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XELLCLIM - Benchmarking xylem cell anatomy for tree-ring based climate reconstructions

Applicant von Arx Georg
Number 182398
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Swiss Federal Research Inst. WSL Direktion
Institution of higher education Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research - WSL
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.01.2019 - 31.12.2021
Approved amount 700'000.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Botany
Ecology
Environmental Research

Keywords (10)

hydroclimatic reconstructions; climate reconstructions; biological memory effects; dendroanatomy; climate variability; spectral properties; temperature reconstruction; tree rings; general circulation models (GCMs); quantitative wood anatomy

Lay Summary (German)

Lead
Jahrringe gehören zu den besten Quellen um die Klimavariabilität der letzten Jahrtausende zu rekonstruieren. Dazu werden bisher insbesondere die Breite und die maximale Holzdichte in den Jahrringen verwendet. Als Herausforderung hat sich dabei die Unterscheidung von klimainduzierten von anderen Schwankungen der Messreihen erwiesen. Zudem existieren unerklärte Diskrepanzen zwischen Rekonstruktionen, welche auf Jahrringen und globalen Klimamodellen beruhen. Diese Diskrepanzen erschweren es, die künftige Klimaentwicklung zu modellieren. Eine neue und vielversprechende Jahrringmessgrösse um die bestehenden Unsicherheiten zu reduzieren sind Zeitreihen von Zelleigenschaften. Diese bieten eine sehr hohe zeitliche Auflösung und deren Biologie und Funktion ist weitgehend bekannt. Bisher fehlt jedoch eine eingehende Prüfung deren Potentials.
Lay summary
Unser Hauptzielsetzung ist die Identifikation der Zelleigenschaften mit dem besten Klimasignal und der Vergleich mit etablierten Jahrringmessgrössen, Instrumentendaten sowie Klimamodellen. Insbesondere möchten wir 1) die spezifische Zelleigenschaft mit dem stärksten und saisonal bestaufgelösten Klimasignal ermitteln, 2) die nicht klimatisch bedingten Schwankungen der etablierten Jahrringmessgrössen besser verstehen, sowie 3) die Diskrepanzen zwischen jahrring- und modellbasierten Rekonstruktionen reduzieren.

Wir erwarten neue zellbasierte Messgrössen für die Rekonstruktion von Temperatur- und Niederschlagsschwankungen zu etablieren, welche sowohl saisonale wie jahrhundertelange Schwankungen realitätsnäher abbildet. Damit können die Unsicherheiten von Klimamodellierungen für die nächsten Jahrzehnte reduziert werden und die Grundlagen für politische Entscheidungen zum Klimaschutz verbessert werden.

 
Direct link to Lay Summary Last update: 15.10.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Background: Tree rings are one of the most powerful data sources for reconstructing climate variability of recent millennia. Yet, a still not fully resolved challenge when using the primary tree-ring parameters, tree-ring width (TRW) and maximum latewood density (MXD), is the distinction of climate-induced variability from non-climatic variability. Furthermore, unresolved inconsistencies between tree-ring based proxy reconstructions and general circulation model (GCM) simulations hamper attribution and detection of climate forcing and limits confidence in model estimates of future climate change. Dendroanatomy is a novel emerging tree-ring approach based on xylem cell anatomical properties. It features attributes to potentially mitigate the above issues, has unprecedentedly high temporal resolution, and its biological foundations and functional links are comparably well understood. However, a rigorous assessment of the full potential of dendroanatomy for climate reconstruction is greatly needed, but remains outstanding.Objectives: We seek to identify the best xylem cell-based dendroanatomical features for climate reconstructions and assess their characteristics across temporal scales compared to established tree-ring parameters, and against instrumental records and climate model simulations. Specific aims: We aim at: 1) finding the anatomical metrics for temperature and hydroclimatic reconstructions with the strongest signal and the most precise seasonal fingerprint of climate variability, 2) understanding and quantifying the biological memory effects of TRW and MXD, and how they might affect climate reconstructions, and 3) comparing the spectral properties of dendroanatomical proxies versus GCM models to assess whether the observed mismatch can be alleviated with dendroanatomy.Approach: The backbone of all analyses will be the development and analyses of both existing and new multi-centennial chronologies of xylem cell anatomical features from two of the most renowned regions for long-term climate reconstructions, northern Scandinavia and SW-USA, which are hotspots for summer temperature and winter precipitation sensitivity, respectively.Expected results: We expect to develop improved proxies for temperature and precipitation variability based on cell anatomical measurements with less biological memory effects, and variability that more realistically captures climate variability throughout time from intra-seasonal to multi-centennial scales. Impact: Our results will represent a very significant and relevant contribution to assess uncertainties of existing tree-ring based climate reconstructions, and will pave the way for a “next-generation” tree-ring proxy for climate reconstructions with unprecedented qualities.
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