Insights into late Quaternary vegetation and climate dynamics in Monsoon Asia obtained from numerical pollen-based reconstructions

Abstract

The Asian monsoon is one of the major components of the world’s climate system. The monsoon circulation during the warm half of the year (the Asian summer monsoon) brings significant amounts of precipitation – mainly between May and September – to a vast area of South and East Asia stretching from the western Arabian Sea to the southern Russian Far East. The Asian summer monsoon is generally subdivided into the Indian Summer Monsoon (ISM) and East Asian Summer Monsoon (EASM). Numerous studies have demonstrated that both subsystems have varied significantly over different time scales during the late Quaternary. In order to predict potential future climate dynamics in Monsoon Asia and to provide essential information to build adaptation strategies, it is crucial to understand the spatiotemporal patterns and the magnitude of past variations in the Asian monsoon activity and their relation to other components of the global climate system as well as extraterrestrial forcing factors. Despite considerable progress during the last decades, many issues are still unresolved. To improve existing climate model simulations and to broaden the knowledge about the Asian summer monsoon evolution, additional palaeoclimate proxy studies are required from both subdomains. This study mainly focuses on the reconstruction of past vegetation and climate dynamics in different regions of Monsoon Asia using numerical approaches (ʻbiome reconstruction methodʼ and ʻmodern analogue techniqueʼ) based on fossil and modern pollen assemblages. The set of employed fossil pollen records include one from a high-alpine lake (north-western Himalayas, India) located within the ISM domain and two from peat bogs located within the EASM zone including south-western Hokkaido (Japan) and north-western Sakhalin (Russia). All three climate archives are situated close to the modern summer monsoon limit. The results suggest that the initial post-glacial ISM strengthening temporally coincides with the termination of the Younger Dryas. The Holocene moisture optimum in the north-western Himalayas prevailed from ca. 11–9.6 cal ka BP. The moisture evolution over the Holocene is marked by a gradual decline, which parallels the southward migration of the mean summer position of the Intertropical Convergence Zone in response to the orbitally induced decrease in summer insolation. The results of the quantitative reconstruction indicate considerable fluctuations in annual precipitation, which was during the wettest interval (early Holocene) ca. 430 mm higher and during the driest interval (late Holocene) ca. 35 mm lower compared to modern conditions (ca. 250 mm). Correlation with other palaeoclimate proxy records suggests that the decrease in precipitation in the regions at the northern limit of the ISM was greater than in the southern parts of the ISM domain. There is evidence that likely due to Northern Hemisphere ice sheet boundary conditions, the southern ISM domain received more westerly-derived winter precipitation during the early Holocene than during the late Holocene. During the late Holocene, moisture availability is slightly increasing, which is likely a result of strengthened winter westerly disturbances. Holocene centennial-scale intervals of enhanced aridity, which are in concert with North Atlantic cold climate (i.e. Bond) events, probably indicate reduced winter westerly airflow leading to decreased winter precipitation in the north-western Himalayas. As inferred from the quantitative climate reconstructions, the climate conditions in the northern EASM domain during Marine Isotope Stage 3 were only slightly colder and drier than at present. A significantly strong trend towards climate deterioration is documented during Heinrich event 4. Like in the north-western Himalayas, the onset of Holocene climate amelioration parallels the Younger Dryas termination. While the moisture optimum appears to have occurred in the northern EASM domain during the early Holocene, the thermal optimum was reached during the middle Holocene. Together with the results from Hokkaido, the findings from Sakhalin indicate that the Holocene climate conditions of these islands were considerably influenced by ocean currents. Palynological and geomorphological analyses suggest that the evolution of the Bronze Age Harappan Civilisation of the greater Indus Valley was linked to short- and long-term climate trends. The gradual decrease in precipitation probably caused crop yields to fall, which promoted the establishment of the mature phase (4.5–3.9 cal ka BP) urban centres to provide an infrastructure for storage, protection, administration, and redistribution of staple crops. Additional pronounced dry spells at ca. 4 and 3.2 cal ka BP in combination with more frequent El Niño–Southern Oscillation-related interannual monsoon fluctuations during the late Holocene probably further hamper sufficient food supply that may have caused the protracted deurbanisation after ca. 4 cal ka BP and eventual demise of the sophisticated Harappan Civilisation between ca. 3.5–3 cal ka BP.

