Most paleoflood reconstructions come from the arid dry climate of southwestern USA with very few studies being conducted in temperate climates. The study’s main objective is to determine if oxbow lakes can be used to reconstruct past flood events in temperate regions, such as the Désert River in southwestern Québec, Canada. Sediment cores were extracted and analyzed for magnetic susceptibility, loss-on-ignition and grain-size. These analyses are used to decipher evidence of flood signatures within the cores. Results show a strong relationship between past flood events and known climate variability on multi-decadal to centennial timescales. A higher frequency of floods was observed during the Little Ice Age (LIA; 1450-1850 AD) and the Dark Ages Cold Period (DACP; 300-800 AD) as compared to the Medieval Warm Period (MWP; 900-1200 AD). This study supports previous work on paleoflood hydrology using oxbow lakes as a proxy and its relationship to past hydroclimatic changes. These types of studies contribute to a better understanding of past hydroclimatic changes on regional scales that can be used to better predict future floods under a changing climate.

Most paleoflood reconstructions come from the arid dry climate of southwestern USA with very few studies being conducted in temperate climates. The study’s main objective is to determine if oxbow lakes can be used to reconstruct past flood events in temperate regions, such as the Désert River in southwestern Québec, Canada. Sediment cores were extracted and analyzed for magnetic susceptibility, loss-on-ignition and grain-size. These analyses are used to decipher evidence of flood signatures within the cores. Results show a strong relationship between past flood events and known climate variability on multi-decadal to centennial timescales. A higher frequency of floods was observed during the Little Ice Age (LIA; 1450-1850 AD) and the Dark Ages Cold Period (DACP; 300-800 AD) as compared to the Medieval Warm Period (MWP; 900-1200 AD). This study supports previous work on paleoflood hydrology using oxbow lakes as a proxy and its relationship to past hydroclimatic changes. These types of studies contribute to a better understanding of past hydroclimatic changes on regional scales that can be used to better predict future floods under a changing climate.

Climate is the principal driving force of hydrological extremes like floods and attributing generating mechanisms is an essential prerequisite for understanding past, present, and future flood variability. Successively enhanced radiative forcing under global warming enhances atmospheric water-holding capacity and is expected to increase the likelihood of strong floods. In addition, natural climate variability affects the frequency and magnitude of these events on annual to millennial time-scales. Particularly in the mid-latitudes of the Northern Hemisphere, correlations between meteorological variables and hydrological indices suggest significant effects of changing climate boundary conditions on floods. To date, however, understanding of flood responses to changing climate boundary conditions is limited due to the scarcity of hydrological data in space and time. Exploring paleoclimate archives like annually laminated (varved) lake sediments allows to fill this gap in knowledge offering precise dated time-series of flood variability for millennia. During river floods, detrital catchment material is eroded and transported in suspension by fluid turbulence into downstream lakes. In the water body the transport capacity of the inflowing turbidity current successively diminishes leading to the deposition of detrital layers on the lake floor. Intercalated into annual laminations these detrital layers can be dated down to seasonal resolution. Microfacies analyses and X-ray fluorescence scanning (µ-XRF) at 200 µm resolution were conducted on the varved Mid- to Late Holocene interval of two sediment profiles from pre-alpine Lake