Stable oxygen isotopes and Sr/Ca-ratios in modern Diploria strigosa corals from different sites in the Caribbean Sea : evaluation of a new climate archive for the tropical Atlantic

Instrumentell aufgezeichnete Klimadaten sind in der Länge begrenzt und vor der Mitte des 20. Jahrhunderts in ihrer räumlichen Verfügbarkeit stark eingeschränkt. Diese Daten sind zu kurz um dekadische und längerskalige Klimavariabilität sowohl verlässlich bestimmen und interpretieren zu können, als auch die zugrundeliegenden Mechanismen mit hinlänglicher Genauigkeit zu verstehen. Eine angemessene Kenntnis vergangener Klimavariabilität ist von eminenter Wichtigkeit um den anthropogenen Einfluss auf Klima und Ökosysteme verlässlich zu beurteilen, sowie maßgebend um langfristige Klimavorhersagen treffen zu können. Aus diesem Grund können hochaufgelöste Aufzeichnungen vergangener Klimavariabilität, welche sich bis ins vorindustrielle Zeitalter erstrecken, sehr hilfreich sein um langfristige Klimaänderungen und Trends besser zu verstehen. Indirekte Informationen über in der Vergangenheit vorherrschende Umwelt- und Klimabedingungen können von Klima-sensitiven Proxies abgeleitet werden. Große Kolonien tropischer Korallen massiver Wuchsform sind dafür bekannt Veränderungen im sie umgebenden Meerwasser mit hoher Genauigkeit aufzuzeichnen. Das schnelle Wachstum des Korallenskeletts, welches im Bereich von einigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern pro Jahr liegt, erlaubt die Entwicklung von sogenannten Proxy-Zeitserien die saisonale und höhere zeitliche Auflösung aufweisen. Im aragonitischen Korallenskelett eingebaute stabile Sauerstoffisotopen und Spurenelemente können ein detailliertes Bild über die Abfolge vergangener Änderungen in den Umweltbedingungen (z.B. der Temperatur an der Wasseroberfläche, SST) liefern. Die Anzahl der auf Korallen aus dem tropischen Atlantik basierenden Rekonstruktionen vergangener Klimabedingungen ist gering im Vergleich zu den zahlreichen Studien die auf Korallen aus dem Indischen und Pazifischen Ozean gründen. Bislang wurde die Herstellung von hochaufgelösten Langzeit-Proxyzeitserien vor allem durch Schwierigkeiten in der Beprobung und Analyse der im tropischen Atlantik vorrangig verwendeten Korallengattungen Montastrea und Siderastrea erschwert. Das Ziel dieser Studie ist die Evaluierung von schnellwachsenden Korallen massiver Wuchsform der Art Diploria strigosa als neues marines Archiv für Klimarekonstruktionen aus dem tropischen Atlantik. Zu diesem Zweck wurden neue Korallen-Zeitreihen von zwei Lokationen in der östlichen Karibik (Guadeloupe, Kleine Antillen; und Archipel Los Roques, Venezuela) entwickelt und untersucht. Im Arbeitsgebiet Guadeloupe wurde eine das letzte Jahrhundert umspannende Multi-Proxy Korallen-Zeitserie hergestellt, die monatliche Auflösung bietet. Die Ergebnisse der Studie repräsentieren die ersten Kalibrationsgleichungen zwischen Sauerstoffisotopen, Spurenelementen (Sr/Ca) und der Wassertemperatur (SST) für die aus dem Atlantik stammende Korallenart Diploria strigosa. Die berechneten Kalibrationen sind robust und stimmen gut mit den bekannten Werten anderer Korallenarten aus verschiedenen Regionen weltweit überein. Beide verwendeten Proxies spiegeln die lokale Variabilität der Oberflächen-Wassertemperatur mit hoher zeitlicher Auflösung wider, was wiederum eine wichtige Voraussetzung für die Untersuchung von stark saisonal geprägten Klimasignalen darstellt. Ferner zeichnen beide Proxies die weiträumigere SST-Variabilität auf, d.h. in der Karibik und in Teilen des tropischen Nordatlantiks. Das Korallen-Sr/Ca stellt einen zuverlässigen Proxy für lokale annuelle bis interannuelle Temperaturschwankungen dar, der höher mit lokal gemessener Lufttemperatur korreliert als mit gemittelter SST. Die aus Korallen-Sr/Ca errechnete Erwärmung stimmt mit der im Arbeitsgebiet beobachteten starken Erwärmung der Oberflächentemperatur während der letzten Jahrzehnte überein. Die Proxydaten zeigen eine enge Verbindung zu bedeutenden Klimasignalen aus dem tropischen Pazifik und Nordatlantik (die El Niño-Südhemisphären Oszillation (ENSO), sowie die Nordatlantische Oszillation (NAO)), welche den Jahresgang der SST im nordtropischen Atlantik (NTA) beeinflussen. Am Aragonit von Korallen gemessene Sauerstoffisotopen werden außerdem vom Meerwasser δ18O (δ18O Meerwasser) beeinflusst, das wiederum vom hydrologischen Kreislauf abhängig ist, und zeichnen großskalige Klimavariabilität im nordtropischen Atlantik besser auf als Sr/Ca, welches vor allem lokale Temperaturschwankungen reflektiert. Ein quantitativer Vergleich zwischen Extremereignissen in externen Klimasignalen, welche den tropischen Atlantik beeinflussen können (ENSO und die NAO), und im saisonalen Korallen-δ18O aufgezeichneten