Proxy-till-proxy-kalibrering: öka den temporära upplösningen av kvantitativa klimatrekonstruktioner | vetenskapliga rapporter

Proxy-till-proxy-kalibrering: öka den temporära upplösningen av kvantitativa klimatrekonstruktioner | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • biogeokemi
  • Klimatförändring
  • Palaeoclimate
  • Fast jordvetenskap

Abstrakt

Högupplösta paleoklimatrekonstruktioner begränsas ofta av svårigheterna med att ta prov på geologiska arkiv i detalj och de analytiska kostnaderna för bearbetning av ett stort antal prover. Med sediment från Braya Søsjön, Grönland, introducerar vi en ny metod som ger en kvantitativ högupplöst paleoklimatrekord genom att kombinera mätningar av alkenonomättnadsindex (

Image

) med icke-förstörande spektroskopiska mätningar för reflektionsreflektion i det synliga intervallet (VIS-RS). Metoden proxy-till-proxy (PTP) utnyttjar två distinkta kalibreringar: kalibrering in situ av

Image
för att sjönas vattentemperatur och kalibrering av skanning av VIS-RS-data till nedkärna
Image
data. Med hjälp av denna metod producerade vi en kvantitativ temperaturrekord som är längre och har 5 gånger högre samplingsupplösning än originalet
Image
tidsserier, vilket möjliggör detektering av temperaturvariabilitet i frekvensband som är karakteristiska för AMO under de senaste 7000 åren.

Introduktion

Arktis utövar ett stort inflytande på det globala klimatet och genomgår för närvarande stora miljöförändringar 1, 2, 3 . För att sätta dessa i ett större sammanhang och förutse framtida klimat- och miljöförändringar, måste vi förstå i vilken grad och skälen till att arktiska temperaturer har varierat tidigare. Det finns begränsade alternativ för paleotemperaturrekonstruktion i den arktiska regionen. Trädringbaserade poster är i allmänhet kortare än ett årtusende och lågfrekvens (flerdekadalt till hundraårsåldern) temperaturförändringar fångas förmodligen inte fullt ut av sådana rekonstruktioner 4, 5 . Iskärnor är geografiskt begränsade (höga breddegrader och höjder) och ger temperaturberäkningar ovanpå isark, som kan skilja sig avsevärt från temperaturer vid havsnivån 6 . Sjösediment är utmärkta arkiv med arktisk temperatur eftersom de består av olika material som kan användas för paleo-miljörekonstruktion och som ett dominerande drag i det arktiska landskapet ger potentialen för ett tätt nätverk av paleoklimatrekonstruktioner. Sjöbaserade rekonstruktioner är beroende av observerade förhållanden mellan den sedimentära komponenten av intresse och en eller flera miljö- eller klimatvariabler, och kvantitativa register kräver kalibrering.

Här introducerar vi "proxy-till-proxy" -kalibrering (PTP) -kalibrering, med hjälp av synliga intervallskanningsreflektansspektroskopiska data (VIS-RS), erhållna genom snabb, icke-förstörande och billig analys av sedimentkärnor med mycket hög upplösning 7, 8 . Vi rapporterar en PTP-kalibrering mellan VIS-RS RABD 660: 670 index 7 och alkenonomättnad (

Image

) data 9, 10, från två överlappande kärnor från sjön Braya Sø, västra Grönland.

Image
kalibrerades in situ i Braya Sø under två fältperioder och en 5 600 år lång
Image
post från Braya Sø sediment replikerades i en andra sjö i regionen 9 . Detta och ytterligare arbete 11, 12, 13 ger starka bevis på att
Image
återspeglar förbi sjöens vattentemperatur. Indexet RABD 660; 670 7 representerar klorin (molekyler härrörande från klorofyll, främst från autokton primärproduktivitet) i sedimentet och därför balansen mellan autokton primärproduktivitet i den fotiska zonen och konservering av organiska ämnen i sjösediment. Braya Sø är för närvarande en meromiktisk sjö med permanent anoxiskt bottenvatten. Bevarandet av fina (<1 mm), oavbrutna lamineringar i sedimenten indikerar att sjöbotten har varit suboxisk till anoxisk under de senaste 7000 åren. Därför är det osannolikt att konserveringspotentialen har varierat väsentligt och vi tolkar RABD 660; 670 av Braya Sø-sediment som en registrering av autokton primärproduktivitet.