Ammersee (southern Germany) located in a proximal (AS10prox) and distal (AS10dist) position towards the main tributary River Ammer. To shed light on sediment distribution within the lake, particular emphasis was (1) the detection of intercalated detrital layers and their micro-sedimentological features, and (2) intra-basin correlation of these deposits. Detrital layers were dated down to the season by microscopic varve counting and determination of the microstratigraphic position within a varve. The resulting chronology is verified by accelerator mass spectrometry (AMS) 14C dating of 14 terrestrial plant macrofossils. Since ~5500 varve years before present (vyr BP), in total 1573 detrital layers were detected in either one or both of the investigated sediment profiles. Based on their microfacies, geochemistry, and proximal-distal deposition pattern, detrital layers were interpreted as River Ammer flood deposits. Calibration of the flood layer record using instrumental daily River Ammer runoff data from AD 1926 to 1999 proves the flood layer succession to represent a significant time-series of major River Ammer floods in spring and summer, the flood season in the Ammersee region. Flood layer frequency trends are in agreement with decadal variations of the East Atlantic-Western Russia (EA-WR) atmospheric pattern back to 200 yr BP (end of the used atmospheric data) and solar activity back to 5500 vyr BP. Enhanced flood frequency corresponds to the negative EA-WR phase and reduced solar activity. These common links point to a central role of varying large-scale atmospheric circulation over Europe for flood frequency in the Ammersee region and suggest that these atmospheric variations, in turn, are likely modified by solar variability during the past 5500 years. Furthermore, the flood layer record indicates three shifts in mean layer thickness and frequency of different manifestation in both sediment profiles at ~5500, ~2800, and ~500 vyr BP. Combining information from both sediment profiles enabled to interpret these shifts in terms of stepwise increases in mean flood intensity. Likely triggers of these shifts are gradual reduction of Northern Hemisphere orbital summer forcing and long-term solar activity minima. Hypothesized atmospheric response to this forcing is hemispheric cooling that enhances equator-to-pole temperature gradients and potential energy in the troposphere. This energy is transferred into stronger westerly cyclones, more extreme precipitation, and intensified floods at Lake Ammersee. Interpretation of flood layer frequency and thickness data in combination with reanalysis models and time-series analysis allowed to reconstruct the flood history and to decipher flood triggering climate mechanisms in the Ammersee region throughout the past 5500 years. Flood frequency and intensity are not stationary, but influenced by multi-causal climate forcing of large-scale atmospheric modes on time-scales from years to millennia. These results challenge future projections that propose an increase in floods when Earth warms based only on the assumption of an enhanced hydrological cycle. / Globale Klimamodelle prognostizieren eine Zunahme von Starkhochwassern infolge der Klimaerwärmung. Weiterhin werden natürliche Klimafaktoren die Intensität und Häufigkeit solcher Ereignisse auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrtausenden beeinflussen. Für ein umfassendes Verständnis hochwassergenerierender Klimamechanismen müssen daher lange Zeiträume und regionale Muster in Betracht gezogen werden. Aufgrund der Limitierung der meisten instrumentellen Abflusszeitreihen auf die letzten 100 Jahre, bieten diese nur einen sehr begrenzten Einblick in das Spektrum möglicher Klima-Hochwasser Zusammenhänge. Die Nutzung natürlicher Hochwasserarchive, wie warvierter Seesedimente, erlaubt die Untersuchung von Hochwasseraktivität auf Zeitskalen von Jahrtausenden. Durch Hochwasser in einen See eingetragenes detritisches Material