ALBERT

Description: The GRACE and GRACE-FO satellites observe the redistribution of mass in terrestrial water storage, ice sheets, oceans, atmosphere, and solid Earth. Because GRACE data is typically accumulated into monthly-mean gravity fields, an a priori background model, namely the Atmosphere and Ocean Dealiasing Level 1B (AOD1B) product, is applied to remove non-tidal variability that would otherwise alias into the monthly solutions. The main disadvantage of AOD1B RL06 compared to its previous release is that it does not simulate the dynamics beneath the Antarctic ice shelves, which can have a strong influence on global ocean circulation. The primary motivation for this work is the development of the new release of AOD1B, but the performed model experiments can also provide useful insight into the influence processes in the Southern Ocean have on global ocean dynamics. To be able to test various model experiments, as well as to compare GRACE gravity field solutions, validation against in situ measured ocean bottom pressure (OBP) is used. The validation is somewhat better suited for submonthly variability of the ocean models than for long-term signals measured by GRACE because the in situ time series are affected by the errors in trend and drift removal on longer temporal scales. The difference between the pointwise in situ and the area-averaging GRACE measuring technique also influences the comparison. It is shown that post-processing choices can severely impact the results of the validation of GRACE fields, so if different solutions are compared, their post-processing needs to be identical. Validation against in situ OBP is used to compare the EGSIEM combined GRACE solution with its five contributing datasets. It is shown that the combined solution is very close to the leading CSR RL05 and ITSG-Grace2016 solutions, outperforming the others. To investigate whether GRACE is able to detect submonthly signals, the ITSG-Grace2016 daily Kalman solution, from which the submonthly atmospheric and oceanic variability has been removed with AOD1B RL05, is validated against in situ OBP. The results show that GRACE successfully captures some submonthly variability that is not predicted by the incorporated dealiasing model. As a first step towards AOD1B RL07, the dynamics beneath the Antarctic ice shelves are implemented into the model used as the oceanic part of AOD1B, the Max Planck Institute Ocean Model (MPIOM). The bathymetry is modified to include the areas under the ice shelves and two new model experiments are performed: in one those regions are treated as open ocean, while in the other the atmospheric forcing is modified to simulate the ice shelves. The changes caused by such modifications are not limited only to the Southern Ocean, but also affect the Northern Atlantic, confirming the role the Weddell Sea has on the meridional overturning circulation. While surface changes exceed the typical variability only in a few regions, the differences at the bottom of the ocean are larger. The changes caused by ice shelf forcing are of the same order of magnitude in the vicinity of the ice shelves, but much smaller globally. A comparison with the GLORYS2v4 ocean reanalysis shows that the new model experiments are closer to the reanalysis, especially in the regions where the original MPIOM experiment performs the worst. The analysis of OBP variability points out some possible issues that need to be fixed before publishing the new AOD1B release. Validation against in situ OBP, however, shows that the modifications are without a doubt in the right direction: the new model experiment has increased relative explained variances in the 1 - 3 days band by approximately 5 % throughout Pacific, and by more than 10 % in the Antarctic Circumpolar Current region.

Description: Die GRACE- und GRACE-FO-Satelliten beobachten die Umverteilung von Masse in terrestrischen Wasserspeichern, Eisdecken, Ozeanen, Atmosphäre und fester Erde. Da GRACE-Daten in der Regel in monatlichen gemittelten Schwerefeldern gesammelt werden, wird ein a priori Hintergrundmodell Atmosphere and Ocean Dealiasing Level 1B (AOD1B) angewendet, um nicht-gezeitenbedingte Schwankungen zu beseitigen, die andernfalls zu einem Alias-Effekt in den monatlichen Lösungen führen würden. Der Hauptnachteil von AOD1B RL06 im Vergleich zu seiner Vorgängerversion besteht darin, dass die Dynamik unter den Antarktis-Eisschelfs, die einen starken Einfluss auf die globale Ozeanzirkulation haben kann, nicht simuliert wird. Die Hauptmotivation für diese Arbeit ist die Entwicklung des neuen Releases von AOD1B, die durchgeführten Modellexperimente können jedoch auch nützliche Einblicke in den Einfluss von Prozessen im Südpolarmeer auf die globale Ozeandynamik liefern. Um verschiedene Modellexperimente testen und GRACE-Schwerefeldlösungen vergleichen zu können, wird eine Validierung gegen den in situ gemessenen Meeresbodendruck (OBP) durchgeführt. Die Validierung ist für die submonatliche Variabilität der Ozeanmodelle etwas besser geeignet als für die von GRACE gemessenen Langzeitsignale, da die In-situ-Zeitreihen auf längeren Zeitskalen von Trend- und Driftentfernungenfehlern beeinflusst werden. Der Unterschied zwischen der punktweisen in situ- und der flächenmittelnden GRACE-Messtechnik beeinflusst auch den Vergleich. Es wird gezeigt, dass die Auswahl der Postprozessierung die Validierungsergebnisse von GRACE-Feldern erheblich beeinflussen kann. Wenn also verschiedene Lösungen verglichen werden, muss die Postprozessierung identisch sein. Die Validierung gegen In-situ-OBP wird verwendet, um die in EGSIEM Projekt kombinierte GRACE-Lösung mit ihren fünf