One Two
Sie sind hier: Startseite Bibliothek Bonner Meteorologische Abhandlungen (BMA) Variational reconstruction of quaternary temperature fields using mixture models as botanical-climatological transfer functions,

Variational reconstruction of quaternary temperature fields using mixture models as botanical-climatological transfer functions,

 BMA Nr. 60:

Variational reconstruction of Quaternary temperature fields using mixture models
as botanical-climatological transfer functions
Christoph Gebhardt

Zusammenfassung 


Diese Arbeit stellt ein variationelles Verfahren zur Analyse terrestrischer paläobotanischer Proxydaten vor. Dieses Verfahren wird hier zur Rekonstruktion bodennaher Temperaturfelder des europäischen Eem-Interglazials benutzt. Ein entsprechender variationeller Ansatz wurde bisher in der quantitativen Paläoklimatologie nicht benutzt. Darüberhinaus wird eine Modifikation einer bestehende Methode
('pdf-Methode') zur lokale Rekonstruktionen des Paläoklimas vorgeschlagen. Fossiler Pollen und Makroreste aus mehr als 50 europäischen Fundstellen dienen als Proxydaten.
Die botanisch-klimatologische Relation wird über Bayesische statistische Transferfunktionen quantifiziert. Jede dieser Transferfunktionen ist eine bivariate Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion (engl.: probability density function; pdf) für Januar- und Julitemperaturen bedingt
durch das Vorkommen eines gegebenen Taxons. Die bedingten pdf werden für 126 Taxa aus rezenten Daten geschätzt: eine Klimatologie von Monatstemperaturen und digitalisierte chorologische Karten. Beide Datensätze liegen auf einem gemeinsamen regelmäßigen Gitter mit einer Auflösung von 0.5° in geographischer Länge und Breite vor.
Nichtparametrische Kernelverteilungen und parametrische Gauß'sche Mixture-Modelle werden als Schätzfunktionen getestet und mit
Normalverteilungen verglichen, die in Kühl et al. (2002) und Kühl (2002). benutzt werden. Die Kernelverteilungen und Mixture-Modelle
sind flexibler als Normalverteilungen und können Eigenschaften wie Schiefe und Bimodalität wiedergeben. Die Mixture-Modelle sind
vorteilhaft im Vergleich zu Kernelverteilungen, weil sie durch eine begrenzte Anzahl von Parametern bestimmt werden.
Die existierende 'pdf-Methode' (Kühl et al., 2002; Kühl, 2002) zur lokalen Rekonstruktion von Paläoklima wird durch die Benutzung von Mixture-Modellen anstelle der Normalverteilungen modifiziert. Die Koexistenz mehrerer Taxa an einem bestimmten Ort wird durch die
Definition einer kombinierten bedingten pdf für Januar- und Julitemperatur berücksichtigt. Diese kombinierte pdf ist das Produkt der
individuellen Taxon-pdf . An jeder Fundstelle identifiziert die zugehörige kombinierte pdf eine wahrscheinlichste Kombination von
Januar- und Julitemperaturen mit ihrem Unsicherheitsbereich bedingt durch die Koexistenz der im fossilen Befund beobachteten Taxa. Die wahrscheinlichsten Temperaturen dienen als lokal rekonstruierte Temperaturen. Der Unsicherheitsbereich der kombinierten pdf ist das Äquivalent der Unsicherheit dieser Rekonstruktion.
Die Anwendung der Methode auf botanische Proxydaten zweier Zeitscheiben des Eem-Interglazials (Corylus- und Carpinus-Phase) führt
