Mid-to-late Holocene Climate and Ecological Changes over Europe

Abstract

In recent years interest has increased concerning the possible consequences of human-induced climate change. In order to produce more reliable predic- tions of future changes and their possible effects, with the aim of designing successful mitigation and adaptation policies, the study of the past is of fun- damental importance. In this thesis, climate and ecological changes that characterized Europe during the mid-to-late Holocene (from 6000 years before present to the pre- industrial period) are investigated. For this purpose, an experimental frame- work, consisting of regional and global climate models, vegetation models and proxy records, is developed. Beside investigating natural past climate variability, one of the main goals of the research is the study of possible con- sequences that such changes had on the civilizations inhabiting the European region. Knowing the impact of climate changes on past civilizations, and the way they reacted to it, constitutes an important reference for the future. In the first part of the thesis, several simulations with three climate models at different spatial resolutions are designed. Particular attention is paid to the description and reconstruction of the mid- to-late Holocene natural climate forcings. Then the importance of highly resolved simulations for the investigation of past climate change is investigated. Results show that, for certain parame- ters, such as near surface temperature, the advantages of the use of Regional Climate Models (RCMs) are noticeable. Consequently, the research focuses on the study of the evolution of sea- sonal temperature values during the mid-to-late Holocene, as simulated by an RCM and as derived from proxy-reconstructions. Results show that the model is able to reproduce the winter temperature trend reconstructed from proxy-data over part of the domain. However, no significant trend is evi- dent over northern Europe in the model results, while reconstructions show progressively cooling conditions. The reason for the mismatch is a wrong representation of changes in atmospheric circulation by the model. More specifically, proxies suggest a more positive phase of the North Atlantic Os- cillation (NAO) at the mid-Holocene, which the model fails to reproduce. In summer, model results show an uniform decreasing trend over the entire European domain, as a direct response to changes in insolation. Proxies, while presenting a similar behaviour over northern Europe, are character- ized by an opposite increasing trend over southern Europe. Analyses show that, in this case, the reason for the mismatch is a wrong representation of soil-atmosphere interaction in the model. Successively, the results of the RCM simulations are used as input for a bio-equilibrium vegetation model, in order to investigate changes in the distribution of European vegetation during the mid-to-late Holocene. In this manner, a different perspective for the evaluation of the climate simulations is considered. The main feature arising in this case is a spread of dry vegetation over southern Europe at the mid-Holocene, not evident in proxy reconstruc- tions. This is consistent with generally warmer conditions simulated by the RCM over the area. Finally, the results of the different model simulations are used for their application in archaeological case studies. The advantage of the developed framework is that the outcomes of the different models can be selected and used according to the specific research question addressed. A study on the influence of climate changes on the prehistoric textile revolution in the Pan- nonian Plain, a region of Central Europe, is presented here. Employing the results of a transient continuous simulation with a coupled Atmosphere Ocean General Circulation Model (AOGCM), possible correlations between changes in the textile production of the populations inhabiting the area, and changes in seasonal climate and ecological conditions, are presented. This work represents not only a valuable example of multidisciplinary re- search, but also a robust reference for further investigations, providing at the same time a significant contribution to the debate on the climate and eco- logical changes that characterized Europe during the mid-to-late Holocene.

Aufzeichnungen. Neben der Untersuchung der natürlichen Klimavariabilität in der Vergangenheit, ist eines der Hauptziele die Untersuchung der möglichen Konsequenzen, die solche Veränderungen auf die Zivilisationen im Europäis- chen Raum. Die Kenntnis der Auswirkungen von Klimaänderungen auf ver- gangene Zivilisationen und die Art, wie diese darauf reagierten, stellt eine wichtige Referenz für die Zukunft dar. Im ersten Teil der Arbeit werden Simulationen mit drei Klimamodellen mit unterschiedlichen räumlichen Auflösungen untersucht. Besondere Aufmerk- samkeit wird der Rekonstruktion des externen Strahlungsantrieb im mittleren bis späten Holozäns gewidmet. Die Ergebnisse von Simulationen mit regionalen Klimamodellen (RCMs) zeigen, dass für bestimmte Parameter wie beispielsweise bodennahe Tem- peratur die Vorteile der Verwendung von hochaufgelösten Modellen deutlich sichtbar sind. Der darauf folgende Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Entwicklung von saisonalen Mitteltemperaturen während des mittleren bis späten Holozäns, wobei RCM-Simulationen und Proxy-Rekonstruktionen miteinander verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das RCM in der Lage ist, die Temperaturtrends im Winter in den Proxy-Daten in Teilen des Modellgebiets zu reproduzieren. Über Nordeuropa sind jedoch im RCM keine signifikanten Trends sichtbar, während die Rekonstruktionen eine Abkühlung zeigen. Der Grund für die Diskrepanz ist eine fehlerhafte Darstellung von Veränderungen der atmosphärischen Zirkulationsmuster durch das Modell. Proxydaten deuten auf eine positivere Phase der Nordatlantischen Oszillation in der Mitte des Holozäns hin, die das Modell nicht reproduziert. Im Sommer zeigen die Modellergebnisse einen einheitlich negativen Trend im gesamten europäischen Modellgebiet als eine direkte Reaktion auf die veränderte Ein- strahlung. Während die Proxydaten ein ähnliches Verhalten über Nordeu- ropa zeigen, sind sie durch einen entgegengesetzten positiven Trend über Südeuropa gekennzeichnet. Analysen zeigen, dass in diesem Fall der Grund für die Unterschiedlichen Trends in Modell- und Proxydaten eine fehlerhafte Darstellung von Boden-Atmosphäre-Wechselwirkungen im Modell ist. Im nächsten Schritt werden die Ergebnisse der RCM-Simulationen als Antrieb für ein Vegetationsmodell verwendet, um Veränderungen in der räum- lichen Verteilung der Vegetation in Europa während des mittleren bis späten Holozäns zu untersuchen. Das Hauptmerkmal der Ergebnisse ist eine Aus- breitung der trockenen Vegetation in Südeuropa in der Mitte des Holozäns, die in den Proxydaten jedoch nicht ersichtlich ist. Die trockenere Vegetation ist im Einklang mit den eher wärmeren Bedingungen die im RCM in dem Bereich simuliert werden. Im letzten Schritt werden die Ergebnisse der verschiedenen Modellsimu- lationen in archäologischen Fallstudien angewendet. Der Vorteil des entwick- elten Modell-Frameworks ist, dass die Ergebnisse der verschiedenen Modelle entsprechend der spezifischen Fragestellung ausgewählt und verwendet wer- den können. Hier wird eine Studie über den Einfluss von Klimaänderun- gen auf die prähistorische Textil-Revolution in der Pannonischen Tiefebene, einer Region Zentraleuropa, vorgestellt. Die Ergebnisse einer transienten kontinuierlichen Simulation mit einem gekoppelten Ozean-Atmosphäre- Zirkulationsmodell zeigen eine mögliche Korrelation zwischen Veränderun- gen in der Textilproduktion der Bevölkerung, die das Gebiet besiedeltes und Veränderungen im saisonalen Klima und den vorherrschenden ökologischen Bedingungen. Insgesamt ist diese Arbeit ist nicht nur ein wertvolles Beispiel für multi- disziplinäre Forschung, sondern auch eine robuste Referenz für weitere Un- tersuchungen. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Beitrag zur Debatte über die klimatologischen und ökologischen Veränderungen, die Europa während des mittleren bis späten Holozäns kennzeichneten.