CLM Projektionen alle Indizes des ISM synchrone Negativtrends aufweisen, sind die Trends für den Monsunregen über Indien im globalen ECHAM5/MPIOM Model positiv. Gemäß den Definitionen der verschiedenen Indizes, sind jedoch synchrone Trends wahrscheinlicher und das COSMO-CLM liefert zu den globalen ISM Projektionen ebenfalls einen Mehrwert. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass das COSMO-CLM wertvolle regionale Zusatzinformationen zu den globalen Modellen in den beiden untersuchten Regionen liefert. Für die Einzugsgebiete der oberen Donau und des oberen Brahmaputra liefern die COSMO-CLM Projektionen einen signifikanten Anstieg der Temperatur für alle Jahreszeiten der Jahre 1960 bis 2100. Die Werte sind generell höher im Brahmaputragebiet, mit den größten Trends in der Region des tibetanischen Plateaus. Im Niederschlag zeigen die saisonalen Anteile ebenfalls klare Trends, beispielsweise eine Zunahme des Frühjahrsniederschlags im Einzugsgebiet der oberen Donau. Die größten Trends werden wiederum in der Region des tibetanischen Plateaus projiziert mit einem Anstieg von bis zu 50% in der Länge der Trockenperioden zwischen Juni und September und einem gleichzeitigen Anstieg von etwa 10% für die maximale Niederschlagsmenge an fünf aufeinander folgenden Tagen. Für die Region Assam in Indien, zeigen die Projektionen zudem eine Zunahme von 25% in der Anzahl der aufeinander folgenden trockenen Tage während der Monsunzeit
Until now, the NW Indian Ocean was sparsely covered with coral proxy records, and records from the Maldives Archipelago do not exist. The first such coral proxy record from the central Maldives is presented in this study. It originates from a massive Porites lutea (Quoy and Gaimard, 1833) colony that was sampled March 2007 in the lagoon of Rasdhoo Atoll (4°N/ 73°W), which is located in the central Maldives. The record spans a period of 90 yrs and reaches back to 1917 AD with monthly to bimonthly resolution. This study investigates temporal variations of the skeletal stable oxygen (delta18O) and carbon (delta13C) isotopes, the strontium-to-calcium (Sr/Ca), and the annual extension-rates, and their relationship to historical climate variations 1917-2007. Annual extension-rates show an increase over the 20th century, and are correlated with instrumental sea surface temperatures (SST). The interannual variation of the extension-rates within 2.5-4 years is driven by the El Niño-Southern Oscillation (ENSO). The amount of skeletal extension during the summer months is triggered by variations in the strength of the SW monsoon. Interannual and decadal variability in monsoon current activity (18-19 yrs) and rainfall over India are an expression of the summer monsoon strength. This is the reason why a statistical link between coral extension-rates and precipitation over India can be established. This implies that annual extension-rates in corals can be used as a new proxy for Indian monsoon variability on decadal resolution. The delta18O record exhibits the 20th century warming trend that is influenced by the effect of monsoon-induced cooling. delta18O also reveals interannual ENSO triggered variability, which is due to ENSO-forced variations in SST and sea surface salinity (SSS). A decadal variation at 12-14 yrs cannot be linked to SST variations in the NW Indian Ocean, but with decadal variations of SSS. They could be caused by ENSO- forced variations of the monsoon currents during the mature phase of ENSO teleconnections in the Indian Ocean in boreal winter. The Sr/Ca record does not indicate a significant warming, in spite of the observed SST rise at the sampling site. Changes in seawater Sr/Ca cannot be excluded. Nevertheless, interannual ENSO forcing is still evident. Evidence for the Pacific Decadal Oscillation (PDO) is found during 1917-1955. Afterwards, the Sr/Ca data indicate the disappearance of PDO forcing. By the combination of Sr/Ca and delta18O it is possible to detect ~80% of historical El Niño and La Niña events at the sample site. This study confirms the notion that interannual to multi-decadal climate fluctuations in the Pacific play a crucial role for climate variability in the Indian Ocean.
Die Studie zur holozänen und pleistozänen Umweltgeschichte Süd-Kameruns betrachtet den Aussagewert alluvialer Ablagerungen der Flüsse Boumba, Dja, Nyong, Ntem und Sanaga für die Paläoumweltforschung. Die zugrundeliegende Forschungsarbeit fand im Rahmen des ReSaKo-Projektes, als Teil der interdisziplinären DFG-Forschergruppe 510 (“Ökologischer Wandel und kulturelle Umbrüche in West- und Zentralafrika”) statt, welches die zeitliche und räumliche Korrelation zwischen Klimawandel, Landnutzungsstrategien und kulturellen Innovationen während der “First Millennium BC Crisis” untersucht hat. Hierfür wurde der ökologisch sensitive Bereich des tropischen bis äquatorialen, immergrünen bis halb-immergrünen Guineisch-Kongolesischen Regenwaldes und dessen Übergangszone zur Savanne im Süden Kameruns ausgewählt. Als Hauptziele galten dabei zum einen der Nachweis und die Interpretation umweltgeschichtlich verwertbarer Alluvionen in einer diesbezüglich bisher unerforschten Region und zum anderen die Korrelation der Befunde mit bereits vorliegenden terrestrischen und hemi-pelagischen Paläoumweltarchiven