Developing the Tools to Quantify Past Climate Variability from Ice Core Records

Abstract

Vannstabile isotoper registrert i iskjerner, brukes som proxydata for å rekonstruere klimaet i fortiden. Tradisjonell tolkning av registrerte vannisotoper er at snø fanger opp den integrerende isotopiske signaturen av tilstanden i atmosfæren når nedbør dannes. Nye observasjoner har imidlertid dokumentert at under tiden overflatesnøen er eksponert for atmosfæren før den er tettet, endrer vanndamputvekslingsprosesser den isotopiske sammensetningen av snøen etter at den er avsatt. Konsekvensene av disse post-deposisjonsprosessene for tolkningen av klimaproksier fra iskjernearkiv har inntil nå vært uklare. Modellering av post-deposisjonelle virkninger på iskjerner er imidlertid utfordrende på grunn av den høye nøyaktigheten som kreves for prosessene både over og innenfor snøoverflaten over lange tidsperioder. Denne avhandlingen gir en omfattende modellramme verk for å estimere de post-deposisjonelle virkningene på vannisotopregistreringer i iskjerner. Detaljert modellvurdering med et bredt spekter av observasjonsdata fra Grønlandsisen dokumenterer at modellrammeverken er et egnet verktøy for å løse klimasignalovertakelsesfunksjonen fra atmosfæren inn i isen i fremtidige studier.

I Artikkel I evalueres overflate damputveksling simulert med den polare regionale klimamodellen MAR over Grønlandsisen, og en enkel korreksjonsfunksjon utvikles. Vannmengden som utveksles gjennom damp vurderes med en overflate massebalanse-tilnærming. Når korreksjonsfunksjonen brukes, fanger MAR opp damputvekslingen over isplatået overraskende godt. Simuleringen viser at bidraget fra damputveksling til overflate massebalanse i akkumuleringsområde over Grønland har sterke sesongforskjeller. Om sommeren fjerner sublimasjon om lag en tredjedel av den totale massegevinsten gjennom nedbør og avsetning. Resultatene fra Artikkel I beskriver den betydelige rollen damputvekslingen spiller i sommeroverflatemassebalansen i akkumuleringsområdet over Grønland og fremhever den potensielle betydningen av post-deposisjonsmodifikasjoner under damputveksling på sommerisotopsignalet. I Artikkel II kombineres overflateprosesser som er simulert med MAR med vannisotop- og nedbørssimuleringer fra den globale klimamodellen ECHAM-wiso som inngang for det isotopaktiverte SNOWISO snødekkemodellen. For første gang kunne vi gi et modellbasert anslag på damputvekslingspåvirkningen på en simulert isotopisk arkiv i en firnkjerne. Våre simuleringer antyder at post-deposisjonell damputveksling påvirker isotopene i overflate snøen betydelig og setter et klimasignal i firnen. Disse resultatene antyder at post-deposisjonelle prosesser må tas med i tolkningen og diffusjonskorreksjonen av isotopiske iskjernearkiv. Artikkel III presenterer et nytt datasett av profiler opp til 1500 m av vanndampisotopisk sammensetning, fuktighet og temperatur i atmosfæren over Grønlandsisen. Datasettet gir uvurderlige innsikter i den vertikale fordelingen av isotoper. Vi finner indikasjoner på at overflate damputveksling har en direkte påvirkning på den isotopiske sammensetningen av atmosfæren opp til en høyde på 250 m. Videre finner vi en lav korrelasjon mellom atmosfæriske δ18O og temperatur, men en høyere korrelasjon mellom δ18O og spesifikk fuktighet. Dette indikerer at δ18O inneholder informasjon om hydrologisk syklus utover temperatur. Datasettet brukes til å evaluere ytelsen til atmosfæremodellen MAR og ERA-5-reanalysen. Resultatene fra denne studien bidrar til vår forståelse av opphavet og sammensetningen av overflatedampen som setter et kontinuerlig klimasignal i firnen.

Water stable isotopes recorded in ice cores are used as proxy data to reconstruct the past climate. The traditional interpretation of the recorded water isotopes is that snow captures the integrated isotopic signature of the state of the atmosphere during the formation of the precipitation. However, recent observations have documented that during the time the surface snow is exposed to the atmosphere, prior to close-off, vapor exchange processes alter the isotopic composition of the snow after its deposition. What consequence these post-depositional processes have for the climate proxy interpretation from ice core records has, until now, been unclear. However, modeling the post-depositional impacts on ice cores is challenging due to the required high accuracy of processes both above and within the snow surface over long time spans. This thesis provides a comprehensive model framework to estimate the post-depositional impact on water isotope records in ice cores. Detailed model evaluations with a broad spectrum of observational datasets from the Greenland Ice Sheet document that the model framework is a suitable tool for disentangling the climate signal transfer function from the atmosphere into the ice in future studies.

In Paper I, the surface vapor exchange simulated with the polar regional climate model MAR over the Greenland Ice Sheet is evaluated, and a simple correction function is developed. The importance of vapor fluxes on the ice core input is quantified following a surface mass balance approach. When the correction function is applied, MAR captures the vapor exchange at the ice sheet surface remarkably well. The simulation shows that the contribution of vapor fluxes to the surface mass balance in the Greenland accumulation zone has strong seasonal differences. In summer, sublimation removes about one-third of the total mass gain through precipitation and deposition. The results of Paper I outline the significant role that vapor fluxes play in the summer surface mass balance of the Greenland accumulation zone and highlight the potential importance of post-depositional modifications during vapor exchange on the summer isotope signal. In Paper II, surface processes simulated with MAR are combined with water isotope and precipitation simulations from the global climate model ECHAM-wiso as input for the isotope-enabled SNOWISO snowpack model. For the first time, we were able to provide a model-based estimate of the surface vapor exchange impact on a simulated isotopic record in a firn core. Our simulations suggest that post-depositional vapor exchange considerably impacts the isotopes in the surface snow and imprints a climate signal into the firn. These results imply that post-depositional processes need to be considered in the interpretation and diffusion correction of isotopic ice core records. Paper III presents a novel dataset of profiles up to 1500 m of the water vapor isotopic composition, humidity, and temperature of the atmosphere above the Greenland Ice Sheet. The dataset gives invaluable insights into the vertical distribution of isotopes. We find indications that the surface vapor exchange has a direct impact on the isotopic composition of the atmosphere up to a height of 250 m. Furthermore, we find a low correlation between the atmospheric δ18O and temperature but a higher correlation between δ18O and the specific humidity. This indicates that δ18O contains information on the hydrological cycle beyond the temperature. The dataset is used to evaluate the performance of the atmospheric model MAR and the ERA-5 reanalysis. The results of this study contribute to our understanding of the near-surface vapor origin and composition that imprints a continuous climate signal into the firn.