A Quasi-Continuous Reconstruction of Central Tropical Pacific

Research Collection
Doctoral Thesis
A Quasi-Continuous Reconstruction of Central Tropical Pacific
Climate Variability throughout the Mid-to Late Holocene Inferred
from Line Island Fossil Corals
Author(s):
Westphal, Niko
Publication Date:
2015
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010659131
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ETH Library
DISS. ETH NO. 22881
A Quasi-Co ti uous Re o stru tio of Ce tral
Tropi al Pa ifi Cli ate Varia ility throughout
the Mid-to Late Holo e e I ferred fro Li e
Isla d Fossil Corals
A Thesis Submitted to Attain the Degree
DOCTOR OF SCIENCES ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
Presented By
NIKO WESTPHAL
Dipl. Geow.
Leibniz University of Hannover
Born September 28, 1978
Citizen of Germany
Accepted on the Recommendation of
Prof. Dr. Gerald H. Haug
Prof. Dr. Christopher D. Charles
Prof. Dr. Tapio Schneider
Prof. Dr. Larry C. Peterson
2015
SUMMARY
SUMMARY
Global warming-induced climate change and associated ecological and socioeconomic impacts will be one of the main tasks challenging future generations. The ability
of the tropical Pacific to modulate temperature and precipitation patterns worldwide via
coupled ocean-atmosphere teleconnections makes it a crucial component of the global
climate system. The extent, however, to which tropical Pacific climate variability responds
to external forcing or is sensitive to the global mean climate state demands further and
more detailed clarification. This enigma is elucidated by the broad range of scenarios
predicted by climate projections under progressing global warming and the ambiguity
provided by analyses of secular climate trends. Given that neither climate models nor SST
reconstructions are yet capable of yielding consistent results, there is an apparent
necessity to determine the mechanisms and range of natural climate variability in the
tropical Pacific. The mid- to late Holocene (here defined as the past ~7,000 years) was
ha a te ized
disti t ha ges i Ea th s o ital configuration which resulted in
different climate states. Thus, the past 7,000 years represent a natural case study to
unravel tropical Pacific climate dynamics prior to anthropogenic forcing against a variety
of background climate conditions.
The goal of this thesis is to gain a profound understanding of potential links
between external forcing, tropical Pacific mean climate, and natural climate variability.
The strategy to achieve this goal is to generate a precisely (U/Th)-dated, quasi-continuous
oxyge isotope δ18O) record inferred from fossil corals (Porites) throughout the mid- to
late Holocene. The monthly resolved coral records from the Line Islands preserve
multidecadal windows on changes in the annual to decadal variability and the evolution
of the central tropical Pacific mean state, thus the Christmas and Fanning Island corals
provide an exceptional opportunity to unravel past tropical Pacific climate and climate
variability.
U/Th ages of two sub-fossil corals reveal ages of 1927 and 1876 A.D. (±1 year),
demonstrating the exceptional accuracy of dating young fossil corals with this method. In
conjunction with a 20th century Fanning record and subsequent imputation of missing
data using the Regularized Estimation Maximization (RegEM), the Fanning record covers
the period of 1859 to 2007 A.D. The coral record exhibits a trend towards more negative
δ18O, thus implying that the central tropical Pacific has experienced enhanced equatorial
warming and atmospheric convection since the mid-19th century, which in turn is
indicative of an evolution towards more El Niño-like conditions. Furthermore, analysis of
the major El Niño events reveals that the 1877-78 warm ENSO extreme was the strongest,
followed by the events of 1940-41, and 1997-98. A noteworthy feature is the enhanced
δ18O-amplitude in the fossil corals, especially during warm and cold ENSO extremes which
V
SUMMARY
is unprecedented in other coral records, and is likely a result of coral growth in complex
hydrological regime.