Autokton produktivitet i arktiska sjöar är positivt korrelerad med sommartemperatur 14, 15, 16, 17, 18 genom påverkan av temperatur på 1) varaktigheten av den isfria perioden (dvs. produktionssäsongen) och eventuellt 2) näringsflöde till sjöar från vattendraget 19 . Av detta följer att klorinnehållet i Braya Sø-sediment (kvantifierat med RABD 660; 670 ) skulle vara nära besläktat med sommartemperaturen.

Resultat

Utveckling av proxy-till-proxykalibrering

Eftersom RABD 660; 670- data erhölls med mycket högre upplösning än

Image

data, för kalibreringsändamål har vi numeriskt samplat dem för att matcha samplingsintervallet för

Image
data från 0–84 cm i kärnan (fig. 1). Både tidpunkten och variationen i variationer är mycket lika för båda mätningarna, med de enda anmärkningsvärda skillnaderna mellan 54–61 och 69–84 cm. Pearsons r på 0, 76 för regressionen mellan RABD 660; 670 och
Image
data är mycket signifikanta ( Pc = 8, 51 10 −8 ). RMSEP (root mean square of prediction) för både ordinarie lägsta kvadrater (OLS) och Standard Major Axis (SMA) regressionsmetoder var liten (OLS: 0, 0243 och SMA: 0, 0264
Image
enheter) och verifieringsstatistiken hög (OLS: RE = 0, 62, CoE = 0, 55; SMA: RE = 0, 58, CoE = 0, 50). Både OLS- och SMA-modellerna ger mycket liknande resultat (med SMA som endast producerar något större variationer i amplituder) vilket antyder att modellvalet inte är kritiskt i detta fall. De
Image
mätningar under 84 cm användes inte för kalibreringen eftersom de når avvikande höga värden (skuggat område i fig. 1). Dessa höga värden motsvarar det första utseendet på alkenoner i Braya Sø och till skillnad från resten av
Image
post, kan inte valideras med resultat från en närliggande sjö 9 . Den nya klorbaserade rekonstruktionen stöder starkt den temperaturrekord som presenteras i D'Andrea et al. (2011) 9, och visar att sjön Braya Sø är väl lämpad för att rekonstruera tidigare temperaturer.

Image

Vänster panel : Proxy-till-proxy-kalibrering mellan den omformade VIS-RS RABD 660; 670 (blå) och alkenon

Image
data (röd). Uppgifterna under 84 cm användes inte för kalibrering (skuggat område). Höger panel : Regressionsplott och kalibreringsstatistik. DF: frihetsgrader, P: P-värde. Underavsnittet "c" anger värden korrigerade för autokorrelation och trender.

Bild i full storlek

Förbättringar jämfört med ursprungliga dataserier

När kalibreringsekvationen mellan RABD 660; 670 och

Image

tillämpas på hela RABD 660; 670- datauppsättning, samplingsupplösning för

Image
-baserad temperaturrekord förbättras femfaldigt (661 istället för 131 mätningar) (Fig. 2). På grund av den ytterligare osäkerheten som införts av PTP-kalibreringen är RMSEP större (OLS: 1, 66 ° C och SMA: 1, 71 ° C) än för
Image
enbart rekonstruktion (1, 33 ° C). Vi noterar att vår rapporterade RMSEP är en överskattning eftersom den inte tar hänsyn till korsvalideringen av de två temperaturproxy som tillhandahålls av PTP-metoden; emellertid behövs ytterligare arbete för att utveckla en statistisk kvantifiering av denna effekt.

Image

Vanliga minsta kvadraters regression (OLS) i rött; Standard Major Axis regression (SMA) i grönt. De streckade linjerna visar respektive RMSEP. Den alkenonbaserade (

Image
) rekonstruktion och dess RMSEP (vertikala linjer) i blått.