Ereignissen zeigt, dass die Temperaturvariabilität im Arbeitsgebiet mit der Variabilität im tropischen Pazifik und Nordatlantik in Verbindung steht. Diese Ergebnisse unterstützen wiederum die auf instrumentellen Daten und Klimasimulationen basierenden Resultate, welche einen starken Einfluß der ENSO und der NAO auf den nordtropischen Atlantik durch die Regulierung der Passatwind-Stärke vermuten lassen. Die Ergebnisse aus der Untersuchung der Proxy-Zeitserien mit verschiedenen Methoden der Spektralanalyse deuten darauf hin, dass die von der Koralle aufgezeichnete interannuelle Klimavariabilität vor allem durch den pazifischen Einfluss (ENSO)bestimmt wird, wohingegen der Einfluss der NAO auf dekadischen und längeren Zeitskalen zu dominieren scheint. Das Archipel Los Roques liegt in der südöstlichen Karibik, nördlich der Küste Venezuelas. Die auf einer rezenten Diploria strigosa Koralle basierende monatlich aufgelöste Sauerstoffisotopen-Zeitserie deckt nahezu das gesamte letzte Jahrhundert ab und weist eine hohe Korrelation zur Wassertemperatur auf, außerdem zeigt der Rekord sowohl jahreszeitliche Schwankungen als auch deutliche Variabilität auf multidekadischen Zeitskalen. Etwa die Hälfte der Varianz des Korallen-δ18O kann dabei durch Schwankungen im δ18OMeerwasser erklärt werden, welches durch die Berechnung des δ18Oresidual abgeschätzt werden kann indem man die Temperatur-Komponente (hier: SST) vom gemessenen Korallen-δ18O subtrahiert. Das δ 18Oresidual und ein regionaler Niederschlagsindex zeigen eine starke Verbindung auf niedrigen Frequenzen, was auf eine Steuerung der Variabilität des δ18Oresidual durch die Atmosphäre hindeutet. Im Allgemeinen gehen, auf multidekadischen Zeitskalen betrachtet, hohe Wassertemperaturen im Arbeitsgebiet mit starkem Niederschlag in der südöstlichen Karibik einher. Dadurch wird das Klimasignal im Korallen-δ18O verstärkt. Ferner weist der Korallen-δ18O Rekord während des borealen Sommers eine statistisch signifikante Beziehung zu verschiedenen Indizes auf, welche die Aktivität atlantischer Hurrikane messen. Die Proxy-Zeitreihe bildet vor allem Schwankungen der Indizes auf dekadischen bis multidekadischen Zeitskalen ab. Die verfügbaren instrumentellen Messdaten zur Hurrikanaktivität sind zeitlich stark eingeschränkt und weisen große Unterschiede auf, welche vor allem auf die über die Jahre erfolgten Umstellungen in Messmethodik und –technik zurückzuführen sind. Jedoch erschwert dies die Erkennung und Interpretation langfristiger Schwankungen und Trends in der Atlantischen Hurrikanaktivität. Die hier vorgestellten Ergebnisse legen nahe, dass die auf Korallen vom Los Roques Archipel basierenden Proxydaten wichtige Erkenntnisse über vergangene Schwankungen in der Hurrikanaktivität liefern können, und zwar auf Zeitskalen welche sich bis vor die verlässlichen instrumentellen Aufzeichnungen erstrecken. Im Korallen-Rekord ist außerdem ein negativer Trend zu erkennen, der die dekadische bis multidekadische Variabilität überlagert und auf eine Erwärmung sowie einen möglichen Rückgang der Oberflächenwassersalinität im Entstehungsgebiet tropischer Zyklone während der letzten Jahrzehnte hindeutet. Die Korallen-δ18O Zeitreihe stellt den ersten, und bis jetzt längsten, auf Korallen basierenden kontinuierlichen Rekord für Hurrikanaktivität dar. Die Ergebnisse deuten darauf hin das die Kombination des Temperatursignals mit dem δ18OMeerwasser-Signal im Korallen-δ18O zu einer Verstärkung großräumiger Klimasignale führt, was wiederum Korallen-δ18O zu einem besseren Indikator für Hurrikanaktivität machen würde als SST allein betrachtet. Die Atlantische Hurrikanaktivität weist natürliche multidekadische Schwankungen auf, welche mit der bedeutendsten niederfrequenten Variabilität im Nordatlantik, der Atlantischen Multidekadischen Oszillation (AMO),assoziiert werden. Diesem Klimasignal zugrundeliegende Mechanismen sind jedoch weitestgehend ungeklärt, hauptsächlich bedingt durch die zeitlich begrenzten instrumentellen Daten. Der Korallen-δ18O Rekord weist ein deutliches multidekadisches Signal mit einer Periode von etwa 60 Jahren auf, dass in enger Verbindung zur AMO steht. Wiederum deutet dies darauf hin, dass das Archipel Los Roques eine besonders sensitive Lokation für die Erfassung und Rekonstruktion niederfrequenter atlantischer Klimavariabilität darstellt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Korallen-Rekords verschiedene, im nordtropischen Atlantik entscheidende, Klimaparameter mit hoher Zuverlässigkeit aufzeichnen. Dies impliziert, dass schnellwachsende Diploria strigosa Korallen ein vielversprechendes marines Archiv darstellen, welches erhebliches Potential für zukünftige Proxy-basierte Rekonstruktionen vergangener Klimavariabilität auf verschiedenen Zeitskalen aufweist