beitragenden Datensätzen zu vergleichen. Es wird gezeigt, dass die kombinierte Lösung den führenden CSR RL05- und ITSG-Grace2016-Lösungen sehr nahe kommt und die anderen übertrifft. Um zu untersuchen, ob GRACE in der Lage ist, submonatliche Signale zu erkennen, wird die tägliche ITSG-Grace2016-Kalman-Lösung, aus der die submonatliche atmosphärische und ozeanische Variabilität mit AOD1B RL05 entfernt wurde, gegen in situ OBP validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass GRACE gewisse submonatliche Variabilitäten erfolgreich erfasst, die vom integrierten Dealiasing-Modell nicht vorhergesagt werden. Als erster Schritt in Richtung AOD1B RL07 wird die Dynamik unter den Antarktis-Eisschelfs in das Max Planck Institute Ocean Model (MPIOM) implementiert, das als ozeanischer Teil von AOD1B verwendet wird. Die Bathymetrie wird modifiziert, um die Bereiche unter den Eisschelfen einzubeziehen, und es werden zwei neue Modellexperimente durchgeführt: In einem Experiment werden diese als offener Ozean behandelt, während im anderen der atmosphärische Antrieb modifiziert wird, um die Eisschelfe zu simulieren. Die durch solche Modifikationen verursachten Veränderungen beschränken sich nicht nur auf das Südpolarmeer, sondern betreffen auch den Nordatlantik, was die Rolle des Weddellmeeres für die meridionale Umwälzzirkulation bestätigt. Während die Oberflächenveränderungen die typische Variabilität nur in wenigen Regionen überschreiten, sind die Unterschiede am Meeresboden größer. Die Veränderungen, die durch den Eisschelfantrieb verursacht werden, sind in der Nähe der Eisschelfs in der gleichen Größenordnung, global jedoch viel geringer. Ein Vergleich mit der Ozean-Reanalyse GLORYS2v4 zeigt, dass die neuen Modellexperimente näher an der Reanalyse liegen, insbesondere in den Regionen, in denen das ursprüngliche MPIOM-Experiment am schlechtesten abschneidet. Die Analyse der OBP-Variabilität zeigt einige mögliche Probleme auf, die vor der Veröffentlichung der neuen Version des AOD1B-Produkts behoben werden müssen. Die Validierung mit In-situ-OBP zeigt jedoch, dass die Modifikationen zweifellos in die richtige Richtung weisen: Das neue Modellexperiment hat die relativen erklärten Varianzen im Bereich von 1 - 3 Tagen im gesamten pazifischen Raum um ungefähr 5 % erhöht und um mehr als 10 % in der Region der Antarktische Zirkumpolarströmung.

Description: Pollen are widespread and abundant microspores that are resistant against decay. Their frequent appearance in climate archives gives the opportunity to study vegetation cover changes and past environmental characteristics. Morphology-based pollen analysis focus on the taxonomic identification of pollen grains extracted out of sediment cores or other archives. The prime advantage of this approach is a worldwide applicability enabling temperature and precipitation reconstructions through quantitative methods. Stable isotope analysis is another approach using pollen in climate studies. Due to the immediate physiological responses of plants to environmental change, isotope values of pollen potentially provide high-resolution palaeoclimate information. Because this method for studying environmental changes is still in the need of a general assessment of its spectrum of applicability and limitations, this thesis focusses mainly on preliminary investigations of species-specific pollen-isotope variability and applicability in environmental studies. A case study of climate and vegetation reconstruction on the north-eastern Qinghai-Tibetan Plateau using classical morphology-based palynology is included in this dissertation as a first research topic. Pollen assemblages extracted out of the Daotang Pond record reveal environmental changes over the last 1200 years.The Medieval Warm Period occurred on the Qinghai-Tibetan Plateau between CE 850 and 1400. This climate anomaly was accompanied by regular East Asian Summer Monsoon penetrations and moisture input from the eastern lowland. Dry spells with diminished precipitation during the Medieval Warm Period are detectable out of the deposited pollen assemblages, but they have not been as severe as reported from other regions on the Qinghai-Tibetan Plateau. This is most likely caused by a humid micro-climate in the vicinity of the Qinghai Lake drainage basin. Features of the Little Ice Age (CE 1450 to 1950) can also be traced by analysing the pollen assemblages of the samples. Although the Little Ice Age is characterized by a weakened East Asian Summer Monsoon, the pollen record does not display a particularly dry environment during this time period, probably due to generally lower temperatures and diminished evapotranspiration. However, long distance transport of pollen is known to falsify pollen assemblages and its impact on the reconstruction of past environmental conditions cannot be ruled out. Additionally, the Qinghai-Tibetan Plateau is a pastoral region and its vegetation composition has been affected by grazing herds, diminishing the climate information which can be drawn from a quantitative morphology-based pollen analysis. The second part of this dissertation focusses on comprehensive investigations about species-specific isotope variability of modern pollen to promote the application of isotope analysis of fossil pollen in palaeoclimate reconstructions. Modern pollen of nine abundant tree species were sampled during the consecutive vegetation periods of 2015 and 2016 in seven national and nature parks in central and northern Europe. The investigation of various non-climate impact factors on the pollen-isotopes helps to assess sampling strategies in future studies and supports the interpretation of