Bild i full storlek

Spektralanalys utförd på den högre upplösning (PTP-baserade) OLS-temperaturrekonstruktionen möjliggör detektion av multidekadalvariabilitet som inträffade under kortare tidsskalor än detekterbara genom spektralanalys av original

Image
-baserad temperaturrekonstruktion av D'Andrea et al. (2011) 9 (Fig. 3). De
Image
rekonstruktion uppvisade två framträdande frekvensstoppar vid 230 och 297 år men de var inte signifikanta vid den kritiska falsklarmnivån som identifierats vid 98% (se Metoder). Däremot hade PTP-rekonstruktionen frekvensstoppar som överskred 99, 7% falsk larmnivå vid 24–25, 63–64 och 81–82 år. De två senare motsvarar periodiciteterna 63–64 och ~ 81 år förknippade med Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) 20, 21, 22 .

Image

Bias-korrigerade spektra av (A) originalet

Image
temperaturrekonstruktion och (B) den nya PTP-temperaturkonstruktionen. Massiv linje är spektrumet, streckad linje är 99% och streckad linje är 95% falsklarmnivå. Frekvenser rapporteras som 1 / år och spektrala amplituder planeras på en logaritmisk decibel [dB] skala.

Bild i full storlek

Jämförelse med en oberoende AMO-post

Figur 4 visar att vår post delar en betydande vanlig spektralsignal inom intervallet 51–64 år med trädringbaserad havsytemperatur (SST) rekonstruktion av Gray et al. (2004) 23 som användes för att rekonstruera förändringar i AMO sedan 1567 CE. När båda posterna är bandpassfiltrerade inom 50-70 års intervall för att isolera AMO-signalen, är den rekonstruerade variationen i båda rekonstruktionerna mycket lik (Fig. 5). Vi föreslår därför att vår post ger insikt i AMO: s långsiktiga beteende. En tvärspektral analys av bandpassfiltrerade poster visar att Gray et al. (2004) 23 leder vår nya AMO-serie med ca. 20 år. Även om det kan finnas en mekanistisk förklaring till denna fasförskjutning, kan en systematisk kompensation på grund av dateringsusäkerheter inte uteslutas, och det kan faktiskt vara den mer troliga förklaringen. Den hela 7 000 år långa bandpassfiltrerade temperaturrekorden (fig. 6) indikerar att AMO-intensiteten (eller dess påverkan på västra Grönlands klimat) var betydligt högre under de senaste 2000 åren än tidigare. Det finns en spännande period med särskilt låg variation från 2500–3500 fvt i RABD 660; 670- rekord som potentiellt återspeglar ett intervall med mycket svag AMO-variation. En 1000 års period av undertryckt AMO bör fångas av andra geologiska arkiv, och ytterligare rekonstruktioner behövs för att validera detta överraskande resultat. Under de senaste 2 000 åren indikerar vår rekord också att variationen i AMO-bandet var störst under Medeltida klimatanomalin (MCA; ca. 950–1250 CE) 24 och minskade under tidsintervallet för Little Ice Age (LIA; 1250) –1700 CE) 25 . Undertryckt varians i AMO-frekvensbandet under LIA relativt MCA har också föreslagits baserat på analyser av iskärnproxy-poster från Grönland 26, 27 .

Image

Blackman-Harris 3-Term Cross-spectral coherence plot of PTP (denna studie) och Gray et al. (2004) 23 SST-rekord. Den streckade linjen indikerar 90, 6% falsk larmnivå.

Bild i full storlek

Image

Jämförelse av 50–70 års bandpassfiltreringsresultat från den standardiserade PTP-posten för denna studie (svart) med en proxy-baserad SST-rekonstruktion 23 från Nordatlanten de senaste 500 åren. Insatsen visar en försenad korrelationskurva. Den högsta korrelationen mellan de två serierna uppnås när den filtrerade PTP-posten skiftas med 20 år (streckad grå linje).

Bild i full storlek

Image

50–70 år bandpassfiltrerad data (motsvarande perioden för AMO) för hela PTP-baserad rekonstruktion, från –5000 till 2005 CE.