Assessing the accuracy of δ<sup>18<\sup>O<sub>sw<?sub> estimates from corals: lessons from simple Monte Carlo simulations

EGU2008-A-04391 Paired measurements of δ18O and Sr/Ca in coral aragonite are routinely used for deriving estimates of δ18Osw and, by extension, sea surface salinity variations over the past centuries. However, in practice, the accuracy (or the error) of these estimates is often difficult to assess. Here, we use simulated proxy data and Monte-Carlo simulations to investigate the accuracy of δ18Osw estimates from paired coral δ18O and Sr/Ca measurements. First, we estimate expected values of coral Sr/Ca and δ18O from instrumental or reanalysis data of sea surface temperature (SST) and sea surface salinity (SSS). We then add the typical analytical errors onto the expected Sr/Ca (δ18O) data as random numbers and compute δ18Osw+error from the noisy proxy data for a 1000 sample Monte Carlo. From this simple Monte Carlo simulation, the range of correlation coefficients between δ18Osw+error and expected δ18Osw is estimated. As expected, we find that this range mainly depends on the magnitude of the actual SSS variations at a given site, as well as on the slope of the δ18Osw-SSS relationship. A comparison with real coral-based δ18Osw reconstructions from multiple sites indicates that correlations between reconstructed δ18Osw and instrumental SSS fall within the range of correlation coefficients predicted based on our Monte-Carlo simulation. Thus, our simple simulation exercise may help to assess the feasibility of δ18Osw and salinity reconstructions from corals in different climatic settings, provided that (i) some instrumental data of δ18Osw and/or SSS is available, and (ii) the slope of the δ18Osw-SSS relationship is known

Comparison of climate signals obtained from encrusting and free-living rhodolith coralline algae