fossil pollen-isotope values. The results suggest that each species has specific δ13C and δ18O patterns and ranges within their pollen-isotope values and their spectra reveal gradients between maritime and continental study sites. The altitudinal effect, an increase in the isotope values with elevation, can be traced within the δ13C but not within the δ18O values of Picea abies pollen. The δ13Cpollen and δ18Opollen values of broad-leaved species flowering before leaf proliferation (January to March) were significantly lower than the isotope values of broad-leaved trees flowering later in spring (April to May). Pollen-isotope values of early flowering species are believed to reflect environmental conditions of the previous autumn and winter, whereas the isotope values of spring-flowering species reflect conditions of the ongoing season after the reoccurrence of growth. These findings indicate, that seasonal weather reconstructions using pollen-isotope values of different species are feasible. Pollen-isotope values of all species varied within the sampling sites. They even varied significantly between different flower positions on a tree and also within single branches. The circumferential variability within trees was up to 3.5‰ for δ13Cpollen and 2.1‰ for δ18Opollen. Species-specific pollen-isotope variation between the two consecutive years was on average 1.0‰ for δ13C and 1.6‰ for δ18O and oxygen pollen-isotopes even changed significantly during the last stages of pollen maturation. Regarding palaeoclimate investigations, these results emphasize the need for a taxonomic separation of fossil pollen and the analysis of a sufficient amount of pollen material to avoid interpretation errors due to outliers caused by flowering positions or an unusual origin of the pollen. A chemical purification protocol of modern and fossil pollen samples needs to be established to advance reproducibility of the analytical results when fossil pollen-isotopes are used to reconstruct climate conditions. Therefore, the impact of four chemicals on the δ13C and δ18O values of modern pollen sampled from eight abundant tree species were assessed and evaluated. The results suggested species-specific alterations of the pollen-isotope values. Potassium hydroxide, hydrofluoric acid and sodium hypochlorite alter the carbon and oxygen isotope values of pollen to an assessable degree and therefore their usage to purify pollen samples can be rated as unproblematic in future palaeoclimate studies. The application of sulfuric acid on the other hand should generally be avoided, because the chemical alters the δ13Cpollen and δ18Opollen values with a highly variable offset. The outcome of the comprehensive research on pollen-isotope variability and influencing factors is a contribution towards a regular usage of stable isotope analysis of pollen in palaeoecological investigations. Open research questions on the topic of amplifying pollenisotope analysis in palaeoclimate research remain. An actual application of the method requires additional analytical tests, in particular an improved separation technique to extract fossil pollen using a minimal amount of chemicals. Also, the determination of important climatological impact factors defining the carbon and oxygen isotope values of pollen is necessary. The possibility to use multiple approaches of fossil pollen to reconstruct climate conditions of the past is valuable and worthy of further intensive investigations. Pollen sind weit verbreitete, zahlreich vorhandene und sehr resistente Mikrosporen. Ihr häufiges Auftreten in Klimaarchiven bietet die Möglichkeit, Veränderungen der Vegetationsdecke und vergangene Umweltmerkmale zu untersuchen. Morphologie-basierte Pollenanalysen konzentrieren sich auf die taxonomische Identifizierung von Pollenkörnern, die aus Sedimentbohrkernen oder anderen Archiven extrahiert wurden. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist eine weltweite Anwendbarkeit, die verlässliche Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktionen durch etablierte quantitative Methoden ermöglicht. Die Analyse stabiler Isotope ist ein weiterer Ansatz, bei dem Pollen in Klimastudien verwendet werden können. Aufgrund der unmittelbaren physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf Umweltveränderungen können Isotopenwerte von Pollen hochauflösende Paläoklimainformationen liefern. Da diese neuere Methode zur Untersuchung von Umweltveränderungen noch einer generellen Einschätzung ihres Anwendungsspektrums und ihrer Grenzen bedarf, konzentriert sich diese Arbeit hauptsächlich auf Voruntersuchungen zur artspezifischen Pollenisotopenvariabilität und Anwendbarkeit in Umweltstudien. Eine Fallstudie zur Klima- und Vegetationsrekonstruktion auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau unter Verwendung der klassischen Morphologie-basierten Palynologie ist als erstes Forschungsthema in dieser Dissertation enthalten. Die wechselnde Zusammensetzung der Pollentypen, die aus den Proben des Daotang Ponds extrahiert wurden, zeigen die Umweltveränderungen der letzten 1200 Jahre auf dem nord-östlichen Qinghai-Tibetischen Plateau. Die mittelalterliche Warmzeit fand in der Region zwischen 850 und 1400 n. Chr. statt. Diese Klimaanomalie ist am Daotang Pond gekennzeichnet von regelmäßigen Einbrüchen des ostasiatischen Sommermonsuns und Feuchtigkeitseinträgen aus dem östlichen Tiefland. Trockenperioden mit vermindertem Niederschlag während des mittelalterlichen Klimaoptimums sind aus den abgelagerten Pollenansammlungen nachweisbar, aber sie waren nicht so schwerwiegend wie in anderen Regionen auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau, was