zu rekonstruierten Julitemperaturen, die im größten Teil West- und Mitteleuropas während der Corylus-Phase ca. 1°C bis 3°C wärmer
waren als zu heutigen Zeiten. Für den Januar gibt es in dieser Zeitscheibe keine klare Tendenz zu wärmeren oder kälteren Temperaturen im Vergleich zu rezenten Werten. Die lokal rekonstruierten Wintertemperaturen während der Carpinus-Phase waren ca. 2°C milder als
heutige Temperaturen. Die Julitemperaturen waren leicht kälter im Vergleich zur früheren Zeitscheibe, aber an den meisten Fundstellen
wärmer als rezente Sommertemperaturen. Die rekonstruierten Januartemperaturen in Skandinavien und im Baltikum sind in beiden
Zeitscheiben deutlich wärmer als heutige klimatologische Wintertemperaturen.
Es wird ein variationelles Verfahren vorgestellt, dass durch die Interpolation der lokalen Proxyinformation aus den fossilen Befunden zur
Rekonstruktion räumlich kohärenter Temperaturfelder führt. Die großskaligen Muster eines linearen Advektions-Diffusions-Modells für
Temperaturanomalien werden in die Analyse eingebunden, um die Rekonstruktion zu stabilisieren. Die resultierenden Felder sind sowohl
mit diesem vereinfachten Modell der atmosphärischen Thermodynamik als auch mit den paläobotanischen Eingangsdaten konsistent. Diese rekonstruierten Temperaturfelder dienen dazu, die manchmal zweifelhafte kleinskalige Variabilität zwischen den Fundstellen zu beseitigen, wie sie sich aus den lokalen Rekonstruktionen ergibt. Die Felder sind nützlich in diagnostischen Studien des Klimasystems und sind geeignet für die Validierung numerischer Modelle, die Klimaprozesse auf großen Zeit- und Raumskalen simulieren. Im Gegensatz zu
früheren Versuchen zur Ableitung räumlicher Temperaturmuster aus Paläodaten hat die präsentierte variationelle Methode den Vorteil,
dass sie objektiv bezogen auf die Reproduzierbarkeit der Analyse ist.
Die rekonstruierten Temperaturfelder der zwei interglazialen Zeitscheiben bestätigen die Ergebnisse der lokalen Rekonstruktion mit
maximalen Julitemperaturen in weiten Teilen Europas während der Corylus-Phase. Die wärmeren Januartemperaturen während der
zweiten Zeitscheibe in Osteuropa ähneln qualitativ der lokalen Rekonstruktion, aber weisen ein schwächeres Signal auf. Die variationell
rekonstruierten Wintertemperaturen im südlichen Finnland und im Baltikum sind deutlich wärmer als heutige Werte. Diese Ergebnisse
deuten auf eine Abfolge von mehr kontinentalen Bedingungen während der Corylus-Phase zu eher ozeanischem Klima während der
Carpinus-Phase hin. Aus den rekonstruierten Temperaturen ergeben sich keine Anzeichen für instabile Bedingungen während des
Eem-Interglazials.
Der variationelle Ansatz rekonstruiert erfolgreich die Temperaturen des Eems und stellt sich dabei als ein vielversprechendes Werkzeug in der quantitativen Paläoklimatologie dar. Die Methode ermöglicht insbesondere die Einbindung stabilisierender dynamischer oder
statistischer Zwangsbedingungen, die wiederum die Rekonstruktion räumlich konsistenter Felder trotz einer für die Paläoklimatologie
typischen, geringen Datendichte erlauben.
  