Bild i full storlek

Nya modellbaserade resultat antyder att AMO är ett fenomen från 1900-talet som drivs av antropogena aerosolutsläpp 28 . Våra resultat indikerar emellertid att AMO har varierat i intensitet men har varit ett bestående sätt av variation under de senaste 7000 åren. Aerosolkraft på 1900-talet kan ha modulerat den underliggande AMO-signalen, men våra resultat motsäger påståendet att AMO är rent antropogent.

Diskussion

Det har funnits tre huvudsakliga metoder för proxykalibrering. Vid kalibrering i tid (CIT) -metoden regresseras proxymätningar som spänner över övervakningsintervallet mot klimatdata på lång sikt. Denna metod har använts i stor utsträckning i trädringforskning 29, 30 och har använts i varvade 31, 32, 33 (årligen laminerade) och icke-varvade sjöar 11, 15, 34, 35, 36, men kräver utmärkt kronologisk kontroll. För icke-varvade sediment kan radionukliddatering (som 210 Pb eller 137 Cs) användas, men detta hindras ofta av låga koncentrationer av de intressanta arterna, särskilt i Arktis. Utan en extremt noggrann kronologi i den översta delen av sedimentkärnan är det inte möjligt att exakt jämföra proxydata med meteorologiska serier. Dessutom påverkar åldersmodellens noggrannhet och fel den maximala temporära upplösningen och den genomsnittliga förutsägelsefelet (RSMEP) för klimatåteruppbyggnaden. Därför är det inte förvånande att majoriteten av högupplösta och kvantitativa temperaturrekonstruktioner från arktiska sjöar är baserade på varierade sediment 37, 38, 39, 40 . För att CIT ska bli framgångsrikt måste toppen av kärnan 1) påverkas av icke-klimatiska faktorer såsom eutrofiering eller sedimentnedgång (turbiditer), 2) har en tillräckligt hög sedimentationsgrad för att tillhandahålla ett tillräckligt stort provuppsättning för statistiskt signifikant korrelation, och 3) har ett intakt gränssnitt mellan sediment och vatten för att säkerställa att de övre proverna representerar modern sedimentation 35 . CIT-metoden begränsas vidare av tillgängligheten och kvaliteten på meteorologiska data. Arktis har i allmänhet en mycket låg densitet för meteorologiska stationer med poster som vanligtvis täcker färre än 50 år. Detta gör CIT-metoden särskilt utmanande och hjälper till att förklara bristen på högupplösta och kvantitativa sjösedimenttemperaturregister från Arctic 41 .

En annan metod för proxykalibrering är metoden Space-for-time (SFT), där moderna biologiska prover från sjöar som sträcker sig över en rumslig klimatgradient används för att utveckla en proxykalibrering. Detta tillvägagångssätt har använts för att utveckla diatom- och kironomidöverföringsfunktioner i Arctic 42, 43 och “global” TEX 86 och grenade tetraetertemperaturkalibreringar för sjösediment 44, 45, 46 .

En tredje metod är att kvantifiera responsen från moderna organismer av organismer in situ på miljöparametrar under en eller flera tillväxtperioder. En så utvecklad kalibreringsekvation kan sedan appliceras på sedimentära komponenter nedkärnade. Detta tillvägagångssätt har framgångsrikt använts för att utveckla kalibreringar av lakustrintemperatur för alkenoner med hjälp av

Image

index 9, 12 .

PTP-kalibrering möjliggör paleoklimatrekonstruktioner med högre upplösning än vad som är möjligt eller praktiskt med användning av de flesta sedimentologiska proxyer av intresse, på grund av provtagningsbegränsningarna för dessa proxyer. En annan tydlig fördel med PTP-metoden är att den potentiellt kan användas i alla regioner och miljöer. Till skillnad från CIT-metoden beror inte PTP-kalibrering på åldersmodellens noggrannhet, vilket ofta är en begränsning i icke-varvade sjöar (majoriteten av sjöarna i hela världen). För PTP-kalibrering behöver dessutom toppen av sedimentkärnan inte vara ostörd eller till och med intakt. En annan fördel är att PTP-korrelationerna kan utföras med hjälp av observerade ( in situ ) data från sjöns vattenspelare och den tillhörande sedimentkärnan (som i denna studie), och är därför möjlig även i frånvaro av en lång lokal meteorologisk data uppsättning. Slutligen kan PTP avsevärt minska laboratoriets arbetsbelastning och kostnader förknippade med att generera paleotemperaturrekonstruktioner. En statistiskt signifikant PTP-kalibrering kunde utvecklas med så få som 50 korrelationspunkter (analyserade prover). Snabba skanningsmetoder som VIS-RS gör det möjligt att analysera en meter sediment i mm skala på under en timme. Som visas här kan PTP-metoden ge användbar information, vilket ökar både längden och den temporära upplösningen för kvantitativa klimatrekonstruktioner.