The central tropical Pacific was subject to distinct changes for the past ~7,000
ea s. The lo gte t e d i
ea o al δ18O towards more negative values indicates a
gradual warming and/or freshening of the central tropical Pacific since the mid-Holocene,
similarly to observations from the eastern Pacific. Opposing the warming and/or
freshening trend, the corals exhibit a stronger annual cycle 7,000 years ago and a
diminishing thereafter toward modern day conditions. Contrarily, interannual (ENSO) and
decadal variability do not exhibit systematic changes through time. In fact, the
interannually and decadally bandpass-filtered time series indicate a high internal
variance. Relative to the 20th century (not to the last millennium), ENSO activity was
significantly reduced, while decadal activity shows little or no change throughout the midto late Holocene. Moreover, ratios of interannual-decadal variability show that ENSO
dominance over decadal variability during the mid-Holocene was weaker than in modern
li ate. “pe t al a al sis of the fossil o al δ18O records further reveals that interannual
variability was somewhat less frequent, while decadal-scale variability remained
relatively stable, thus suggesting that both ENSO and decadal variability represent a
persistent feature of central tropical Pacific climate throughout the mid- to late Holocene.
Furthermore, periodicity concentrated between ~11-16 years suggests some quasioscillatory behavior of the decadal variability, thus pointing to potential predictability.
Taken together, the results imply that the observed changes in mean climate and climate
variability may be partly due to insolation changes associated with distinct configurations
in orbital parameters. The mean climate state and the annual cycle are supposedly
sensitive to orbital forcing, while it is difficult to attest the same for variability on
interannual and decadal timescales. ENSO and decadal variability may act independently
from orbital forcing due to their highly intrinsic nature or may be obscuring the orbital
control through internal variability.
VI
ZUSAMMENFASSUNG
ZUSAMMENFASSUNG
Der, aus der globalen Erwärmung resultierende, Klimawandel und die damit
verbundenen ökologischen und sozio-ökonomischen Folgen stellen eine der größten
Herausforderungen zukünftiger Generationen dar. Durch die Fähigkeit Niederschlagsund Temperaturmuster durch gekoppelte ozeanische-atmosphärische Telekonnektionen
weltweit zu modifizieren, kommt dem tropischen Pazifik eine Schlüsselposition im
globalen Klimasystem zu. Das Ausmaß der Sensitivität der Klimavariabilität des tropischen
Pazifiks ist bis heute jedoch nur unzureichend geklärt. Dies wird durch die große
Bandbreite an Szenarien verdeutlicht, die verschiedene Klimamodelle unter anhaltender
globaler
Erwärmung
projizieren.
Zusätzlich
liefern
rekonstruierte
Oberflächenwassertemperaturen (sea surface temperature: SST) über die vergangenen
ca. 150 Jahre inkonsistente Ergebnisse. Da weder Klimamodelle noch SST
Rekonstruktionen zurzeit in der Lage sind übereinstimmende Ergebnisse
hervorzubringen, ist es notwendig, die Mechanismen und den Umfang der natürlichen
Klimavariabilität im tropischen Pazifik zu definieren. Ein angemessenes Zielobjekt, um die
vorindustrielle Klimadynamik umfassend zu studieren, repräsentiert das mittlere bis
späte Holozän (die ca. letzten 7,000 Jahre), das, infolge der Änderungen in den
Orbitalparametern, durch verschiedene Klimata gekennzeichnet war.
Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es ein profundes Verständnis möglicher
Interaktionen zwischen externem Einfluss, mittlerem Klima des tropischen Pazifiks, sowie
natürlicher Klimavariabilität zu erlangen. Die Strategie um dieses Ziel zu erreichen, basiert
auf der Generierung eines präzise (U/Th)-datierten, quasi-kontinuierlichen
Sauerstoffisotopen-Datensatzes (δ18O) anhand fossiler Korallen (Porites) des mittleren bis
späten Holozäns. Die einzelnen, monatlich aufgelösten Datensätze ermöglichen es,
multidekadische Fenster auf Änderungen vergangener Klimavariabilität und die
Entwicklung des mittleren Klimas des tropischen Pazifiks hin zu untersuchen. Die
erhobenen Korallendatensätze von den Line Islands (Christmas und Fanning Inseln)
stammen aus unmittelbarer Nähe der El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Region, und
bieten somit eine einzigartige Möglichkeit, die Klimavariabilität im tropischen Pazifik
während der letzten Jahrtausende zu erforschen.
Korallen von der Fanning Insel wurden mittels U/Th-Methode auf ein Alter von
1927 bzw. 1876 AD (±1 Jahr) datiert. Der geringe Fehler bei der Altersdatierung spiegelt
die bemerkenswerte Genauigkeit dieser Methode bei jungen, fossilen Korallen wider.
