Holocene flood frequency across the Central Alps

193 Pages·2013·20.9 MB·English

by  Wirth Stefanie

ETH Library
The Holocene flood history of the
Central Alps reconstructed from
lacustrine sediments
Frequency, intensity and controlling climate factors
Doctoral Thesis
Author(s):
Wirth, Stefanie B.
Publication date:
2013
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-009775044
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The Holocene flood history of the Central Alps
reconstructed from lacustrine sediments: Frequency,
intensity and controlling climate factors
Stefanie B. Wirth
- 2013 -
Diss ETH No. 20860
DISS. ETH NO. 20860

The Holocene flood history of the Central Alps
reconstructed from lacustrine sediments: Frequency,
intensity and controlling climate factors

A dissertation submitted to
ETH ZÜRICH

for the degree of
Doctor of Sciences

presented by

Stefanie B. Wirth
MSc in Earth Sciences, ETH Zürich

born March 24, 1983
from Solothurn (SO) and Ursenbach (BE)

accepted on the recommendation of

Prof. Dr. Gerald H. Haug, ETH Zürich, examiner
Dr. Adrian Gilli, ETH Zürich, co-examiner
Prof. Dr. Flavio S. Anselmetti, Universität Bern, co-examiner
Prof. Dr. Fabien Arnaud, Université de Savoie, France, co-examiner

- 2013 -

Discovery consists of seeing what everybody has seen
and thinking what nobody has thought.
Albert Szent-Gyorgyi