zur weiteren Rekonstruktion der Paläoumweltbedingungen im westlichen (monsunalen) Äquatorialafrika. Nach der Identifizierung geeigneter Arbeitsgebiete entlang verzweigter, mäandrierender und verflochtener bis anastomosierender Flussabschnitte mittels Fernerkundung von Satellitenbildszenen (LANDSAT ETM+ und ASTER), wurden unter Verwendung physiogeographischer und geomorphologischer Arbeitsmethoden ausgedehnte Feldarbeiten während der Trockenzeiten der Jahre 2005-2008 durchgeführt. Zahlreiche Bohrarbeiten (161 Handbohrungen bis 550 cm Tiefe) zur Sedimentprobennahme (1093 Proben) innerhalb der Alluvial- und Auenbereiche der fluvialen Systeme lieferten einen umfassenden Einblick in die Stratigraphie und fluvial-morphologische als auch paläoökologische und –hydrologische Entwicklung der verschiedenen fluvialen Ökosysteme. Die mehrschichtigen, sandigen bis tonigen Alluvionen enthalten Paläooberflächen (z. B. Gyttjen, reliktische Sümpfe, fossile organische Lagen/Horizonte), die hervorragende zusätzliche Proxydaten-Archive für die Rekonstruierung umweltgeschichtlicher Bedingungen darstellen. Bohrtransekte und die Interpretation von Korngrößensequenzen (Verfeinerung, Vergröberung) und Paläooberflächen aus solchen alluvialen Sedimentarchiven stellen ein wichtiges, diagnostisches Instrument bei der Rekonstruktion paläoökologischer und paläohydrologischer Bedingungen und Veränderungen dar und belegen zeitweise einsetzende Austrocknung und Bodenbildung in den Auen sowie die Entstehung von Sümpfen, Mudden, Altarmen und Altwasserseen. Dies zeugt eindeutig von einer modifizierten Dynamik der fluvialen Systeme als Reaktion auf endogene Steuer-größen und (fluss-)interner Variabilität (equilibrium). Eine Vielzahl (76) von 14C (AMS)-Datierungen an organischem Sediment und Makroresten aus diesen Alluvionen lieferten spätpleistozäne bis rezente Alter (~48 – 0,2 ka BP). Die dazugehörigen δ13C-Werte (-35.5 bis -18.0 ‰) belegen für den Großteil der Untersuchungsstandorte (außer Oberläufe des Nyong und Sanaga) den Fortbestand von C3-Spezies dominierter Galleriewald-Ökosysteme entlang der Flusssysteme (“fluviale Regenwaldrefugien”) trotz einiger klimatischer Veränderungen/Aridisierungen (z. B. Letztes Glaziales Maximum um etwa 20.000 BP). Trotz der bestehenden Schwierigkeiten bei der Interpretation tropischer Sedimentarchive (z. B. Hiatusproblematik) und fluvialer Archive im Allgemeinen, unterstützen weitere sedimentologische und pedologische Analysen (bodenchemische und -physikalische Laboranalysen: Korngrößen, Kohlenstoff [Ctot], Stickstoff [N], Eisengehalt [Feo und Fed], pH, Munsell-Farben und C/N) und ausgewählte 14C (AMS)-Datierungen und δ13C-Bestimmungen diesen Beitrag zur hypothetischen Rekonstruktion der umweltgeschichtlichen und paläohydrologischen Entwicklung des Untersuchungsraumes. Die Interpretation des Alluvialarchivs liefert zusätzlich fundierte Informationen hinsichtlich der komplexen Zusammenhänge zwischen Klima, Ozean, fluvialen und ökologischen Systemen und anthropogener Einflussnahme in einem regional weitestgehend unerforschten Gebiet mit hoch-sensitiven tropischen Ökosystemen. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Korrelation mit früheren Paläoumweltstudien, die über Untersuchungen an weiteren terrestrischen (lakustrin und palustrin) und hemi-pelagischen Archiven dieser Region gewonnen werden konnten. Sie bekräftigen Milanković- bis sub-Milanković-skalige Fluktuationen (bes. Präzession-Zyklus) der Intensität des westafrikanischen Monsuns und daraus resultierende klimatische, hydrologische und ökologische Modifikationen im Untersuchungsgebiet, was wiederum weitreichende Telekonnektionen und Reorganisationen impliziert. Insgesamt können im Liegenden grobkörnige, sandige sedimentäre Einheiten, welche turbulente fluvial-morphologische Bedingungen und geöffnete Landschaftsstrukturen während des Spätpleistozäns (48-30 ka BP) vermuten lassen, von fein-sandigen LGM-zeitlichen (22-16 ka BP) und mächtigen schluffigen bis tonigen, holozänen Sedimenteinheiten im Hangenden unterschieden werden, welche eher stabilisierte und saisonale Umweltverhältnisse widerspiegeln. Größere Um- und Verlagerungen innerhalb der Alluvialbereiche (v. a. Gerinnebettverlagerungen, Versumpfung) konnten für den Übergang vom Pleistozän zum Holozän (14-10 ka BP) nachgewiesen werden. Weitere einschneidende Veränderungen traten im Spätholozän auf (um 4, 2 und 0,8 ka BP), wahrscheinlich begünstigt durch die einsetzende Sesshaftwerdung Bantu sprechender Volksgruppen im tropischen Regenwald Zentralafrikas und die Einführung der Metallurgie um 3 ka BP. Die Informationen über regionale umweltgeschichtliche Oszillationen und Variationen im Prozess- und Landschaftsgefüge sind in den alluvialen Sedimenten gut dokumentiert und erhalten geblieben und ergänzen somit frühere Ergebnisse (z. B. ECOFIT Programm) zur spätquartären Umweltgeschichte des vom Monsun geprägten westlichen Äquatorialafrikas. Die Ergebnisse bestätigen vor allem die Bedeutung und Anwendbarkeit tropischer (afrikanischer) alluvialer Sedimente für die Paläoumweltforschung und belegen zudem, dass neben (neo-)tektonischen Impulsen das Klima die tragende Rolle in der Gestaltung der Landschaft und der Dynamik, sowie der Entwicklung der Flusseinzugsgebiete gespielt hat.