Climatic signals and frequencies in the Swedish Time Scale, River Ångermanälven, Central Sweden

Abstract

Any future climate variation forced by human activities will be superimposed on the background of natural climate variation. Therefore, before interpreting the present climate and addressing future climate scenarios some knowledge of past climate is necessary. This thesis offers a rare glimpse into a long record of fluvial activity in Central Sweden and illuminates some of the possible forcing agent behind past (and future) discharge variation. Along the Swedish East Coast varved deposits of sand silt and clay couplets make up a chronology, which extend from the present into the Late Glacial. This chronology is known as the Swedish Time Scale (STS) and the c. 8000 varves were deposited in River Ångermanälven, Central Sweden. Of these varves, the last c. 2000 years are considered secure in terms of coherent chronology and internal thickness variation. A 2000 year long geometric mean varve thickness series was calculated to account for the internal thickness variation, which is postulated to form a proxy for fluvial sediment transport. Geometric mean varve thickness was compared to observed maximum daily annual discharge Qmax (1909-1971 AD) and the relationship expressed in a power equation. Thus, a reconstruction of past discharge for the last 2000 years could be produced. Extreme reconstructed discharge events were shown to be reasonable, considering the range of the observed discharge. Observed Qmax normally occurs during the snowmelt flood. Thus it is reasonable to attribute the variation in reconstructed Qmax to the snowmelt flood and, therefore, to melt water generation. Accumulated observed winter precipitation data from eleven meteorological stations from within and in the vicinity of the Ångermanälven catchment were compared to Qmax. Nine time series shared variation with Qmax and were complied into an average accumulated winter precipitation series. This series shares c. 40% of its variation with Qmax (observed and reconstructed) and it is reasonable to attribute some of the variation in the reconstructed Qmax to snow accumulation changes. The reconstructed Qmax series holds a centennial length waveform, which is interpreted in terms of the late Holocene climate succession, i.e. the Roman Warm Period, Dark Ages Cold Period, Medieval Warm Period, Little Ice Age and Contemporary Warm Period. Non-stationary frequencies in the sub decadal, decadal and centennial bands have been detected in the 2000 year long geometric mean varve series. Sub decadal frequencies are tentatively interpreted as forced by the North Atlantic Oscillation.. Decadal frequencies are interpreted as sunspot forcing. Centennial frequencies are tentative interpreted as Suess cycle forcing. Missing varves in the STS (minimum 500 years) have previously been postulated on the grounds of an independent calibrated radiocarbon calendar age obtained from varve deposits and its correlation to the GRIP Ice Core. However, an evaluation of the STS by cross correlation does not support the presence of a centennial error in the post glacial part of STS. Additional analyses on the relationship between reconstructed discharge and other climate (-derived) proxies have been tested, including temperature, tree rings, atmospheric indices, sea-ice extent, C-14 production variation, global temperature reconstructions and volcanic eruptions. These analyses were mostly internally contradictive and non-conclusive.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om hur man kan utläsa klimatiska signaler från klastiska årsvarviga sediment i Ångermanälven i södra Norrland. Avhandlingen bidrar med kunskap till den pågående diskussionen om klimatets- och den hydrologiska cykelns förändringar, framförallt sett ur ett retrospektiv men den behandlar också frågor om framtiden och en eventuellt ökande växthuseffekt. Varviga sediment förekommer längs den svenska östkusten och i Sveriges norra- och centrala dalgångar. Tillsammans utgör dessa sediment en lång tidsskala, den så kallade Svenska Tidsskalan, som sträcker sig från nutid genom hela vår nuvarande värmetid (Holocen) och in i slutet av den senaste istiden (Senglacial tid). Varven har avsatts i två olika miljöer (1) dels framför den retirerande Fennoskandiska inlandsisen i en issjömiljö och (2) dels i dalgångarna efter att inlandsisen hade dragit sig tillbaka efter isavsmältningen i en lakustrin miljö. Denna avhandling fokuserar främst på varven i Ångermanlandsälvens dräneringsåmråde som har bildats under de senaste ca 2000 åren men den behandlar även de varv avsatta de senaste 8000 åren. Tidsintervallet valdes på grund av att preliminära analyser visat att tidsskalan är tillförlitlig och för att det i sedimenten i mynningen av Ångermanälven finns varv som bildats under denna period. Endast i ett fåtal tidigare undersökningar har förhållandet mellan varvtjocklek och vattenflöde studerats. I denna studie har ett säkert samband mellan