metoder

Webbplats

Sjön Braya Sø (66 ° 59′15 ″ N, 51 ° 02′0 ″ W, ca 170 m ö.h) ligger nära Kangerlussuaq, Västgrönland. Det är en meromiktisk sjö på 82 ha med ett maximalt djup på 24 m och en stabil anoxisk hypolimnion som gynnar bevarande av pigment 47, 48 .

Alkenones

Detaljerna för lipidekstraktion beskrivs i D'Andrea et al. (2011) 9 . I korthet extraherades fria lipider från frystorkade och homogeniserade prover med 0, 5 cm intervall och alkenoner kvantifierades genom gaskromatografi-flamjoniseringsdetektering. De

Image

-temperatur kalibrering upprättades genom att kombinera vattentemperaturmätningar in situ gjorda under två säsonger av alkenonproduktion i Braya Sø med tidigare publicerade kalibreringsdata 9, 49 .

Image
= ([C37: 2] - [C37: 4]) / ([C37: 4] + [C37: 3] + [C37: 2]), där [C37: x ] = massan av alkenonen med 37 kolatomer och x dubbelbindningar.
Image
definierades ursprungligen i ref. 10.

Vis-RS

Eftersom sedimentkärnan (BS01-01) analyserad av D'Andrea et al. (2011) 9 förbrukades för alkenonanalys, VIS-RS-mätningarna genomfördes på en överlappande kärna (BS03-01). Kärnorna justerades lätt stratigrafiskt i mm-skala med användning av lamineringar i sedimentet (jämfört med högupplösta fotografier från en Geotek Geoscan IV-linjeskanna). Vi mätte VIS-RS (synligt spektrum: 380–730 nm; spektralupplösning: 10 nm) på den färska ooxiderade delade sedimentkärnan med 2 mm intervaller med en Spectrolino-reflektansspektrometer (Gretag McBeth, Schweiz). De karakteristiska mönstren för reflektionsspektra ger information om sammansättningen och relativa koncentrationen av de sedimentära komponenterna. Denna metod har framgångsrikt använts för att mäta organiska föreningar 7, 34, 35 och litogent innehåll 50, 51, 52 i både marina och sjösediment. Här använder vi parametern, Relativt absorptionsbanddjup vid 660–760 nm (RABD 660; 670 ) 7, vilket indikerar totala tidiga diagenetiska klorpigment (klorin), som har absorptionstoppar mellan 660–670 nm (I-band). RABD 660; 670 normaliserades med medel-spektrumreflektansen (RABD 660; 670 / R- medel ) 7 . Figur 7 visar de uppmätta reflektionsspektra för sedimentkärnan i Braya Sø, klorinkurvan och hur den beräknas.

Image

(A) VIS-RS-spektra från varje 2 mm steg ned kärna (längd 120 cm). Den djärva linjen är det genomsnittliga R- medelvärdet . (B) RABD 660–670 data (klorin). RABD 660; 670 = {[(6 * R 590 + 7 * R 730 ) / 13] / R min (660; 670) }, där R 590 = reflektans vid 590 nm, R 730 = reflektion vid 730 nm, R min (660; 670) = minimal reflektans vid 660 eller 670 nm. Spektrumnormalisering och beräkning av relativa absorptionsbanddjup beskrivs fullständigt i ref. 7.