Zusammen mit einem Korallendatensatz aus dem 20. Jahrhundert, sowie die
Implementierung fehlender Daten mit der Regularized Estimation Maximization (RegEM)Methode zwischen den einzelnen Korallenstücken, war es möglich einen kontinuierlichen
Datensatz von 1859 bis 2007 AD zu generieren. Der Korallendatensatz zeigt eine Tendenz
VII
ZUSAMMENFASSUNG
zu negativeren δ18O, das auf stärkere äquatoriale Erwärmung und atmosphärische
Konvektion seit Mitte des 19. Jahrhunderts hinweist. Diese Entwicklung deutet verstärkt
auf ein El Niño-ähnliches Verhalten des tropischen Pazifiks hin. Desweiteren zeigt die
Analyse, dass das warme ENSO-Extrem von 1877-78, gefolgt von den Extremen in den
Jahren 1940-41 und 1997-98, das Stärkste war. Ein beachtenswertes Merkmal stellt eine
erhöhte δ18O-Amplitude, insbesondere während warmer und kalter ENSO-Extreme, dar,
die beispiellos im Vergleich mit anderen Korallendaten ist. Dieses Phänomen ist
wahrscheinlich auf einen nichtklimatischen Ursprung, möglicherweise das Wachstum der
Koralle in hypersalinen, hydrologischen Regime, zurückzuführen.
Die letzten ca. 7,000 Jahre im zentralen tropischen Pazifik waren durch
ausgeprägte klimatische Veränderungen gekennzeichnet. Negativere δ18O-Mittelwerte
sind Indiz dafür, dass der tropische Zentralpazifik, ähnlich dem Ostpazifik, seit dem
mittlerem Holozän einen graduellen Erwärmungstrend und/oder Veränderungen der
Salinität erfuhr. Gegensätzlich zu diesem Trend zeigen die Korallen, dass, im Vergleich mit
rezenten Gegebenheiten, der annuale Zyklus im mittleren Holozän verstärkt war. Die
Variabilität auf interannualen (ENSO) und dekadischen Zeitskalen hingegen zeigen keine
oder geringfügige Änderungen über die letzten 7,000 Jahre. Tatsächlich suggerieren die
bandpass-gefilterten Zeitreihen eine hohe intrinsische Varianz. Im Vergleich zum 20.
Jahrhundert (nicht mit dem letzten Millennium) war die ENSO-Varianz des Mittel- bis
Spätholozän erheblich reduziert, während sich die dekadische Variabilität kaum
veränderte. Desweiteren verdeutlichen die Verhältnisse von interannualen bis
dekadischen Variabilität, dass die heutige ENSO-Dominanz gegenüber der dekadischen
Variabilität im Verlauf der letzten 7,000 Jahre abgenommen hat. Spektralanalyse der
Korallendaten deutet weiterhin darauf hin, dass sich die interannuale Variabilität
verringerte, wohingegen die dekadische Variabilität im Wesentlichen stabil blieb. Diese
Ergebnisse verstärken den Eindruck, dass die Klimavariabilität auf beiden Zeitskalen ein
robustes Merkmal des zentralen tropischen Pazifikklimas darstellt. Zusätzlich zeigen die
Korallenspektren eine Periodizität zwischen 11 und 16 Jahren und somit auf eine etwaige
Vorhersagbarkeit der dekadischen Variabilität hinweisen könnte.
Die hier präsentierten Ergebnisse weisen darauf hin, dass die beobachteten
Änderungen des Klimas und deren Variabilität, zumindest zum Teil, auf Änderungen der
Insolation infolge orbitaler Konfiguration, zurückzuführen sind. Während das mittlere
Klima und der annuale Zyklus offenbar durch orbitales Forcing modifiziert werden,
gestaltet sich diese Aussage übertragen auf die interannuale und dekadische Variabilität
schwierig. ENSO und die dekadische Variabilität scheinen entweder unabhängig von
orbitalen Einflüssen und dem Durchschnittsklima zu agieren, oder aber die intrinsische
Natur der interannualen und dekadischen Variabilität überprägt den Effekt des orbitalen
Forcings.
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