bildet, eingeschaltet in den jährlichen Sedimentationszyklus, eine charakteristische Abfolge von Hochwasserlagen auf dem Seeboden. Das Zählen jährlicher Laminierungen und die Position innerhalb eines jährlichen Sedimentationszyklus ermöglichen die Datierung von Hochwasserlagen mit saisonaler Genauigkeit. Der Ammersee bildet ein ideales Archiv zur Rekonstruktion von Hochwassern. Detritisches Material wird durch nur einen Hauptzufluss, die Ammer, in das rinnenförmige Becken transportiert. Die warvierten Sedimente erlauben eine zuverlässige Detektion und Datierung selbst mikroskopischer Hochwasserlagen. An zwei warvierten Sedimentprofilen des Ammersees sind hochauflösende Mikrofazies und Röntgenfluoreszenz (µ-XRF) Analysen durchgeführt worden. Zum besseren Verständnis der Sedimentverteilung im See lag der Fokus der Untersuchungen auf der Detektion detritischer Lagen anhand ihrer sedimentologischen und geochemischen Eigenschaften und der Korrelation dieser Lagen zwischen beiden Sedimentprofilen. Die Datierung der detritschen Lagen erfolgte durch Warvenzählung und wurde durch AMS Radiokarbondatierungen bestätigt. In den Sedimenten der letzten 5500 Jahre wurden 1573 detritische Lagen gefunden. Aufgrund ihrer Eigenschaften lassen sich diese Lagen als Ammerhochwasserlagen interpretieren: (1) Die Mikrofazies deutet auf eine Ablagerung nach Starkabflussereignissen hin. (2) Die geochemische Zusammensetzung beweist die terrestrische Herkunft des Materials. (3) Das proximal-distale Ablagerungsmuster deutet auf die Ammer als Eintragsquelle des Materials hin. Eine Kalibrierung mit instrumentellen Hochwasserdaten der Ammer im Zeitraum von AD 1926 bis 1999 bestätigt die Sukzession der detritischen Lagen als eine Zeitreihe starker Ammerhochwasser im Frühling und Sommer, der Hochwassersaison am Ammersee. Die Häufigkeit der Hochwasserlagen in den letzten 5500 Jahren weist eine deutliche dekadische Variabilität auf. Trends in der Häufigkeit von Hochwasserlagen korrelieren negativ mit dem Index der East Atlantic-Western Russia Oszillation (EA-WR) während der letzten 250 Jahre (Zeitraum der durch die genutzten atmosphärischen Daten abgedeckt ist) und der solaren Aktivität während des kompletten Zeitraums. Diese Übereinstimmungen deuten möglicherweise auf einen solaren Einfluss auf die atmosphärische Zirkulation über Europa und damit auf die Häufigkeit von Hochwassern am Ammersee hin. Weiterhin weist die Zeitreihe der Hochwasserlagen drei Veränderungen der durchschnittlichen Lagenhäufigkeit und -mächtigkeit vor etwa 5500, 2800 und 500 Jahren auf. Die Kombination der Daten beider Sedimentprofile ermöglicht es, diese Veränderungen als schrittweise Anstiege der Hochwasserintensität zu interpretieren. Vermutliche Auslöser sind graduelle Reduktion der solaren Insolation in der Nordhemisphäre und langfristige Minima der solaren Aktivität. Die wahrscheinliche atmosphärische Reaktion auf dieses Klimaforcing ist ein verstärkter Temperaturgradient zwischen den niederen und hohen Breiten, der zu einer Erhöhung der potenziellen Energie in der Atmosphäre und verstärkter Baroklinität führt. Diese Energie wird transferiert in eine Verstärkung der zyklonalen Westwindzirkulation, extremere Niederschläge und eine Intensivierung der Hochwasser am Ammersee. Die Interpretation der Häufigkeit und Mächtigkeit von Hochwasserlagen in den Sedimenten des Ammersees ermöglicht eine Rekonstruktion der Hochwassergeschichte und die Identifizierung hochwasserauslösender Klimafaktoren in der Ammerseeregion während der letzten 5500 Jahre. Hochwasserhäufigkeit und -intensität sind nicht stationär, sondern durch komplexe Veränderungen im Klimasystem auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrtausenden geprägt. In diesem Zusammenhang erscheinen die Resultate globaler Klimamodelle, die einen Anstieg des Hochwasserrisikos allein auf Basis eines thermodynamisch intensivierten hydrologischen Kreislaufs infolge der Klimaerwärmung prognostizieren, als stark simplifiziert.