Highlights • Comparison of encrusting and rhodolith coralline algae for paleoclimate reconstruction • Both coralline algal forms can yield SST information, but encrusting forms generally yield higher correlations to SST. • Encrusting morphologies yielded longer records due to frequent growth irregularities in rhodoliths. Abstract Coralline algae have been used for sclerochronological studies throughout the last decade. These studies have focused on two different growth morphologies of the photosynthetic coralline algae: massive crusts forming small buildups on hard substrate, and free-living branching algal nodules, known as rhodoliths. The latter are generally found on soft-substrate, where they are frequently overturned by water movement and bottom feeding organisms, leaving one side of the rhodolith partially buried in the sediment at any given time. Here we test whether either of these growth morphologies is more suitable for proxy reconstructions by comparing Mg/Ca ratios – a temperature proxy – in multiple replicates of rhodoliths of Lithothamnion glaciale and in rhodoliths as well as encrusting specimens of Clathromorphum compactum. With both species being widespread throughout the Temperate and Arctic regions, we have chosen two North Atlantic localities at Nuuk Fjord, Greenland (Subarctic), and off the southeastern coast of Newfoundland, Canada (Temperate), for this study. Two to three Mg/Ca ratio transects spanning 18 years of growth were analysed on multiple specimens with encrusting morphologies and along different sides of rhodoliths using laser ablation inductively coupled mass spectrometry and compared to remotely sensed sea surface temperature (SST) data. The length of the common time span used for comparison was limited by growth interruptions in rhodoliths. Furthermore, our comparison is based on the assumption that rhodolith growth increments are annual – an assumption that has recently been challenged by mesocosm studies. Monthly Mg/Ca values from multiple transects within each individual were compared and in samples from Nuuk fjord significant correlations were found in 4 of 4 encrusting C. compactum, 4 of 4 C. compactum rhodoliths, and 2 of 3 L. glaciale rhodoliths. In Newfoundland significant correlations were found in 6 of 6 encrusting C. compactum comparisons (average: r = 0.61, p < 0.001), and in 6 of 6 L. glaciale rhodolith comparisons (average: r = 0.43, p < 0.001) for monthly resolved time series. The monthly Mg/Ca ratios (n = 216) from each morphology were compared with instrumental Reynolds SST yielding the following correlations: encrusting C. compactum (r = 0.64, p < 0.001), C. compactum rhodolith (r = 0.62, p < 0.001) and L. glaciale (r = 0.58, p < 0.001). In Newfoundland both morphologies indicate a similar strength in recording SST: encrusting C. compactum (r = 0.85, p < 0.001) and rhodolith-forming L. glaciale (r = 0.84, p < 0.001). In summary, Mg/Ca ratios derived from both coralline algal growth forms can yield SST information, however, massive encrusting forms generally yield higher correlations to SST than transects measured on individual rhodoliths, which only allowed for the generation of short uninterrupted time series due to frequent growth irregularities

Sr/Ca and δ¹⁸O in a fast-growing Diploria strigosa coral - evaluation of a new climate archive for the tropical Atlantic

This study provides the first monthly resolved, 41-year record of geochemical variations (δ18O and Sr/Ca) in a fast-growing Diploria strigosa brain coral from Guadeloupe, Caribbean Sea. Linear regression yields a significant correlation of coral Sr/Ca (δ18O) with instrumental sea surface temperature (SST) on both monthly and mean annual scales (e.g., r = −0.59 for correlation between Simple Ocean Data Assimilation (SODA) SST and Sr/Ca, and r = −0.66 for δ18O; mean annual scale, p < 0.0001). The generated coral Sr/Ca (δ18O)-SST calibration equations are consistent with each other and with published equations using other coral species from different regions. Moreover, a high correlation of coral Sr/Ca and δ18O with local air temperature on a mean annual scale (r = −0.78 for Sr/Ca; r = −0.73 for δ18O; p < 0.0001) demonstrates the applicability of geochemical proxies measured from Diploria strigosa corals as reliable recorders for interannual temperature variability. Both coral proxies are highly correlated with annual and seasonal mean time series of major SST indices in the northern tropical Atlantic (e.g., r = −0.71 for correlation between the index of North Tropical Atlantic SST anomaly and Sr/Ca, and r = −0.70 for δ18O; mean annual scale, p < 0.001). Furthermore, the coral proxies capture the impact of the El Niño–Southern Oscillation on the northern tropical Atlantic during boreal spring. Thus fast-growing Diploria strigosa corals are a promising new archive for the Atlantic Ocean