 Abstract


This thesis presents a variational analysis of terrestrial palaeobotanical proxy data for the reconstruction of Eemian near-surface
temperature fields in Europe. Such a variational approach has not been used before in quantitative palaeoclimatology. Furthermore, a
modification of an existing method (' pdf'-method) for local reconstructions of palaeoclimate is proposed. Fossil pollen and macro remains from more than 50 European sites serve as proxy data.
The botanical-climatological relation is quantified by Bayesian statistical transfer functions. Each of these transfer functions is a bivariate
probability density function (pdf) for January and July temperature conditional on the existence of a certain taxon. The conditional pdfs are estimated for 126 taxa using modern data, i.e. a gridded climatology of monthly temperatures and digitized chorological maps with
 0.5°×0.5° longitude-latitude resolution. Non-parametric kernel densities and parametric Gaussian mixture models are tested as estimator
functions and compared to the normal distributions used in Kühl et al. (2002) and Kühl (2002). The kernel densities and mixture models are more flexible than the normal distributions and can reproduce features like skewness and bimodality. The mixture models are advantageous compared to the kernel densities because they are characterized by a limited number of parameters.
The existing 'pdf-method' (Kühl et al., 2002; Kühl, 2002) for the local reconstruction of palaeoclimate is modified by using mixture
models instead of normal distributions. The co-occurrence of several taxa at a certain location is accounted for by the definition of a
combined conditional pdf for January and July temperature which is the product of the individual taxon-pdfs. For each fossil site, the
corresponding combined pdf identifies a most probable January and July temperature combination with its associated uncertainty range
conditional on the co-occurrence of the taxa observed in the fossil record. The most probable temperatures serve as locally reconstructed temperatures and the uncertainty range of the combined pdf is equivalent to the uncertainty of this reconstruction.
The application of the method to botanical proxy data of two Eemian time slices (the Corylus- and the Carpinus-phase) leads to
reconstructed July temperatures which are ~1°C to 3°C warmer than present at most Western and Central European sites for the
Corylus-phase. There is no clear tendency of January temperatures being warmer or colder than present in this time slice. Locally
reconstructed winter temperatures were ~2°C milder than present in Eastern Europe during the Carpinus-phase while the July temperatures were slightly colder compared to the earlier time slice but still warmer than present at many sites. The reconstructed January temperatures are clearly warmer than modern climate in Scandinavia and the Baltic states for both time slices.
A variational analysis is proposed which leads to the reconstruction of spatially coherent temperature fields by interpolation of the local
proxy information provided by the fossil records. In order to stabilize the reconstruction, the large-scale characteristics of a linear
advection-diffusion model for temperature anomalies are incorporated in the analysis. The resulting fields are consistent with that
simplified model of atmospheric thermodynamics as well as with the palaeobotanical input data. These reconstructed temperature fields
help to remove the sometimes questionable small-scale inter-site variability as evident in the local reconstruction. They are useful in
diagnostic studies of the climate system and are appropriate to validate numerical models which simulate climatic processes on large
temporal and spatial scales. In contrast to previous attempts to infer spatial temperature patterns from palaeodata, the presented variational method has the advantage of being objective in terms of reproducibility.
The reconstructed temperature fields for the two Eemian time slices confirm the results of the local reconstruction with a maximum of July temperatures during the Corylus-phase over large parts of Europe. The warmer January temperatures over Eastern Europe during the second time slice are qualitatively similar to the local reconstruction but show a weaker signal. The variationally reconstructed winter
temperatures in Southern Finland and the Baltic states are clearly warmer than modern values. The results suggest a succession from more continental conditions during the Corylus-phase to a more oceanic climate during the Carpinus-phase. There are no indications for unstable conditions during the Eemian interglacial in the reconstructed temperatures.
The variational approach successfully reconstructs the Eemian temperatures and thereby proves to be a promising tool in quantitative
palaeoclimatology. In particular, it allows for the incorporation of stabilizing dynamical or statistical constraints which help to reconstruct
spatially consistent fields despite the comparably low observational density encountered in palaeoclimatology.

N. Kühl, C. Gebhardt, T. Litt & A. Hense (2002):
Probability Density Functions as Botanical-Climatological Transfer Functions for Climate Reconstruction, Quaternary Research, 58,
381-392.

N. Kühl (2002):
Die Bestimmung botanisch-klimatologischer Transferfunktionen und die Rekonstruktion des bodennahen Klimazustandes in der
Eem-Warzeit, Dissertation. Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Germany, 144pp.


Artikelaktionen