The potential increase in frequency and magnitude of extreme floods is currently discussed in terms of global warming and the intensification of the hydrological cycle. The profound knowledge of past natural variability of floods is of utmost importance in order to assess flood risk for the future. Since instrumental flood series cover only the last ~150 years, other approaches to reconstruct historical and pre-historical flood events are needed. Annually laminated (varved) lake sediments are meaningful natural geoarchives because they provide continuous records of environmental changes > 10000 years down to a seasonal resolution. Since lake basins additionally act as natural sediment traps, the riverine sediment supply, which is preserved as detrital event layers in the lake sediments, can be used as a proxy for extreme discharge events. Within my thesis I examined a ~ 8.50 m long sedimentary record from the pre-Alpine Lake Mondsee (Northeast European Alps), which covered the last 7000 years. This sediment record consists of calcite varves and intercalated detrital layers, which range in thickness from 0.05 to 32 mm. Detrital layer deposition was analysed by a combined method of microfacies analysis via thin sections, Scanning Electron Microscopy (SEM), μX-ray fluorescence (μXRF) scanning and magnetic susceptibility. This approach allows characterizing individual detrital event layers and assigning a corresponding input mechanism and catchment. Based on varve counting and controlled by 14C age dates, the main goals of this thesis are (i) to identify seasonal runoff processes, which lead to significant sediment supply from the catchment into the lake basin and (ii) to investigate flood frequency under changing climate boundary conditions. This thesis follows a line of different time slices, presenting an integrative approach linking instrumental and historical flood data from Lake Mondsee in order to evaluate the flood record inferred from Lake Mondsee sediments. The investigation of eleven short cores covering the last 100 years reveals the abundance of 12 detrital layers. Therein, two types of detrital layers are distinguished by grain size, geochemical composition and distribution pattern within the lake basin. Detrital layers, which are enriched in siliciclastic and dolomitic material, reveal sediment supply from the Flysch sediments and Northern Calcareous Alps into the lake basin. These layers are thicker in the northern lake basin (0.1-3.9 mm) and thinner in the southern lake basin (0.05-1.6 mm). Detrital layers, which are enriched in dolomitic components forming graded detrital layers (turbidites), indicate the provenance from the Northern Calcareous Alps. These layers are generally thicker (0.65-32 mm) and are solely recorded within the southern lake basin. In comparison with instrumental data, thicker graded layers result from local debris flow events in summer, whereas thin layers are deposited during regional flood events in spring/summer. Extreme summer floods as reported from flood layer deposition are principally caused by cyclonic activity from the Mediterranean Sea, e.g. July 1954, July 1997 and August 2002. During the last two millennia, Lake Mondsee sediments reveal two significant flood intervals with decadal-scale flood episodes, during the Dark Ages Cold Period (DACP) and the transition from the Medieval Climate Anomaly (MCA) into the Little Ice Age (LIA) suggesting a linkage of transition to climate cooling and summer flood recurrences in the Northeastern Alps. In contrast, intermediate or decreased flood episodes appeared during the MWP and the LIA. This indicates a non-straightforward relationship between temperature and flood recurrence, suggesting higher cyclonic activity during climate transition in the Northeast Alps. The 7000-year flood chronology reveals 47 debris flows and 269 floods, with increased flood activity shifting around 3500 and 1500 varve yr BP (varve yr BP = varve years before present, before present = AD 1950). This significant increase in flood activity shows a coincidence with millennial-scale climate cooling that is reported from main Alpine glacier advances and lower tree lines in the European Alps since about 3300 cal. yr BP (calibrated years before present). Despite