vermutlich auf ein bestehendes feuchtes Mikroklima durch den nahegelegenen Qinghai See zurückzuführen ist. Die Kleine Eiszeit (1450 bis 1950 n. Chr.) kannauch durch die Morphologie-basierte Analyse der Pollenansammlungen in den Daotang Proben zurückverfolgt werden. Obwohl die Kleine Eiszeit durch einen abgeschwächten ostasiatischen Sommermonsun gekennzeichnet ist, zeigt der Pollenflug in diesem Zeitraum keine besonders trockene Umgebung. Vermutlich war in der Region aufgrund allgemein niedrigerer Temperaturen auch die Evapotranspiration deutlich vermindert. Es ist jedoch bekannt, dass der Langstreckentransport von Pollen die Pollenansammlungen verfälscht, und sein Einfluss auf die Rekonstruktion vergangener Umweltbedingungen kann nicht ausgeschlossen werden. Darüber hinaus ist das Qinghai-Tibetische Plateau eine Hirtenregion und die Vegetationszusammensetzung wurde stark durch weidende Herden beeinträchtigt, wodurch die Klimainformationen, die aus einer quantitativen Morphologie-basierten Pollenanalyse gewonnen werden können, vermindert sind. Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf umfassende Untersuchungen zur artspezifischen Isotopenvariabilität moderner Pollen, um die Anwendung der Isotopenanalyse fossiler Pollen bei Paläoklima-Rekonstruktionen zu fördern. In sieben National und Naturparks in Mittel- und Nordeuropa wurden während zwei aufeinanderfolgender Vegetationsperioden 2015 und 2016 moderne Pollen von neun weit verbreiteten Baumarten beprobt. Die Untersuchung verschiedener nicht-klimatischer Einflussfaktoren auf die Pollenisotope hilft bei der Beurteilung von Beprobungsstrategien in zukünftigen Studien und unterstützt die Interpretation der Isotopenwerte fossiler Pollen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass jede Art spezifische 13C- und 18O-Muster und Spannweiten innerhalb ihrer Pollenisotopenwerte aufweist und ihre Spektren zeigen Gradienten zwischen maritimen und kontinentalen Untersuchungsgebieten. Der Höheneffekt, eine Zunahme der Isotopenwerte mit der Höhe über NN, kann innerhalb der δ13C-, aber nicht innerhalb der δ18O-Werte von Picea abies Pollen nachgewiesen werden. Die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte von Laubbaumarten, die vor dem Blattaustrieb blühten (Januar bis März), waren signifikant niedriger als die Isotopenwerte von Laubbäumen, die später im Frühjahr blühen (April bis Mai). Man geht davon aus, dass die Pollenisotopenwerte früh blühender Arten die Umweltbedingungen des vorangegangenen Herbstes und Winters widerspiegeln, während die Isotopenwerte anderer Arten die Bedingungen der laufenden Saison nach dem Wiederauftreten des Wachstums aufzeigen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass saisonale Wetterrekonstruktionen mit den Pollenisotopenwerten verschiedener Arten durchführbar sind. Die Pollenisotopenwerte aller Arten variierten innerhalb der Sammelorte, und sie variierten auch signifikant zwischen verschiedenen Blütenpositionen an einem Baum und sogar innerhalb eines einzelnen Zweiges. Die zirkumferentielle Variabilität betrug bis zu 3.5‰ für δ13Cpollen und 2.1‰ für δ18Opollen. Die artenspezifische Pollenisotopenvariation zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Jahren betrug durchschnittlich 1.0‰ für δ13C und 1.6‰ für δ18O und die Sauerstoffisotopenwerte änderten sich sogar signifikant während der letzten Stadien der Pollenreifung in der Blüte. Im Hinblick auf paläoklimatische Untersuchungen unterstreichen diese Ergebnisse die Notwendigkeit einer taxonomischen Trennung fossiler Pollen und der Analyse einer ausreichenden Menge an Pollenmaterial, um Interpretationsfehler als Folge von Ausreißern aufgrund der Blühposition oder einer ungewöhnlichen Herkunft der Pollen zu vermeiden. Ein standardisiertes chemisches Aufbereitungsprotokoll für moderne und fossile Pollenproben ist notwendig um die Reproduzierbarkeit der analytischen Ergebnisse zu verbessern, wenn fossile Pollenisotope zur Rekonstruktion der Klimabedingungen verwendet werden. Daher wurden die Auswirkungen von vier Chemikalien auf die δ13C- und δ18O-Werte moderner Pollenproben von acht häufig vorkommenden Baumarten untersucht und bewertet. Die Ergebnisse deuteten auf artspezifische und substanzspezifische Veränderungen der Pollenisotopenwerte hin. Kaliumhydroxid, Flusssäure und Natriumhypochlorit verändern die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen in einem abschätzbaren Maße, sodass ihre Verwendung zur Aufbereitung von Pollenproben in zukünftigen Paläoklimastudien als unproblematisch eingestuft werden kann. Der Einsatz von Schwefelsäure hingegen sollte generell vermieden werden, da die Chemikalie die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte mit einem sehr variablen Offset verändert. Das Ergebnis der umfangreichen Forschung zur Pollen-Isotopenvariabilität und zu deren Einflussfaktoren ist ein Beitrag zu der zukünftigen etablierten Anwendung der stabilen Isotopenanalyse von Pollen in paläoökologischen Untersuchungen. Offene Forschungsfragen zur Pollenisotopenanalyse in der Paläoklimaforschung bleiben bestehen. Eine tatsächliche Anwendung der Methode erfordert zusätzliche analytische Tests, insbesondere eine verbesserte Trenntechnik zur Extraktion fossiler Pollen mit einem minimalen Chemikalieneinsatz. Auch die Bestimmung wichtiger klimatologischer Einflussfaktoren, die die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen definieren, ist notwendig. Die Möglichkeit, mehrere Methoden zur Analyse fossiler Pollen für eine Rekonstruktion von Klimabedingungen anwenden zu können, ist wertvoll. Daher verdient das Vorranbringen der Pollenisotopie-Methode weitere intensive Untersuchungen.