Impact of warming events on reef-scale temperature variability as captured in two Little Cayman coral Sr/Ca records

The rising temperature of the world’s oceans is affecting coral reef ecosystems by increasing the frequency and severity of bleaching and mortality events. The susceptibility of corals to temperature stress varies on local and regional scales. Insights into potential controlling parameters are hampered by a lack of long term in situ data in most coral reef environments and sea surface temperature (SST) products often do not resolve reef-scale variations. Here we use 42 years (1970–2012) of coral Sr/Ca data to reconstruct seasonal- to decadal-scale SST variations in two adjacent but distinct reef environments at Little Cayman, Cayman Islands. Our results indicate that two massive Diploria strigosa corals growing in the lagoon and in the fore reef responded differently to past warming events. Coral Sr/Ca data from the shallow lagoon successfully record high summer temperatures confirmed by in situ observations (>338C). Surprisingly, coral Sr/Ca from the deeper fore reef is strongly affected by thermal stress events, although seasonal temperature extremes and mean SSTs at this site are reduced compared to the lagoon. The shallow lagoon coral showed decadal variations in Sr/Ca, supposedly related to the modulation of lagoonal temperature through varying tidal water exchange, influenced by the 18.6 year lunar nodal cycle. Our results show that reef-scale SST variability can be much larger than suggested by satellite SST measurements. Thus, using coral SST proxy records from different reef zones combined with in situ observations will improve conservation programs that are developed to monitor and predict potential thermal stress on coral reefs

Multi-specimen and multi-site calibration of Aleutian coralline algal Mg/Ca to sea surface temperature

Higher latitude oceanic and climatic reconstructions are needed to distinguish natural climate variability from anthropogenic warming in regions projected to experience significant increases in temperature during this century. Clathromorphum nereostra turn is a long-lived coralline alga abundant along the Aleutian archipelago that records seasonal to centennial fluctuations in seawater temperatures in its high-Mg calcite skeleton. Thus, C. nereostratum is an important proxy archive to reconstruct past seawater temperature variability in this data-poor subarctic region. Here, we measured magnesium to calcium ratios (Mg/Ca) by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) along the growth axis in six live-collected specimens from three islands in the Aleutian archipelago to assess Mg/Ca reproducibility and to calibrate algal Mg/Ca against modern gridded sea surface temperature (SST) data products. The master Mg/Ca SST transfer function, determined by averaging the algal Mg/Ca SST from each island (n = 6), resulted in a reconstruction error of +/-0.45 degrees C, a 31-46% reduction in error compared to the reconstruction error for a single alga. The master algal-SST record interpolated to monthly and annual resolution significantly varied with gridded SST data products (r(2) = 0.98, p < 0.0001, n = 517 and r(2) = .27, p < 0.0003, n = 44, respectively) for the period from 1960 to 2003. Therefore, coralline algal Mg/Ca-derived SST reconstructions record absolute changes in past SST variability in the Aleutian archipelago. The transfer functions developed here can be applied to Mg/Ca records generated from long-lived specimens of C. nereostra turn to reconstruct northern North Pacific and Bering Sea SST variability for the past several hundred years

Arctic sea-ice decline archived by multicentury annual-resolution record from crustose coralline algal proxy

Northern Hemisphere sea ice has been declining sharply over the past decades and 2012 exhibited the lowest Arctic summer sea-ice cover in historic times. Whereas ongoing changes are closely monitored through satellite observations, we have only limited data of past Arctic sea-ice cover derived from short historical records, indirect terrestrial proxies, and low-resolution marine sediment cores. A multicentury time series from extremely long-lived annual increment-forming crustose coralline algal buildups now provides the first high-resolution in situ marine proxy for sea-ice cover. Growth and Mg/Ca ratios of these Arctic-wide occurring calcified algae are sensitive to changes in both temperature and solar radiation. Growth sharply declines with increasing sea-ice blockage of light from the benthic algal habitat. The 646-y multisite record from the Canadian Arctic indicates that during the Little Ice Age, sea ice was extensive but highly variable on subdecadal time scales and coincided with an expansion of ice-dependent Thule/Labrador Inuit sea mammal hunters in the region. The past 150 y instead have been characterized by sea ice exhibiting multidecadal variability with a long-term decline distinctly steeper than at any time since the 14th century