The Eastern Mediterranean - Levant late Quaternary climates: Paleohydrology and Extreme Floods from the Dead Sea ICDP Core (PALEX-II)

• Applicant: Professor Dr. Achim Brauer
• Subject Area: Palaeontology
• Term: from 2015 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 262685065

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

PALEX war im Rahmen des Trilateral-Programms konzipiert, wurde aber für die zweite Projektphase in das SPP1006 ICDP überführt, da die Auswertung der Totes Meer ICDP-Bohrung vom Dead Sea Deep Drilling Program (DSDDP) im Fokus stand. Die Kerne dieser Bohrung sind ein einzigartiges Klimaarchiv in diesem klimatisch instabilen Raum. Während Temperaturschwankungen von untergeordneter Bedeutung sind, prägen vor allem starke hydroklimatische Veränderungen auf unterschiedlichen Zeitskalen diese Region. Die Ursachen und Auswirkungen dieser Veränderungen zu entschlüsseln, war das Ziel von PALEX. Dazu wurden Sedimentanalysen mit Laborversuchen, meteorologischen Analysen und Modellierungen verknüpft. Auf kurzen Zeitskalen standen extreme Abflussereignisse (flash floods) im Mittelpunkt der Forschungen. Ein grundlegendes Ergebnis war die Unterscheidung von drei synoptischen Situationen und Feuchtigkeitsquellen, die extreme Abflussereignisse auslösen können: (1) Mediterrane Tiefdruckgebiete, (2) Tiefdruckgebiete vom Roten Meer mit nördlichen Zugbahnen und (3) Störungen des subtropischen Jetstreams (tropical plumes). Radargestützte Analysen von Starkniederschlagsereignissen und ihre Darstellung in Konvektionsmodellen haben gezeigt, dass Hochwasservorhersagen mit geringeren räumlichen Unsicherheiten als bisher möglich sind. Ein weiteres Ergebnis ist, dass bei zukünftig geringeren Niederschlägen Starkniederschläge über einer kleineren Fläche auftreten, dafür aber intensiver sein werden. Hochauflösende mikroskopische Unteruchungen der Sedimente haben ergeben, dass saisonale Starkregenereignisse Sedimente in Suspension bis in die tiefsten Bereiche des Toten Meeres (ICDP Bohrung) transportieren können. Die Auswertung von zwei mehrhundertjährigen Zeitreihen hat gezeigt, dass während des letzten Glazials in Zeiten eines generellen Seespiegelanstiegs (feuchteres Klima) insgesamt mehr Starkregenereignisse und mehr Jahre mit multiplen Ereignissen auftraten als während sinkenden Seespiegels (trockeneres Klima). Im Gegensatz dazu wurde während einer spätholozänenen Trockenphase ein häufigeres Auftreten von Starkregenereignissen festgestellt. Ein überraschendes Ergebnis war, dass es selbst in Zeiten starken Absinkens des Seespiegels am Ende des letzten Glazials ruhige Phasen von mehreren Dekaden ohne Extremereignisse gab. Dies könnte dazu beigetragen haben, dass Menschen in dieser Zeit in der Region zu einer sesshaften Lebensweise übergingen. Die mineralogische Zusammensetzung der Sedimente des Toten Meeres ist ein Spiegelbild langfristiger hydrologischer Veränderungen. Während bei feuchten Klimabedingungen und hohem Wasserstand Aragonitlaminite gebildet werden, dominieren bei ariden Klimabedingungen Ausfällungen von Gips und Salz. In PALEX wurden neue Erkenntnisse der Mineralbildungsprozesse gewonnen. Aragonitlagen bilden sich saisonal, aber die Lagendicke kann nicht wie postuliert als hydrologischer Proxi genutzt werden. Die rezente Bildung von Gips im Uferbereich ist eine Folge des Rückstroms von Grundwasser aus den Rand-Aquiferen aufgrund des sinkendem Seespiegels. Die rezente Bildung von Halit folgt ebenfalls einem saisonalen Muster, aber differenziert in unterschiedlichen Wassertiefen. Anders als bisher vermutet, findet die stärkste Akkumulation von Halit im Winter statt. Erstmals beschrieben wurde der Mechanismus der Halit-Fokussierung, der mächtige Salzlagen im DSDDP ICDP Kern erklärt und bisherige klimatische Interpretationen in Frage stellt. PALEX hat wichtige neue Erkennnisse über die hydrologische Variabilität gewonnen und Sedimentatonsprozesse entschlüsselt, die zukünftige klimatische Interpretationen aussagekräftiger machen und, in Bezug auf Halitbildungen, grundsätzlich verändern.