varvtjocklek och observerad maximal dagligt årsflöde (Qmax) för åren 1909-1971 upprättats. Förhållandet mellan de två parametrarna har uttryckts med en potensekvation, vilket underlättat beräkningen av Qmax för de senaste 2000 åren. Tidsserier av Qmax har analyserats en efter en. Jag fann bl a en tillfredsställande fördelning av de extrema värdena i jämförelse med observerade dataserier. Qmax visade sig också sammanfalla med vårfloden, vilket betyder att förändringarna i varvtjockleken beror på variationer i snösmältningen. Observerad och rekonstruerad Qmax har korrelerats till observerat snömedeldjup, vilket visar att Qmax är ett resultat av mängden smält nederbörd i form av snö. Detta betyder i sin tur att det finns signaler i varven som leder till variationer atmosfären. I årsnederbördsdata upptäcktes en vintersignal i den s.k. ”North Atlantic Oscillation” (NAO), vilken inte kunde urskiljas i varken Qmax eller varvtjockleken. Jag fann att en hundraårig periodicitet i varvtjockleken sammanfaller med den klassisk Senholocena klimatutveckling d v s med en varm period under romartiden, en kall period mellan ca 500-1000 e. Kr., åter en varm period under Medeltiden följt av ett kallt klimat under den Lilla istiden och slutligen uppvärmningen i vår egen tid. Om det finns en atmosfärisk faktor som påverkar bildningen av varv ska det vara möjligt att sammankoppla varvtjockleken till andra arkiv som påverkas av atmosfären t ex variationer i O18/O16 halten i den Grönländska inlandsisen. Enligt instrumentobservationer och de mekanismer som påverkar NAO, borde det finnas ett omvänt förhållande mellan de två temperaturkänsliga arkiven. Ett sådant förhållande upptäcktes i varvserien under vissa tidsperioder men inte under andra. Detta av- och på förhållande har tolkats som start- och slutsignaler för NAO. Baserat på frekvensanalyser har jag visat att tidsserierna innehåller icke-stationära solvindscyklar men också andra frekvenser. Förutom solvindenscyclisitet, upptäcktes periodiciteter som sträcker sig från tiotals till tusentals år, vilka kan kopplas till variationer I t ex NAO och Suesscykeln. En 1000 års -lång vågform har spekulativt kopplats ihop med Bondcykeln, som hittats i marina sediment. Förutom dessa analyser utfördes ytterligare ett antal analyser för att kunna utreda förhållandet mellan varvtjocklek, Qmax och andra arkiv som kan innehålla indirekt information om klimatets variationer. Dessa arkiv utgjordes av trädringsserier, temperaturserier, atmosfäriska data, isutbredningen på Östersjön, kol-14 serier och data från vulkanutbrott. Slutsatserna från dessa korrelationsanalyser var i huvudsak negativa, d v s jag fann inget samband mellan varvtjocklek och de andra arkiven. Jag har även gjort försök med att korrelera olika varvserier omfattande de senaste ca 8000 åren eftersom tidigare upptäckter visat att kronologin i Svenska Tidsskalan kombinerat med kol-14 dateringar av organiskt material som påträffats i lervarven och tidskalan i en borrkärna från den Gröländska inlandisen (GRIP borrkärnana) inte överensstämmer och att det minst saknas 500 varv i den Svenska Tidsskalan. Mina resultat pekar på att de saknade varven troligtvis inte går att finna i Ångermanälvens avlagringar. Denna avhandling har ökat kunskapen om varv i Ångermanälven på ett flertal olika sätt bl a genom att * sambandet mellan Qmax och vårfloden har utretts * varvdata har omvandlats till vattenflödesserier * en hundraårig periodicsitet har tolkats inom ramen för klassisk Senholocen klimatutveckling * frekvenser sammankopplade till NAO, solvindscykeln och Suesscykeln har upptäckts * tidsskalan har granskats med hjälp av korrelationer och förklarats tillförlitlig * flera olika klimatiska arkiv har testats gentemot varvtjocklek, men dessa studier gav inget nytt ljus åt förståelsen om hur varven i Ångermanlandsälvens dräneringsområde varierar

• author: Sander, Mikkel
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Renberg, Ingemar, Uppsala
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: marklära, kartografi, klimatologi, pedology, cartography, climatology, Fysisk geografi, geomorfologi, geomorphology, Physical geography, winter precipitation, climate change, central Sweden, last 2000 year, discharge, varve
• in: Lundqua
• issue: 49
• pages: 129 pages
• defense location: Sölvegatan 13, Room 308
• defense date: 2003-04-11 13:15:00
• external identifiers: scopus:0346009178
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 9186746448
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: The relationship between annual varve thickness and maximum discharge (1909-1971) Article: A 2000 year long record of snowmelt flood derived from a clastic varved sequence and its relation to snow pack changes in central sweden. Article: Peridicities in the varved record of Ångermanälven, Evidence for solar and atmospheric forcing
• id: aa50a835-cc29-4db7-b913-411b5e7b015a (old id 465559)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:02:26
• date last changed: 2022-01-28 08:49:52