Description: Pollen sind weit verbreitete, zahlreich vorhandene und sehr resistente Mikrosporen. Ihr häufiges Auftreten in Klimaarchiven bietet die Möglichkeit, Veränderungen der Vegetationsdecke und vergangene Umweltmerkmale zu untersuchen. Morphologie-basierte Pollenanalysen konzentrieren sich auf die taxonomische Identifizierung von Pollenkörnern, die aus Sedimentbohrkernen oder anderen Archiven extrahiert wurden. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist eine weltweite Anwendbarkeit, die verlässliche Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktionen durch etablierte quantitative Methoden ermöglicht. Die Analyse stabiler Isotope ist ein weiterer Ansatz, bei dem Pollen in Klimastudien verwendet werden können. Aufgrund der unmittelbaren physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf Umweltveränderungen können Isotopenwerte von Pollen hochauflösende Paläoklimainformationen liefern. Da diese neuere Methode zur Untersuchung von Umweltveränderungen noch einer generellen Einschätzung ihres Anwendungsspektrums und ihrer Grenzen bedarf, konzentriert sich diese Arbeit hauptsächlich auf Voruntersuchungen zur artspezifischen Pollenisotopenvariabilität und Anwendbarkeit in Umweltstudien. Eine Fallstudie zur Klima- und Vegetationsrekonstruktion auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau unter Verwendung der klassischen Morphologie-basierten Palynologie ist als erstes Forschungsthema in dieser Dissertation enthalten. Die wechselnde Zusammensetzung der Pollentypen, die aus den Proben des Daotang Ponds extrahiert wurden, zeigen die Umweltveränderungen der letzten 1200 Jahre auf dem nord-östlichen Qinghai-Tibetischen Plateau. Die mittelalterliche Warmzeit fand in der Region zwischen 850 und 1400 n. Chr. statt. Diese Klimaanomalie ist am Daotang Pond gekennzeichnet von regelmäßigen Einbrüchen des ostasiatischen Sommermonsuns und Feuchtigkeitseinträgen aus dem östlichen Tiefland. Trockenperioden mit vermindertem Niederschlag während des mittelalterlichen Klimaoptimums sind aus den abgelagerten Pollenansammlungen nachweisbar, aber sie waren nicht so schwerwiegend wie in anderen Regionen auf dem Qinghai-Tibetischen Plateau, was vermutlich auf ein bestehendes feuchtes Mikroklima durch den nahegelegenen Qinghai See zurückzuführen ist. Die Kleine Eiszeit (1450 bis 1950 n. Chr.) kannauch durch die Morphologie-basierte Analyse der Pollenansammlungen in den Daotang Proben zurückverfolgt werden. Obwohl die Kleine Eiszeit durch einen abgeschwächten ostasiatischen Sommermonsun gekennzeichnet ist, zeigt der Pollenflug in diesem Zeitraum keine besonders trockene Umgebung. Vermutlich war in der Region aufgrund allgemein niedrigerer Temperaturen auch die Evapotranspiration deutlich vermindert. Es ist jedoch bekannt, dass der Langstreckentransport von Pollen die Pollenansammlungen verfälscht, und sein Einfluss auf die Rekonstruktion vergangener Umweltbedingungen kann nicht ausgeschlossen werden. Darüber hinaus ist das Qinghai-Tibetische Plateau eine Hirtenregion und die Vegetationszusammensetzung wurde stark durch weidende Herden beeinträchtigt, wodurch die Klimainformationen, die aus einer quantitativen Morphologie-basierten Pollenanalyse gewonnen werden können, vermindert sind. Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf umfassende Untersuchungen zur artspezifischen Isotopenvariabilität moderner Pollen, um die Anwendung der Isotopenanalyse fossiler Pollen bei Paläoklima-Rekonstruktionen zu fördern. In sieben National und Naturparks in Mittel- und Nordeuropa wurden während zwei aufeinanderfolgender Vegetationsperioden 2015 und 2016 moderne Pollen von neun weit verbreiteten Baumarten beprobt. Die Untersuchung verschiedener nicht-klimatischer Einflussfaktoren auf die Pollenisotope hilft bei der Beurteilung von Beprobungsstrategien in zukünftigen Studien und unterstützt die Interpretation der Isotopenwerte fossiler