Die Analyse von Proxy-Zeitreihen aus Paläoklimaarchiven wie zum Beispiel Baumringen, Seesedimenten, Tropfsteinen und Eisbohrkernen mittels gefensterter Rekurrenznetzwerkanalyse ermöglicht die Identifizierung und Charakterisierung dynamischer Anomalien in der Klimavariabilität der Vergangenheit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer zuverlässigeren Routine zur gefensterten Rekurrenznetzwerkanalyse. Aufbauend auf dem bestehenden methodischen Rahmen werden die Bereiche der Phasenraumrekonstruktion und des Signifikanztests als verbesserungsfähig identifiziert. Deshalb werden verschiedene Methoden zur Rekonstruktion des Phasenraums aus unregelmäßig abgetasteten, verrauschten Daten verglichen. Außerdem wird ein allgemeiner flächenweiser Signifikanztest eingeführt, der, basierend auf einem ausgewählten Nullmodell, Korrelationen in den Analyseergebnissen numerisch abschätzt, um damit das Problem hoher Raten an falsch positiv signifikanten Ergebnissen zu adressieren. Im zweiten Teil der Arbeit wird die entwickelte Methodik genutzt, um die nichtlineare Variabilität des Klimas der Vergangenheit in Nord- und Südamerika zu untersuchen, indem vier reale Zeitreihen verschiedener Proxys studiert werden. Außerdem werden Proxy-System-Modelle genutzt, um auf die Frage der Eignung von Daten verschiedener Paläoklimaarchive zur Charakterisierung der Klimavariabilität mittels gefensterter Rekurrenznetzwerkanalyse einzugehen. Mit der Arbeit wird der Einsatz nichtlinearer Methoden zur Analyse von Paläoklima-Zeitreihen vorangebracht, das Potential und die Grenzen der gefensterten Rekurrenznetzwerkanalyse aufgezeigt und zukünftige relevante Fragestellungen, die die erhaltenen Ergebnisse und Schlussfolgerungen komplementieren können, identifiziert. / Studying palaeoclimate proxy data from archives such as tree rings, lake sediments, speleothems, and ice cores using windowed recurrence network analysis offers the possibility to characterise dynamical anomalies in past climate variability. This thesis aims at developing a more reliable framework of windowed recurrence network analysis by comparing different phase space reconstruction approaches for non-uniformly sampled noisy data and by tackling the problem of increased numbers of false positive significant points when correlations within the analysis results can not be neglected. For this, different phase space reconstruction approaches are systematically compared and a generalised areawise significance test which implements a numerical estimation of the correlations within the analysis results is introduced. In particular, the test can be used to identify patches of possibly false positive significant points. The developed analysis framework is applied to detect and characterise dynamical anomalies in past climate variability in North and South America by studying four real-world palaeoclimatic time series from different archives. Furthermore, the question whether palaeoclimate proxy time series from different archives are equally well suited for tracking past climate dynamics with windowed recurrence network analysis is approached by using the framework of proxy system modelling. This thesis promotes the use of non-linear methods for analysing palaeoclimate proxy time series, provides a detailed assessment of potentials and limitations of windowed recurrence network analysis and identifies future research directions that can complement the obtained results and conclusions.

Globaler Temperaturanstieg, Ozeanversauerung und Sauerstoffmangel (temperaturbedingte Stressoren), spielen eine wichtige Rolle während Klimawandel. Die kombinierten Auswirkungen wirken sich negativ auf marine Lebensgemeinschaften und Ökosystemen aus und verschärfen die Effekte anderer Stressoren. Es gibt für den aktuellen und vergangenen Erwärmungsphasen Belege für veränderte Artenverteilung, Lebensraumverlust, Artensterben und verminderte physiologische Leistungen von Organismen. Die spezifischen Mechanismen werden diskutiert. Umweltveränderungen in der Erdvergangenheit bieten die Gelegenheit, die Dynamik von Ökosystemkrisen vor, zu untersuchen. Diese Arbeit integriert verschiedenen Disziplinen um unser Verständnis der Rolle temperaturbedingter Stressoren für marine benthische Ökosysteme zu verbessern. Das Toarcian Event (Unterjura) wurde aufgrund seiner geologischen, geochemischen und paläontologischen Überlieferung ausgewählt. Hochaufgelöste quantitative taxonomische, paläoökologische und geochemische Daten von benthischen Makroinvertebraten wurden analysiert. Ziel ist es, die Mechanismen ökologischer Veränderungen unter Temperaturstress zu bewerten, mit Schwerpunkt auf Körpergrößenmuster sowie Veränderungen in der Zusammensetzung und Struktur von Lebensgemeinschaften, und die Rolle von Umweltstressoren als Ursachen der biotischen Krise abzuschätzen. Der Temperaturanstieg führte zu dem Verlust an biologischer Vielfalt und zu der Verringerung der Körpergröße der Organismen vor und während der biotischen Krise. Die Struktur der Gemeinschaften wurde in Bezug auf die taxonomische und ökologische Zusammensetzung neu organisiert. Die Reaktion auf Umweltstress war innerhalb und zwischen den taxonomischen Gruppen unterschiedlich, wobei Brachiopoden stark betroffen waren. Diese Ergebnisse verbessern unser Verständnis der biotischen Reaktionen auf temperaturbedingte Stressoren und können zur Vorhersage Veränderungen Ökosysteme bei den aktuellen Erwärmungstrends beitragen. / Global warming, oceanic acidification and deoxygenation (temperature-related stressors) play an important role during climate change. The combined impact of these stressors is known to negatively affect marine biota and ecosystems, often exacerbating the impact of other stressors. Under the current and past climate change, there is record of altered species distribution, habitat loss, extinctions and decreased physiological performance of organisms. Despite the increasing evidence, the specific mechanisms through which climate change influences ecological patterns are debated. Past environmental perturbations represent an opportunity to investigate the dynamics of ecosystem and biotic crises across Earth history. This work integrates different disciplines to increase our understanding on the role played by temperature-related stressors on marine benthic biota and ecosystems. The Toarcian Event (Early Jurassic) was chosen for its well-preserved geological, geochemical and palaeontological record. High-resolution quantitative faunal and geochemical data from benthic marine macroinvertebrates were investigated. The aims are to identify and evaluate the mechanisms of faunal and ecological shifts under a temperature-related stressor scenario, with focus on body size patterns and ecosystem change and recovery, and to estimate the role of environmental stressors as proximate causes of the biotic crisis. Temperature increase led to biodiversity loss and reduced body size of organisms during and possibly before the event. Moreover, the structure of marine communities was reorganized in terms of taxonomic and ecological composition. The response to environmental stress was variable within and between taxonomical groups, with brachiopods severely affected. These findings increase our understanding of biotic responses and ecosystem and biodiversity shifts under temperature stress, hopefully contributing to the prediction of ecosystem changes under the current warming scenario.