relatively low flood occurrence prior to 1500 varve yr BP, floods at Lake Mondsee could have also influenced human life in early Neolithic lake dwellings (5750-4750 cal. yr BP). While the first lake dwellings were constructed on wetlands, the later lake dwellings were built on piles in the water suggesting an early flood risk adaptation of humans and/or a general change of the Late Neolithic Culture of lake-dwellers because of socio-economic reasons. However, a direct relationship between the final abandonment of the lake dwellings and higher flood frequencies is not evidenced. / Ein verstärktes Auftreten von Hochwassern, sowohl in ihrer Häufigkeit als auch in ihrer Frequenz, wird im Zuge der Klimaerwärmung und einer möglichen Intensivierung des hydrologischen Kreislaufs diskutiert. Die Kenntnis über die natürliche Variabilität von Hochwasserereignissen ist dabei eine grundlegende Voraussetzung, um die Hochwassergefahr für die Zukunft abschätzen zu können. Da instrumentelle Hochwasserzeitreihen meist nur die letzten 150 Jahre abbilden sind andere Methoden erforderlich, um das Auftreten von historischen und prä-historischen Hochwassern festzustellen. Jährlich laminierte (warvierte) Seesedimente sind bedeutende natürliche Archive, denn sie liefern kontinuierliche Zeitreihen > 10000 Jahre mit einer bis zur saisonalen Auflösung. Seebecken stellen natürliche Sedimentfallen dar, wobei eingetragenes Flusssediment in den Seesedimenten als eine distinkte detritische Lage aufgezeichnet wird, und daher zur Rekonstruktion von extremen Abflussereignissen genutzt werden. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich einen 8.50 m langen Sedimentkern aus dem Mondsee (Nordostalpen) untersucht, welcher die letzten 7000 Jahre abdeckt. Dieser Sedimentkern besteht aus Kalzitwarven und eingeschalteten detritischen Lagen mit einer Mächtigkeit von 0.05-32 mm. Detritische Lagen wurden mit Hilfe einer kombinierten Methode untersucht: Mikrofaziesanalyse, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenfluoreszenzanalyse (µXRF) und magnetische Suszeptibilität. Dieser Ansatz ermöglicht die Charakterisierung der einzelnen detritischen Lagen bezüglich der Eintragsprozesse und die Lokalisierung des Einzugsgebietes. Auf Grundlage der Warvenzählung und 14C Datierungen sind die wichtigsten Ziele dieser Arbeit: (i) die Identifizierung der Eintragsprozesse, welche zu einem Sedimenteintrag vom Einzugsgebiet bis in den See führen und (ii) die Rekonstruktion der Hochwasserfrequenz unter veränderten Klimabedingungen. Diese Arbeit zeigt eine Untersuchung auf verschiedenen Zeitscheiben, wobei instrumentelle und historische Daten genutzt werden, um die Aufzeichnung von pre-historischen Hochwasser in den Mondseesedimenten besser zu verstehen. Innerhalb der letzten 100 Jahre wurden zwölf Abflussereignisse aufgezeichnet. Zwei Typen von detritschen Lagen können anhand von Korngröße, geochemischer Zusammensetzung und des Verteilungsmusters unterschieden werden. Detritische Lagen, welche aus siliziklastischen und dolomitischen Material bestehen, zeigen eine Sedimentherkunft vom Teileinzugsgebiet des Flysch (nördliches Einzugsgebiet) und der Nördlichen Kalkalpen (südliches Teileinzugsgebiet) auf. Diese Lagen sind im Nördlichen Becken mächtiger (0.1-3.9 mm) als im südlichen Seebecken (0.05-1.6 mm). Detritische Lagen, welche nur aus dolomitischem Material bestehen und Turbititlagen aufzeigen (0.65-32 mm), weisen auf eine Herkunft aus den Nördlichen Kalkalpen hin. Im Vergleich mit instrumentellen Zeitreihen, stammen die mächtigeren Lagen von lokalen Murereignissen im Sommer und feinere Eintragslagen von regionalen Frühjahrs- und Sommerhochwassern. Extreme Sommerhochwasser am Mondsee werden hauptsächlich durch Zyklonen vom Mittelmeer ausgelöst, z.B. Juli 1954, Juli 1997 und August 2002. Die Untersuchung des langen Sedimentkerns vom Mondsee zeigt während der letzten 2000 Jahre signifikante Hochwasserintervalle mit dekadischen Hochwasserepisoden während der Völkerwanderungszeit und im Übergang vom Mittelalter in die Kleine Eiszeit. Dies weist auf eine Verknüpfung von Abkühlungsphasen und Sommerhochwassern im Nordostalpenraum hin. Während der Mittelalterlichen Wärmephase und in der Kleinen Eiszeit kam es jedoch zu einer geringeren Hochwasseraktivität. Dies zeigt einen