Pollen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass jede Art spezifische 13C- und 18O-Muster und Spannweiten innerhalb ihrer Pollenisotopenwerte aufweist und ihre Spektren zeigen Gradienten zwischen maritimen und kontinentalen Untersuchungsgebieten. Der Höheneffekt, eine Zunahme der Isotopenwerte mit der Höhe über NN, kann innerhalb der δ13C-, aber nicht innerhalb der δ18O-Werte von Picea abies Pollen nachgewiesen werden. Die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte von Laubbaumarten, die vor dem Blattaustrieb blühten (Januar bis März), waren signifikant niedriger als die Isotopenwerte von Laubbäumen, die später im Frühjahr blühen (April bis Mai). Man geht davon aus, dass die Pollenisotopenwerte früh blühender Arten die Umweltbedingungen des vorangegangenen Herbstes und Winters widerspiegeln, während die Isotopenwerte anderer Arten die Bedingungen der laufenden Saison nach dem Wiederauftreten des Wachstums aufzeigen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass saisonale Wetterrekonstruktionen mit den Pollenisotopenwerten verschiedener Arten durchführbar sind. Die Pollenisotopenwerte aller Arten variierten innerhalb der Sammelorte, und sie variierten auch signifikant zwischen verschiedenen Blütenpositionen an einem Baum und sogar innerhalb eines einzelnen Zweiges. Die zirkumferentielle Variabilität betrug bis zu 3.5‰ für δ13Cpollen und 2.1‰ für δ18Opollen. Die artenspezifische Pollenisotopenvariation zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Jahren betrug durchschnittlich 1.0‰ für δ13C und 1.6‰ für δ18O und die Sauerstoffisotopenwerte änderten sich sogar signifikant während der letzten Stadien der Pollenreifung in der Blüte. Im Hinblick auf paläoklimatische Untersuchungen unterstreichen diese Ergebnisse die Notwendigkeit einer taxonomischen Trennung fossiler Pollen und der Analyse einer ausreichenden Menge an Pollenmaterial, um Interpretationsfehler als Folge von Ausreißern aufgrund der Blühposition oder einer ungewöhnlichen Herkunft der Pollen zu vermeiden. Ein standardisiertes chemisches Aufbereitungsprotokoll für moderne und fossile Pollenproben ist notwendig um die Reproduzierbarkeit der analytischen Ergebnisse zu verbessern, wenn fossile Pollenisotope zur Rekonstruktion der Klimabedingungen verwendet werden. Daher wurden die Auswirkungen von vier Chemikalien auf die δ13C- und δ18O-Werte moderner Pollenproben von acht häufig vorkommenden Baumarten untersucht und bewertet. Die Ergebnisse deuteten auf artspezifische und substanzspezifische Veränderungen der Pollenisotopenwerte hin. Kaliumhydroxid, Flusssäure und Natriumhypochlorit verändern die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen in einem abschätzbaren Maße, sodass ihre Verwendung zur Aufbereitung von Pollenproben in zukünftigen Paläoklimastudien als unproblematisch eingestuft werden kann. Der Einsatz von Schwefelsäure hingegen sollte generell vermieden werden, da die Chemikalie die δ13Cpollen- und δ18Opollen-Werte mit einem sehr variablen Offset verändert. Das Ergebnis der umfangreichen Forschung zur Pollen-Isotopenvariabilität und zu deren Einflussfaktoren ist ein Beitrag zu der zukünftigen etablierten Anwendung der stabilen Isotopenanalyse von Pollen in paläoökologischen Untersuchungen. Offene Forschungsfragen zur Pollenisotopenanalyse in der Paläoklimaforschung bleiben bestehen. Eine tatsächliche Anwendung der Methode erfordert zusätzliche analytische Tests, insbesondere eine verbesserte Trenntechnik zur Extraktion fossiler Pollen mit einem minimalen Chemikalieneinsatz. Auch die Bestimmung wichtiger klimatologischer Einflussfaktoren, die die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenwerte von Pollen definieren, ist notwendig. Die Möglichkeit, mehrere Methoden zur Analyse fossiler Pollen für eine Rekonstruktion von Klimabedingungen anwenden zu können, ist wertvoll. Daher verdient das Vorranbringen der Pollenisotopie-Methode weitere intensive Untersuchungen.