Summary
Summary
In recent decades, floods induced by heavy precipitation events have caused extensive
financial, social and infrastructural damage in the Alps and in the adjacent foreland. Hence,
concern about the future development of this natural hazard, particularly in the view of
climate change, is large. In order to validate climate projections and to adapt strategies
to minimize infrastructure loss in case of future changes in flood occurrence, improved
knowledge on the past natural variability of Alpine floods and on the controlling climatic
factors and mechanisms is required. For this purpose, lake sediments provide ideal records
of frequency and intensity of floods in the geological past. Lake basins register flood
events in a continuous and high-resolution mode by archiving flood-entrained sediment
particles as characteristic flood layers. The arising flood records cover time periods unaf-
fected by human impact and therefore provide a pristine and natural climate signal.
Within this project, a 10,000-year long flood chronology of the Central Alps based on
15 lacustrine sediment records (ten in the Northern Alps, five in the Southern Alps) was
established. The use of a multi-archive approach allowed the reconstruction of large-scale
precipitation events, since compiling the individual records statistically suppresses locally
occurring events such as thunderstorms from the overall signal.
The relation between Alpine flood occurrence and changes in air temperature consti-
tuted the prime question of this project, since it is a highly topical issue in the discussion
on current climate warming. For solving this problem, the established flood reconstruction
is compared to a reconstruction of solar irradiance, whose intensity directly impacts tem-
perature in the stratosphere and on the Earth’s surface. As a result, an apparent negative
relation between Alpine flood frequency and solar irradiance emerges, thus implicating
that flood occurrence was enhanced during cool periods in the past. This result is cor-
roborated by the frequency spectra of the North- and South-Alpine flood reconstructions
revealing periods that are also present in the solar spectrum. The atmospheric mechanism
underlying the observed coherence between Alpine flood occurrence and solar irradiance
is founded in temperature-dependent variations in the dimensions of the Hadley circula-
tion cell. During phases of low temperatures, its northward widening is limited and its
northern boundary therefore prevalently positioned at Central European latitudes, thus fo-
cusing Atlantic frontal systems toward the Alps. In contrast, an increase in air temperature
as it is anticipated for the coming decades due to climate warming induces a northward
expansion of the Hadley cell, which leads to an inclusion of Alpine latitudes into the sub-
tropical dry zone and thus to a reduced Alpine flood occurrence.
The North- and South-Alpine flood reconstructions are not continuously characterized
by a congruent pattern, but phases of divergent North- and South-Alpine flood patterns
reveal changes in atmospheric circulation over the North Atlantic. Enhanced flood activity
in the Southern Alps is indicative for a southerly, i.e. at Mediterranean latitudes, position
of the westerly storm tracks over the North Atlantic. Underlying southward shifts of the
Atlantic circulation system are controlled by phases of climate cooling in the northern
North Atlantic. The found result of a generally increasing trend in South-Alpine flood
frequency during the Holocene therefore reflects the precession-forced cooling of the
Northern Hemisphere. On the decadal- to millennial-time scale, southward shifts are con-
i
Summary
trolled by phases of low solar irradiance, most clearly observed by intensified and strongly
fluctuating South-Alpine flood activity between 4200 and 2400 years before present.
Furthermore, southward shifts in the tracks of the Westerlies have been attributed with
negative indices of the North Atlantic Oscillation (NAO), implicating that enhanced
South-Alpine flood activity is indicative of a more negative NAO state. NAO influence on
South-Alpine flood occurrence is further corroborated by evidence from a seasonally re-
solved flood reconstruction. Investigations on an annually laminated (i.e. varved) sediment
succession reveal a seasonal distribution dominated by summer and autumn floods. The
comparison with solar irradiance describes a strong coupling of frequency and intensity
of summer events with solar minima, thus implicating negative anomalies for air tempera-