komplexen Zusammenhang von Temperaturentwicklung und Hochwasseraktivität in den Nordostalpen, mit einer erhöhten Zyklonenaktivät in den Übergängen von wärmeren zu kälteren Phasen. Während der letzten 7000 Jahre wurden 47 Muren und 269 Hochwasser aufgezeichnet, wobei es eine signifikante Änderung mit erhöhter Häufigkeit um 3500 und 1500 Warvenjahre v. h. gab (v.h. = vor heute = AD 1950). Diese signifikante Änderung stimmt mit einem langfristigem Abkühlungstrend überein, welcher durch alpine Gletschervorstöße und das Absinken von Baumgrenzen seit etwa 3300 Warvenjahre v.h. berichtet wird. Trotz relativ geringer Hochwasseraktivität um 1500 Warvenjahre v.h., könnte das Auftreten von Hochwasser auch das Leben Menschen in Neolithischen Pfahlbausiedlungen (5750-4750 cal. yr BP) beeinflusst haben. Während die ersten Pfahlbauten noch als Feuchtbodensiedlungen am Land entstanden, wurden spätere Siedlungen eventuell als Anpassung an stark schwankenden Seewasserspiegeln auf Pfählen im Wasser gebaut und/oder zeigen eine allgemeine Veränderung der Siedlungsaktivitäten der Neolithischen Pfahlbaukultur an, aufgrund sozio-ökonomischer Veränderungen. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Verlassen der Pfahlbausiedlungen und einer erhöhten Hochwasseraktivität konnte jedoch nicht festgestellt werden.

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Cette thèse vise à restituer l'histoire de la mousson africaine au cours du Quaternaire, et à en déterminer ses influences sur les variations des apports sédimentaires du Nil et des déserts d’Afrique du nord. Deux sites de la Méditerranée orientale ont alors été étudiés (la carotte MD90-964 dans la partie orientale du bassin Levantin et le Site ODP 964 dans la Mer ionienne). Sur la base des analyses de la minéralogie des argiles, de la granulomètrie, de la teneur en carbonate et Corg couplées à des analyses semi-quantitatives d’éléments majeurs et traces à très haute résolution temporelle par XRF Core Scanner, nous avons restitué l’histoire des apports sédimentaires du Nil, des changements de précipitation en l’Afrique du Nord, et des variations des paleo-crues du Nil au cours des 1,75 derniers millions d'années. Le premier enregistrement de Delta(18)O du foraminifère planctonique G. ruber (carotte MD90-964) de l’ensemble du Quaternaire a été obtenu à très haute résolution temporelle pour la Méditerranée orientale. Le site ODP 964 a permis de restituer la dynamique des apports de poussière saharienne à la mer ionienne durant les 1,5 derniers millions d'années. Les résultats indiquent que les changements dans les apports de sédiments transportés par le Nil et par les vents depuis les domaines sahariens sont fortement influencés par les variations de la mousson africaine. Les alternances glaciaires/interglaciaires et les variations climatiques de la transition climatique mi-Pléistocène (MPT), dans une moindre mesure, influencent également / This thesis is devoted to reconstruct the Quaternary history of African monsoon and its influences on suspended loads of the Nile River and dust production in Sahara. The materials used in this study come from two sites (MD90-964 in the eastern Levantine Basin and ODP Site 964 in the Ionian Sea) in the eastern Mediterranean Sea. Based on clay mineralogy, grain sizes, carbonate and Corg contents, and XRF core scanning analyses of Core MD90-964, we have reconstructed history of the Nile suspended discharges, precipitation in North Africa, and Nile paleoflood events during the last 1.75 Ma. On the basis of the planktonic foraminiferal Delta(18)O record of Core MD90-964, we have established for the first time in the eastern Mediterranean Sea a high-resolution planktonic foraminiferal (G. ruber) Delta(18)O record that penetrates the Quaternary period. The ODP Site 964 allows us to establish the variations of Saharan dust inputs to the eastern Mediterranean Sea during the last 1.5 Ma. Our results indicate that both fluvial sediments from the Nile and Saharan eolian dust inputs to the eastern Mediterranean Sea are greatly influenced by the variability of African monsoon. The glacial/interglacial cycles and other orbital-scale climatic events, such as the “Mid-Pleistocene Transition”, can also affect climate changes in North Africa to a minor extent.