Description: Madagascar and Sri Lanka are key regions to understand the amalgamation and break-up of Gondwana; both islands were located centrally in the supercontinent and in the Pan-African Orogen. We determined crustal radial seismic anisotropy in southern Madagascar and the crustal velocity structure in Sri Lanka and compared our findings to those derived in other studies of Pan-African regions. We found major similarities, supporting the hypothesis that these once juxtaposed regions experienced major crustal unification through orogenetic processes. We determined radial anisotropy (RA) in the crust of southern Madagascar from the differences between the speeds of vertically and horizontally polarized shear waves (VSV and VSH). The latter we derived from Rayleigh and Love surface wave dispersion determined from seismic ambient noise cross-correlations. The amalgamated Precambrian units in the east and the Phanerozoic Morondava basin in the west of southern Madagascar were shaped by different geodynamic processes: The crystalline basement was strongly deformed and metamorphosed to varying degrees during the assembly of Gondwana and the Pan-African Orogeny, whereas the Morondava basin was formed during the separation of Africa and Madagascar. The different developments are reflected in first order differences in the radial anisotropy structure. In the Precambrian domains, positive RA (VSV〈VSH) is found in the upper and lower crust, with a layer of negative RA (VSV〉VSH) in between. The upper crustal anisotropy may reflect shallowly dipping layering within the Archean units and adjacent imbricated nappe stacks, whereas the lower crustal anisotropy likely represents fossilized crustal flow during the syn- or post-orogenic collapse of the Pan-African Orogen. The layer of negative RA may have preserved vertically oriented large shear zones of late Pan-African age. Within the Morondava basin, negative RA in the uppermost ∼5 km could have been generated by steep normal faults, jointing, and magmatic dike intrusions. The deeper sediments and underlying crustal basement are characterized by positive RA. This is consistent with horizontal bedding in the sediments and with the alignment of fabrics in the basement created by extension during the basin formation. The crust of Sri Lanka mostly consists of Precambrian rocks. We analyzed newly derived data from a temporary seismic network deployed in 2016–2017. Rayleigh wave phase dispersion from ambient noise cross-correlation and receiver functions were jointly inverted for the seismic structure using a transdimensional Bayesian approach. We determined Moho interface depths between 30–40 km, with the thickest crust (38–40 km) beneath the central Highland Complex (HC). The thinnest crust (30–35 km) is along the west coast, which experienced crustal thinning through the formation of the Mannar basin. The majority of VP/VS ratios are within a range of 1.66–1.73 and redominantly favor a felsic bulk crustal composition with intermediate to high silica content. A major intra-crustal (18–27 km), westward dipping (∼4.3°) interface with high VS (∼4 km/s) underneath is prominent in the central HC, continuing into the eastern Vijayan Complex (VC). The dipping discontinuity anda low velocity zone in the upper crust of the central HC can be related to the HC/VC contact zone. They are also in agreement with the well-established amalgamation theory of Sri Lanka, described by a stepwise collision of the arc fragments during Gondwana’s assembly, and deep crustal thrusting processes and a transpressional regime along the suture between HC and VC. We found striking similarities of seismic properties between southern Madagascar and Sri Lanka, and southern India and East Antarctica as once juxtaposed Pan-African terranes. Their crustal thicknesses range between 35–40 km in regions with little to no influence of post-orogenic processes such as rifting or younger orogeny. Pan-African crust of all comparison studies agree to average crustal VP/VS ratios on the lower side (1.65–1.78), indicating felsic to intermediate bulk crustal compositions. Sri Lanka shows higher surface VS (3.1–3.6 km/s) compared to average values in southern Madagascar (3.2–3.4 km/s) and southern India (3.2 km/s), which might be due to different burial depths and metamorphic grade of surface rocks during the Pan-African Orogeny, or different petrological compositions. A low velocity layer in the upper crust as we observe in central Sri Lanka is also present in other Pan-African terranes, and possibly was generated through retrograde metamorphic processes and fluid migration during the transpressive regime. The strong similarities of seismic crustal properties between these regions might be attributed to the region spanning unification of crustal structures through extensive common overprinting during the Pan-African Orogeny. Differences might be seen as consequence of autochtone terrane compositions, positions within the orogen, and individual reworking processes after the orogeny. We developed a software (BayHunter), implementing a Bayesian inversion approach, to estimate a range of models that fit the data and outputs meaningful uncertainty estimations. BayHunter is a Python framework to perform a Markov chain Monte Carlo (McMC) transdimensional Bayesian inversion of surface wave dispersion and receiver functions. The algorithm follows a data-driven strategy and solves for the velocity-depth structure, the number of layers, noise scaling parameters and VP/VS ratio. BayHunter was developed and used for the inversion of seismic data in Sri Lanka

Description: Glacial isostatic adjustment (GIA) is the ongoing response of the viscoelastic solid Earth, oceans and the gravitational field to the previous burden of the ice loads. The Earth’s surface was once covered with massive ice sheets, and melting of these ice sheets is still reshaping coastlines and affecting sea-level. To reconstruct former sea level and be able to predict future changes, it is necessary to constrain the rheological properties of the Earth’s structure. Widely used data to constrain Earth’s interior are sea-level indicators. In the first part of the thesis, we propose a statistical method that quantifies a relationship between the sea-level indicator and a relative sea level in order to compare it to GIA predictions. A statistical method is based on consideration of spatial and temporal probability density functions, derived from the age and elevation of each indicator. This method allows a more rigorous approach to validation with sea-level data and possibility to include low-quality data. We verified method performance in the Hudson Bay, Canada as a test run before applying it to the SW Fennoscandia. SW Fennoscandia identifies as an area where lateral heterogeneity is likely to exist. The south-western part of Fennoscandia lies on the crustal boundary called the Trans-European Suture Zone (TESZ), or the Tornquist Zone. GIA models have two representations of Earth’s structure; radially symmetric (1D), where the rheology only varies vertically, and lateral or 3D variations of viscosity structure. In this thesis, we compare glacial isostatic adjustment reconstructions with both representations of the rheology. Results from the 1D model show variations in the viscosity structure between the area near to the centre of the former ice sheet and the areas at the margin of the ice sheet. Hence, we verify the importance of including lateral variations in GIA models in this region. Application of 3D models displays the sensitivity of model parameters to crustal deformation. German Baltic coast yields thinner lithosphere than TESZ region and near-centre region. Additionally, in the TESZ region, we notice a steep increase in viscosity of the asthenosphere and upper-mantle. Furthermore, we compared two different global ice histories (ICE5G and ICE6G_C) and concluded that the marginal areas are more sensitive to different deglaciations, and we propose to use regional ice histories to constrain GIA models better. Apart from the new statistical method, this study sets a ground for future GIA studies in complex tectonic regions and demonstrates the importance of including laterally heterogeneous Earth structure in GIA models.