ture and NAO indices. In contrast, autumn events only partly follow the solar pattern and
therefore indicate a more complex forcing. In fact, the most intense autumn events seem
to occur during phases of positive anomalies in Mediterranean sea-surface temperatures.
In addition, exceptional autumn events potentially occur simultaneously with El Niño
events, implicating influences of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phenomenon
on autumn floods in the South-Alpine realm. Imprints of ENSO are also found in the
compiled, 10,000-year long South-Alpine record, evidenced by coinciding patterns of the
El Niño record from the Andes and of enhanced intensities of South-Alpine floods. The
approximation of flood intensity by flood-layer thickness, which is based on the relation-
ship between the coarsest grain-size fraction and the thickness, was found to be particular-
ly valid for the most outstanding deposits, i.e. for the most extreme events. This suggests
that ENSO influence in the northwestern Mediterranean area manifests in the occurrence
of extremely intense precipitation events, which preferably occur in autumn and tempo-
rally coincide with El Niño phases.
The climatic and atmospheric mechanisms controlling the reconstructed pattern of Al-
pine flood occurrence are for the North Atlantic/European sector relatively well docu-
mented and understood. However, large-scale processes that underlie the teleconnection
between the NAO and the ENSO phenomena, as well as the inherent variations in solar
irradiance are not yet well conceived. Hence, in order to improve the ability to forecast the
occurrence of severe floods and droughts on a large spatial scale, the global availability of
high-resolution paleo-flood reconstructions has to be expanded and reanalysis of recent
instrumental climate data intensified.
ii
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Hochwasser aufgrund von grossräumigen Starkniederschlägen haben in den Alpen und
im Schweizer Mittelland in den vergangenen Jahrzehnten zu beträchtlichen finanziellen,
sozialen und infrastrukturellen Schäden geführt. Die zukünftige Entwicklung von Häufig-
keit und Stärke dieser Ereignisse ist deshalb von grossem Interesse sowohl für die Öffen-
tlichkeit als auch für die Planung zukünftiger Infrastruktur. Für die Verbesserung langfris-
tiger Hochwasservorhersagen, vor allem im Hinblick auf die aktuelle Klimaerwärmung,
sind jedoch detailliertere Kenntnisse über die natürliche Variabilität von Starkniederschlag-
sereignissen erforderlich.
Sedimentabfolgen aus Seen stellen in diesem Zusammenhang ideale Archive dar, um
das natürliche Auftreten von Hochwassern in der Vergangenheit zu rekonstruieren. Flu-
tereignisse werden in Seebecken durch das eingeschwemmte und am Seegrund abgelagerte
Sedimentmaterial kontinuierlich und in einer hohen zeitlichen Auflösung aufgezeichnet.
Die entstehenden Flutlagenabfolgen erlauben eine Abbildung der Flutgeschichte in der
geologischen Vergangenheit, welche sich durch ursprüngliche und vom Menschen unbee-
influsste Fluss- und Seesysteme auszeichnet.
Ziel des ‘FloodAlp’-Projektes war die Rekonstruktion der Häufigkeit und Intensität von
Flutereignissen während des Holozäns (d.h. während der letzten 10’000 Jahre), sowie die
Ermittlung und Diskussion der zugrunde liegenden Klimafaktoren. Die dabei angewen-
dete Vorgehensweise, welche die Untersuchung mehrerer lakustrischer Sedimentarchive
(zehn in den Nordalpen, fünf in den Südalpen) umfasst, erlaubt die Rekonstruktion gross-
räumiger Niederschlagsereignisse, da lokale bis regionale Ereignisse wie Gewitter durch
die Kombination mehrerer Datensätze unterdrückt werden.
Als Hauptfragestellung wurde die gegenwärtig äusserst relevante Frage nach der Abhän-
gigkeit der Hochwasserhäufigkeit von Veränderungen der Lufttemperatur gewählt. Die
Herangehensweise bestand deshalb in einem Vergleich der erarbeiteten holozänen Flut-
geschichte mit einer Rekonstruktion der solaren Strahlungsintensität, welche sowohl die
Temperatur in der Stratosphäre als auch auf der Erdoberfläche unmittelbar beeinflusst. Die
als Ergebnis abgebildete negative Beziehung der alpinen Fluthäufigkeit zur solaren Strahl-
ungsintensität impliziert, dass Starkniederschlagsereignisse in der geologischen Vergan-
genheit vermehrt während kühler Perioden aufgetreten sind. Der atmosphärische Zirkula-
tionsmechanismus, der diesem Zusammenhang zugrunde liegt, basiert auf Veränderungen
in der Dimension der Hadley-Zirkulationszelle. Unter kühlen Klimabedingungen ist deren
meridionale Ausdehnung limitiert und die Nordgrenze befindet sich vorzugsweise auf