Der asiatische Monsun ist ein Hauptbestandteil des globalen Klimasystems. Während der warmen Jahreshälfte verursacht die Monsunzirkulation (asiatischer Sommermonsun) beträchtliche Niederschläge – hauptsächlich zwischen Mai und September – in einem großen Gebiet Süd- und Ostasiens. Der asiatische Sommermonsun ist grundsätzlich unterteilt in den indischen Sommermonsun (ISM) und den ostasiatischen Sommermonsun (EASM). Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass beide Subsysteme während des Spätquartärs wesentlichen Änderungen bezüglich ihrer Intensität auf unterschiedlichen Zeitskalen unterworfen waren. Um robuste Vorhersagen über mögliche zukünftige Änderungen im asiatischen Monsunsystem treffen zu können, welche die Grundlagen zur Definition von geeigneten Anpassungsstrategien bilden, ist es unerlässlich die raum- zeitlichen Muster und das Ausmaß vergangener Variabilitäten der Monsunaktivität und deren Beziehung zu anderen Bestandteilen des weltweiten Klimasystems sowie extraterrestrische Einflussfaktoren zu verstehen. Trotz maßgeblicher Fortschritte in den letzten Jahrzehnten sind viele Fragen nach wie vor unbeantwortet. Um die Leistungsfähigkeit bestehender Klimamodelle zu verbessern und das Verständnis der Evolution des asiatischen Sommermonsuns zu erweitern, sind weitere Proxy-basierte Paläoklimastudien in beiden Teilgebieten (ISM und EASM) erforderlich. Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Rekonstruktion vergangener Vegetations- und Klimaänderungen in verschiedenen Regionen Monsun-Asiens unter Verwendung numerischer Rekonstruktionsmethoden („biome reconstruction method“ und „modern analogue technique“) auf der Grundlage fossiler und rezenter Pollenspektra. Das Set der verwendeten fossilen Pollenprofile beinhaltet ein Profil aus einem hochalpinen See im nordwestlichen Himalaya (Indien) aus dem Einflussbereich des ISM und jeweils ein Torfmoor-Profil aus dem Südwesten Hokkaidos (Japan) und dem Nordwesten Sachalins (Russland) im EASM-Gebiet. Alle drei Klimaarchive befinden sich an der Nordgrenze des heutigen Einflussbereichs des asiatischen Summermonsuns und sind deshalb besonders gut geeignet, um Erkenntnisse über vergangene Schwankungen in der Monsunintensität zu erlangen. Die Ergebnisse der Untersuchungen am Pollenprofil aus dem nordwestlichen Himalaya zeigen, dass der postglaziale Anstieg der ISM-Aktivität zeitlich mit dem Ende der Jüngeren Dryas übereinstimmt. Das holozäne Feuchtigkeitsoptimum datiert zwischen ca. 9.6–11 cal ka BP. Die Entwicklung der holozänen Feuchtigkeits- bzw. Niederschlagsintensität ist gekennzeichnet von einer sukzessiven Abnahme, die mit der südwärts Verlagerung der durchschnittlichen Sommerposition der innertropischen Konvergenzzone einhergeht. Die Resultate der quantitativen Rekonstruktion ergeben beträchtliche Änderungen in den jährlichen Niederschlägen. Diese waren während der feuchtesten Phase (Frühholozän) um ca. 430 mm höher und während der trockensten Phase (Spätholozän) um ca. 35 mm niedriger als heute (ca. 250 mm). Vergleiche zwischen den hier vorgestellten und anderen Studienergebnissen geben Hinweise darauf, dass im südlichen Bereich des ISM-Gebiets die aus der feuchten ektropischen Westwindströmung resultierenden Niederschlagsmengen während des Frühholozäns höher waren als im Spätholozän. Vermutlich ist dies auf die fortdauernde Vergletscherung in großen Teilen der nördlichen Hemisphäre während des Frühholozäns zurückzuführen, die eine im Vergleich zu heute weiter südlich positionierte Westwindströmung während der kalten und warmen Jahreszeit zur Folge hatte. Der leichte Anstieg der durchschnittlichen Jahresniederschläge im Untersuchungsgebiet des nordwestlichen Himalayas während des Spätholozäns ist wahrscheinlich ein Ergebnis der Intensivierung der ektropischen Westwindströmung. Holozäne Trockenphasen auf einer Zeitskala von Jahrhunderten, die zeitlich synchron mit Klimaschwankungen im nordatlantischen Raum („Bond events“) verlaufen, weisen mutmaßlich auf eine Abschwächung der Westwindströmung hin, welche zu einer Reduktion der Winterniederschläge in den westlichen Randbereichen des ISM geführt hat. Die Rekonstruktionsergebnisse basierend auf dem fossilen Pollenprofil aus Nordwestsachalin zeigen, dass die Klimabedingungen im nördlichen Teil des EASM-Gebiets während der Sauerstoff- Isotopenstufe 3 nur unwesentlich kälter und trockener waren als heute. Eine Phase bedeutender Klimaverschlechterung mit kalten Wintern und geringen jährlichen Niederschlägen kennzeichnete das Untersuchungsgebiet während des Heinrich-Ereignisses 4. Wie im nordwestlichen Himalaya verlief das Einsetzen der postglazialen Klimaverbesserung parallel zum Übergang Jüngere Dryas/Holozän. Während das warmzeitliche Feuchtigkeitsoptimum in der nördlichen EASM-Zone im Frühholozän belegt ist, ereignete sich das Temperaturoptimum im mittleren Holozän. Die Ergebnisse aus Hokkaido und Sachalin weisen neben der atmosphärischen EASM-Zirkulation als Hauptfaktor für die Steuerung des Klimas dieser Inseln Meeresströmungen als weitere wesentliche Einflussgrößen aus. Palynologische und geomorphologische Untersuchungen im ISM-Untersuchungsgebiet deuten auf einen Zusammenhang zwischen kurz- und langfristigen Klimaänderungen und der Entwicklung der bronzezeitlichen Harappa-Kultur im nordwestlichen indischen Subkontinent hin. Durch die sukzessive, langfristige Abnahme der jährlichen Niederschlagsmengen kam es wahrscheinlich zu einer landwirtschaftlichen Ertragsminderung. Letztere führte während der Hauptphase (4.5–3.9 cal ka BP) der Harappa-Kultur zur Gründung urbaner Zentren, die die Infrastruktur für die Lagerung und den Schutz sowie die Verwaltung und Verteilung der Grundnahrungsmittel zur Verfügung stellten. Die in dieser Studie erfassten Trockenphasen um ca. 4 und 3.2 cal ka BP in Verbindung mit häufiger auftretenden El Niño–Southern Oscillation-gesteuerten interannuelle Sommermonsunschwankungen im Spätholozän erschwerten im Folgenden möglicherweise eine ausreichende Versorgung der Bevölkerung mit Nahrungsmitteln und führten somit zu dem nachgewiesenen längerfristigen Verschwinden der urbanen Zentren (ab ca. 4 cal ka BP) und letztendlich zum Niedergang der hochentwickelten Harappa-Kultur (zwischen ca. 3.5 und 3 cal ka BP).