Reconstruction of the Holocene climate using an atmosphere-ocean-biosphere model and proxy data

Mittels verschiedener Ansatze werden in dieser Arbeit die Entwicklung des Klimas und der Vegetation in Europa wahrend des Holozans untersucht. Dies impliziert verschiedene Simulationen mit dem Planet Simulator, einem Globalen Zirkulationsmodell der Atmosphare. Auf diesem Wege sollen die klimatischen Randbedingungen ermittelt werden, die zu der fruhen Besiedelung Europas und dem Beginn der landwirtschaftlichen Nutzung beigetragen haben. Obwohl letzteres nicht Bestandteil dieser Studie ist, sondern extern analysiert und daher hier nicht weiter berucksichtigt wird, dient es vor allem der Einordnung in einen wissenschaftlichen Kontext und somit der allgemeinen Zielsetzung dieser Arbeit. Zur Verifizierung der Simulationen werden die Ergebnisse mit denen anderer Modellstudien und Proxy-Rekonstruktionen verglichen. Neben saisonalen Unterschieden zeigen die Ergebnisse der Klima-Simulationen des Holozans klare regionale Variationen innerhalb Europas, vor allem im Niederschlagstrend. Eine nahezu generelle Abkuhlung ist uber das gesamte Holozan festzustellen, welche im Sommer am starksten ist, jedoch nur in den nordlichen Regionen auch von den Proxy-Daten widergespiegelt wird, wohingegen diese in den sudlichen Regionen einen entgegengesetzten Verlauf zeigen. Bezogen auf den Wasserhaushalt lasst sich sagen, dass die nordlichen Gebiete vornehmlich durch eine leichte Niederschlagsabnahme sowohl wahrend des Sommers als auch im Jahresmittel gekennzeichnet sind, wohingegen im Suden eine Niederschlagszunahme festgestellt wird. Dieser Trend wandelt sich im Jahresmittel jedoch in eine Niederschlagsabnahme. Die starkste Ubereinstimmung mit den Proxy-Daten tritt auch hier uber den nordlichen Regionen Europas auf. In einem zweiten und dem zugleich wichtigsten Abschnitt dieser Arbeit geht es um die Einbeziehung von Proxy-Zeitserien in den Planet Simulator. Eine dafur entwickelte Methode wird vorgestellt und verschiedene Anwendungen gezeigt. Diese dynamische Methode zielt darauf ab, das Modell-Klima an das Proxy-Klima anzupassen, also das von den Proxies wiedergegebene Klima nachzusimulieren. Mittels einer linearen Sensitivitatsrelation zwischen der Meeresoberflachentemperatur und der Temperatur uber den angrenzenden Landregionen werden Modell- und Proxy-Klima angenahert. Insgesamt werden drei verschiedene Anwendungen dieses Verfahrens gezeigt. Angefangen mit voneinander unabhangigen Rekonstruktionen einzelner Zeitscheiben fur das fruhe, mittlere und spate Holozan folgt im Anschluss eine Rekonstruktion jeder einzelnen Zeitscheibe von 11000 Jahren vor heute bis in die vorindustrielle Zeit. Als weitere Verfeinerung wird eine transiente Anpassung des Modell-Klimas vorgenommen, und zwar in klimatologischen Abschnitten von 40 Jahren. Im Zuge der Vegetationsstudien wird im folgenden das dynamische Vegetationsmodell CARAIB benutzt und diagnostisch, in einer sehr hohen Auflosung, mit dem simulierten Klima des Planet Simulators angetrieben. Somit ergibt sich erstmals ein detailliertes Bild der Vegetationsentwicklung in Europa fur das gesamte Holozan. Als zusatzlichen Punkt im Zusammenhang mit den Vegetationsstudien werden weitere Simulationen durchgefuhrt, die der Untersuchung der Auswirkungen von extremen Anderungen der Landoberflache auf das Klima dienen. Ausgehend von einem globalen Wald bzw. einer globalen Wuste werden der Einfluss sowohl auf die grosskaligen Zirkulationsmuster als auch auf den Wasserhaushalt untersucht. Mittels zweier phanomenologischer Grosen, der Koeppen Klima-Klassifizierung einerseits und des Budyko-Trockenheitsindexes andererseits, werden die Auswirkungen dieser veranderten klimatischen Bedingungen auf die globale Vegetationsverteilung sowie den globalen Wasser- und Energiehaushalt untersucht. The Holocene climate and vegetation evolution over Europe is investigated using different simulations performed with the general circulation model Planet Simulator. By doing so, the climatic boundary conditions are determined which have caused the early migration of humans over Europe and the beginning of farming-societies instead of hunters-gatherers. Whereas the latter part is not explicitly covered in this study, it is the larger framework and the leading motivation of this thesis. As a verification of the simulation results, they are compared to other climate and vegetation reconstructions obtained from models and proxy data. Besides seasonal differences, the results of the Holocene climate simulations clearly show regional variations in Europe, which are more pronounced in the precipitation trends. A general Holocene cooling trend can be observed over nearly the whole Europe, being strongest during the summer season. However, this is confirmed by proxy data only in the northern regions, whereas they show the opposite trend in the southern regions. Concerning the hydrological conditions, a weak drying trend can be observed in the northerly regions during summer as well as in the annual mean, and a moistening trend in the southern European summer, whereas the annual mean also shows a drying trend. Again, the trend is confirmed by the proxy data mainly in the northern regions. The second, and most decisive part of this study is dedicated to the assimilation of proxy time series into the climate model. A new methodology is developed in this context and introduced using various applications. The dynamical method aims at the adjustment of the model climate to the proxy climate, thus the resimulation of the proxy given climate. Using a linear sensitivity relationship between the sea surface temperatures and the adjacent land temperatures, the model climate is approximated to the proxy climate. In total three different applications of this method are shown. Starting with pure time slice reconstructions of the early, mid- and late Holocene it is proceeded with a millennial-scale, full Holocene reconstruction. The last refinement is made up by an interactive reconstruction of climatological time periods of 40 years. In the context of the vegetation studies, the Planet Simulator is used to force the dynamic vegetation model CARAIB which is applied diagnostically in a very high resolution. The outcome is a detailed pattern of the European vegetation evolution over the Holocene. Additional aspects in the context of the vegetation studies are experiments which aim at the investigation of extreme land cover conversions on the climate. Assuming both a forest and a desert world, the influence on the large-scale circulation and the hydrological budget is analyzed. Using two phenomenological quantities, the Koeppen climate classification and the Budyko-Lettau dryness index, the impact of the changing climatic conditions on the global vegetation distribution as well as on the water and energy balance is investigated.