zentraleuropäischen Breitengraden, weshalb die Sturmbahnen der atlantischen Frontsys-
teme vermehrt auf die Alpen gelenkt werden. Eine Erhöhung der Lufttemperatur, wie
sie aufgrund der Klimaerwärmung für die kommenden Jahrzehnte erwartet wird, bewirkt
jedoch eine stärkere Ausdehnung der Hadley-Zelle, was dazu führt, dass Zentraleuropa in
den Bereich des subtropischen Hochdruckgebietes rückt und trockene und heisse Bedin-
gungen erfährt.
Die Hochwasserrekonstruktionen für die Nord- und Südalpen zeigen allerdings kein
durchgehend übereinstimmendes Ergebnis, sondern werden auch durch Zeitperioden ge-
prägt, die voneinander abweichende Muster aufweisen. Basierend auf der atmosphärischen
iii
Zusammenfassung
Zirkulation über dem Nordatlantik kann ein vermehrtes Auftreten von Hochwassern in
den Südalpen, aufgrund von einer erleichterten Erreichbarkeit der Mittelmeerbreiten durch
atlantische Frontsysteme, auf eine verstärkt südliche Position der atlantischen Westwind-
zone zurückgeführt werden. Solche südwärts orientierten Verschiebungen des Zirkula-
tionssystems werden durch negative Temperaturanomalien im nördlichen Nordatlantik,
welche auf einer dekadischen bis tausendjährigen Zeitskala durch Phasen tiefer solarer
Strahlungsintensität und auf der längeren Zeitskala der orbitalen Präzession durch eine
Abnahme der Insolation kontrolliert werden, ausgelöst. Die Hochwasserrekonstruktion
der Südalpen zeigt, dass kurzzeitige Schwankungen zwischen 4200 und 2400 Jahren vor
heute besonders ausgeprägt sind, während sich die durch die Insolation erfolgte Abküh-
lung in einem generell ansteigenden Trend der südalpinen Hochwasserhäufigkeit während
des Holozäns ausdrückt.
Südwärts orientierte Verlagerungen des nordatlantischen Zirkulationssystems weisen zu-
dem Ähnlichkeiten mit einem negativen Zustand des atmosphärischen Phänomens der
Nordatlantischen Oszillation (NAO) auf. Deshalb ist eine erhöhte Flutaktivität in den
Südalpen indikativ für einen negativeren NAO Index. Ein starker Einfluss der NAO präsen-
tiert sich auch in den Resultaten einer saisonal aufgelösten Flutrekonstruktion, die anhand
einer jährlich laminierten (d.h. gewarvten) Sedimentabfolge erzeugt werden konnte. Die
dabei ermittelte Dominanz von Sommer- und Herbstereignissen ist vereinbar mit dem
saisonalen Auftreten rezenter Hochwasser in den Alpen. Der Vergleich der saisonalen
Flutrekonstruktion mit der solaren Strahlungsintensität zeigt, dass sowohl Häufigkeit als
auch Stärke von Sommerereignissen durch ausgeprägte Sonnentiefs kontrolliert werden.
Herbstereignisse hingegen folgen nur teilweise dem solaren Muster, was zusätzliche Kon-
trollfaktoren impliziert. Tatsächlich scheinen positive Anomalien der Oberflächentemper-
atur des Mittelmeeres ein wichtiger Faktor für die Generierung von intensiven Herbst-
niederschlägen zu sein. Zusätzlich ist bekannt, dass extreme Herbstereignisse gleichzeitig
mit El Niño-Ereignissen auftreten können. Der Einfluss von El Niño-Ereignissen auf das
Niederschlagsklima der Südalpen wird untermauert durch das Muster der rekonstruierten
Flutintensität innerhalb der 10’000-jährigen Abfolge, welches eine deutliche Übereinstim-
mung mit der El Niño-Aufzeichnung aufweist. Die Approximation der Flutintensität er-
folgte durch die, im Rahmen dieser Arbeit validierten, lineare Beziehung zwischen der
gröbsten Kornfraktion und der Flutlagenmächtigkeit. Dieser Zusammenhang scheint je-
doch vorwiegend für die Fraktion der mächtigsten Ablagerungen, dementsprechend für
die intensivsten Ereignisse, Gültigkeit zu besitzen. Dies suggeriert, dass sich eine gross-
räumige klimatische Verbindung zwischen dem ‚El Niño-Southern Oscillation’-Phänomen
(ENSO) und dem Niederschlagsmuster im nordwestlichen Mittelmeer im Auftreten von
äusserst intensiven Herbstereignissen, die zeitgleich mit El Niño-Phasen auftreten, mani-
festieren kann.
Die atmosphärischen Zirkulationsveränderungen, welche das rekonstruierte Muster al-
piner Hochwasser kontrollieren, sind für den nordatlantischen/europäischen Sektor ver-
gleichsweise gut dokumentiert und erforscht. Die grossräumigeren bis globalen Verbind-
ungen zwischen der NAO und dem ENSO-Phänomen, die unter Einbeziehung der
Sonnenaktivität betrachtet werden müssen, sind jedoch schwieriger zu erfassen. Sowohl
weitere, vor allem hochauflösende, Flutrekonstruktionen aus möglichst unterschiedlichen
geographischen Gebieten als auch die vermehrte Reanalyse instrumenteller Klimadaten
können deshalb zu einem erweiterten Verständnis der involvierten atmosphärischen als
auch ozeanischen Zirkulationsprozesse beitragen.
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