Publications

• Intensity–duration–frequency curves from remote sensing rainfall estimates: comparing satellite and weather radar over the eastern Mediterranean. Hydrology and Earth System Sciences, 21(5), 2389-2404.
  Marra, Francesco; Morin, Efrat; Peleg, Nadav; Mei, Yiwen & Anagnostou, Emmanouil N.
  
• Temperature seasonality control on modern halite layers in the Dead Sea: In situ observations. Geological Society of America Bulletin (c(2017, 5, 11)), B31661.1.
  Sirota, Ido; Enzel, Yehouda & Lensky, Nadav G.
  
• Changing flood frequencies under opposing late Pleistocene eastern Mediterranean climates. Scientific Reports, 8(1).
  Ben Dor, Yoav; Armon, Moshe; Ahlborn, Marieke; Morin, Efrat; Erel, Yigal; Brauer, Achim; Schwab, Markus Julius; Tjallingii, Rik & Enzel, Yehouda
  
• Halite focusing and amplification of salt layer thickness: From the Dead Sea to deep hypersaline basins. Geology, 46(10), 851-854.
  Sirota, Ido; Enzel, Yehouda & Lensky, Nadav G.
  
• A simplified MEV formulation to model extremes emerging from multiple nonstationary underlying processes. Advances in Water Resources, 127(c(2019, 5)), 280-290.
  Marra, Francesco; Zoccatelli, Davide; Armon, Moshe & Morin, Efrat
  
• Varves of the Dead Sea sedimentary record. Quaternary Science Reviews, 215(c(2019, 7)), 173-184.
  Ben Dor, Yoav; Neugebauer, Ina; Enzel, Yehouda; Schwab, Markus J.; Tjallingii, Rik; Erel, Yigal & Brauer, Achim
  
• Hydroclimatic Controls on Salt Fluxes and Halite Deposition in the Dead Sea and the Shaping of “Salt Giants”. Geophysical Research Letters, 47(22).
  Sirota, Ido; Ouillon, Raphael; Mor, Ziv; Meiburg, Eckart; Enzel, Yehouda; Arnon, Ali & Lensky, Nadav G.
  
• Radar-based characterisation of heavy precipitation in the eastern Mediterranean and its representation in a convection-permitting model. Hydrology and Earth System Sciences, 24(3), 1227-1249.
  Armon, Moshe; Marra, Francesco; Enzel, Yehouda; Rostkier-Edelstein, Dorita & Morin, Efrat
  
• Hydroclimatic variability of opposing Late Pleistocene climates in the Levant revealed by deep Dead Sea sediments. Climate of the Past, 17(6), 2653-2677.
  Ben Dor, Yoav; Marra, Francesco; Armon, Moshe; Enzel, Yehouda; Brauer, Achim; Schwab, Markus Julius & Morin, Efrat
  
• Reduced Rainfall in Future Heavy Precipitation Events Related to Contracted Rain Area Despite Increased Rain Rate. Earth's Future, 10(1).
  Armon, Moshe; Marra, Francesco; Enzel, Yehouda; Rostkier‐Edelstein, Dorita; Garfinkel, Chaim I.; Adam, Ori; Dayan, Uri & Morin, Efrat
  
• Hydrological and thermodynamic controls on late Holocene gypsum formation by mixing saline groundwater and Dead Sea brine. Geochimica et Cosmochimica Acta, 316(c(2022, 1)), 363-383.
  Weber, Nurit; Antler, Gilad; Lazar, Boaz; Stein, Mordechai; Yechieli, Yoseph & Gavrieli, Ittai
  
• Phases of stability during major hydroclimate change ending the Last Glacial in the Levant. Scientific Reports, 12(1).
  Müller, Daniela; Neugebauer, Ina; Ben Dor, Yoav; Enzel, Yehouda; Schwab, Markus J.; Tjallingii, Rik & Brauer, Achim