Description: Spatial and temporal measurements from satellite geodesy observations provide fundamental constraints for investigating the mechanisms that control earthquake-related processes over the seismic cycle. The surface motions, in particular those time-dependent observed following large earthquakes (in the postseismic period), can be used to examine both the frictional behaviour of the fault and the rheological properties in the lithosphere-asthenosphere system by means of geomechanical models. During the postseismic period, afterslip on the fault interface and viscous relaxation in the lithosphere-asthenosphere system are the dominant mechanisms. However, the relative contribution of these processes is not entirely understood, which is primarily due to the challenge of modelling the rheological behaviour of the lithosphere-asthenosphere system following megathrust earthquakes. Accordingly, models of the postseismic period have commonly assumed the whole crust as an elastic material above a viscoelastic upper mantle with linear or non-linear (viscosity) rheology. In this dissertation, I integrate state-of-the-art geomechanical-numerical models, Global Positioning System (GPS) observations, and aftershock seismicity to investigate the underlying deformation processes controlling the postseismic deformation induced by the 2010 Mw 8.8 Maule earthquake in Chile. I particularly focus on investigating the fundamental discrepancies in the resulting postseismic deformation between linear and power-law rheologies. In contrast to previous works, I use, for the first time, a forward model considering temperature-dependent power-law rheology. Furthermore, I implement a novel approach to discriminate competing postseismic simulations, which incorporates the positive correlation between afterslip and aftershock activity. The resulting stresses from the coseismic and postseismic deformation transferred to the northern segment of the 2010 event rupture area, where the Mw 8.4 Illapel earthquake occurred in 2015, are also studied. The geomechanical-numerical models consider constitutive equations to simulate the elastic and viscous rock responses of the crust and upper mantle. For the power-law rheology case, the spatial and temporal viscous distributions are modulated by the dislocation creep parameters and the temperature field in the crust and upper mantle. On the other hand, the linear rheology case consists of a material with homogeneous and linear viscosity in the upper mantle, while the whole crust is fully elastic. I employ the Finite Element Method (FEM) to solve the involved partial differential equations, for discrete elements representing the study area. The GPS observations and aftershock seismicity consist of published data spanning six years after the 2010 Maule event. By using a two-dimensional (2D) model approach, my results reveal crucial variations in the modelled surface postseismic displacements due to the choice of model rheology. When comparing these results with the GPS data, I find that the GPS displacement patterns are notably better explained by the power-law rheology model, particularly the six-years cumulative uplift in the volcanic arc and the high-rate transient displacements in the first two years following the mainshock. The primary deviations in the cumulative patterns are produced because of the location of the viscous relaxation. In the linear rheology case, most of the viscous relaxation occurs in the continental mantle wedge, beneath the forearc. Conversely, in the power-law rheology case, the viscous relaxation mainly occurs in the lower crust, beneath the volcanic arc, due to dislocation creep processes. In a subsequent study, I extend the 2D model approach to 3D. Here, I choose the preferred postseismic simulation from an innovative approach that accounts not only for the best fit to the GPS observations, but also incorporates the spatial correlation between inverted afterslip distributions and aftershock activity. My results reveal that afterslip inversions strongly depend on the choice of rheology, especially at greater depths (〉 60 km depths). I also show that a simulation that exhibits non-linear viscous relaxation, in the continental lower crust, considerably reduces the deep afterslip, which is in agreement with observations of relatively less aftershock moment release and the apparent lack of interseismic locking, at greater depths along the plate interface. Conversely, the linear rheology case results in large afterslip at greater depths. Similar to the 2D model outcomes, I favour a 3D simulation in which non-linear viscous relaxation mostly occurs in the continental lower crust and, to a lesser extent, in the continental upper mantle beneath the volcanic arc, since its better fit to the GPS data and, distinctly better correlation between afterslip and aftershock moment release. Therefore, my results challenge the common belief that the continental crust responds only elastically after megathrust earthquakes. Finally, I calculate for the first time the transfer of stresses to the Illapel segment due to afterslip and non-linear viscous relaxation associated with the Maule event under the Coulomb Failure (CFS) theory. I show that the patterns of predicted horizontal surface displacement are opposite when using a model with linear and power-law rheology. Predictions from the power-law rheology case agree better with the GPS data. My results reveal that most of the CFS changes are due to the coseismic deformation. I also find that a direct triggering of the Illapel earthquake due to the Maule event is unlikely, since the small, albeit positive (∼ 0.05 bar) CFS values calculated at the Illapel hypocenter. Conversely, seismicity Mw ≥ 5.0 between these two events, in the southern region of the Illapel segment, occurs in areas of CFS 〉 0.2 bar, suggesting a mechanical triggering. I conclude that geomechanical-numerical models incorporating temperature-dependent power-rheology with dislocation creep processes in the crust and upper mantle can be used to examine the underlying processes controlling the postseismic deformation. Furthermore, these models can produce deformation patterns that are more consistent with the physical concepts of strength distribution with depth and aftershock activity than earlier models that impose linear and non-linear rheologies without consideration of temperature.