Bild i full storlek

Åldersmodell

Åldersmodellen som täcker de senaste 7000 åren för Braya Sø är baserad på 6 AMS 14 C-datum för bulk sediment, 3 av trä och 1 av en gastropod shell 9 . En korrigering av reservoareffekten på 360 år applicerades på 14 C-datumen före kalibreringen 9 . Sedimentkärnan hade ett intakt sediment-vatten-intervall som tillskrivades år 2005 CE för kärnan 9 .

Numeriska metoder

Den statistiska grunden för PTP-metoden är en dubbelkalibrering. Först använder vi förhållandet mellan VIS-RS och alkenondata för att omvandla RABD 660; 670- data till "slutsatt" alkenon

Image

värden. Dessa värden omvandlas sedan till temperaturer med hjälp av

Image
- temperaturkalibrering. Eftersom VIS-RS (2 mm) och alkenoner (5-10 mm) mättes med en annan upplösning, samplades RABD 660; 670- data (linjär interpolation) för att matcha
Image
dataupplösning för denna kalibrering.

Vi använde Pearson-produktmomentskoefficienten för att bestämma sambandet mellan RABD 660; 670 och

Image
serier. P-värdena korrigerades för trender och autokorrelation ( Pc ) 53 .

För att statistiskt utvärdera PTP-kalibreringen använde vi kalibreringsmetoden för splitperioden och beräknade felreduktionen (RE) och koefficienten för effektivitet (CoE) enligt metoden enligt Cook et al. (1994) 29 . Den moderna hälften av proverna användes för kalibrering och den äldre halvan för verifiering. Vi beräknade den tiofaldiga korsvaliderade RMSEP med alla djup för att uppskatta rekonstruktionsfelet.

Vi använde både en vanlig minsta kvadratregression (OLS) och Standard Major Axis regression (SMA) för att förvandla den råa RABD 660; 670- serien till ”slutsatser”

Image
”(
Image
) -värden. Dessa
Image
i- värdena omvandlades sedan till temperaturer med
Image
-temperatur kalibrering (T = 40, 8
Image
+ 31, 8, RMSEP: 1, 3 ° C) av D'Andrea et al. (2011) 9 . Det sista felet i rekonstruktionen beräknades genom att summera (kvadratroten av summan av rutorna) RMSEP (i ° C) för de två kalibreringarna.

PTP VIS-RS temperaturrekonstruktion som presenteras här och

Image
rekonstruktion av D'Andrea et al. (2011) 9 har icke-regelbundna temporära samplingsintervall. Därför använde vi mjukvaran REDFIT av Schulz och Mudelsee (2002) 54 för spektralanalysen, vilket möjliggör inmatning av ojämnt fördelade tidsserier för att uppskatta deras röda brusspektrum och testa om toppar i spektret för våra temperaturrekonstruktioner är betydande mot en första ordningen autoregressiv (AR1) -modell. Felaktiga larmnivåer bestämdes i mjukvarupaketet.

För att bestämma om den trädringbaserade SST-rekonstruktion 23 och vår temperaturrekonstruktion från Grönland delar en gemensam spektralfas inom domänen för AMO, beräknade vi en Blackman-Harris 3-termers tvärspektralanalys med programvaran SPECTRUM 55 (Fig. 5) . Analysen utfördes på den råa, ojämnt fördelade rekonstruktionsserien. En betydande vanlig spektralfas identifierades inom intervallet 51–64 år.

Sedan filtrerade vi bandpass vår rekonstruktionsserie och SST-data från Gray et al. (2004) 23 i frekvensbandet för AMO (50–70 år) med hjälp av Parks-McClellam-algoritmen. Eftersom vår rekonstruktion har icke-regelbundna temporära intervaller interpolerade vi den linjärt till årliga värden innan vi filtrerade den. Även om datainterpolering introducerar artefakter i dataserien, bör deras effekt vara liten i lågfrekvensbandet av intresse. Medel avlägsnades före filtrering. Den spektrala fasförskjutningen på 20 år mellan vår bandpassfiltrerade rekonstruktion och bandpassfiltrerade posten av Gray et al. (2004) 23 bestämdes genom korskorrelationsanalys.

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.