Abstract El Niño–Southern Oscillation (ENSO) is a naturally occurring mode of tropical Pacific variability, with global impacts on society and natural ecosystems. While it has long been known that El Niño events display a diverse range of amplitudes, triggers, spatial patterns, and life cycles, the realization that ENSO’s impacts can be highly sensitive to this event-to-event diversity is driving a renewed interest in the subject. This paper surveys our current state of knowledge of ENSO diversity, identifies key gaps in understanding, and outlines some promising future research directions.

Paleoclimate records from the tropical Pacific suggest the early to mid-Holocene was a period of reduced El Niño/Southern Oscillation (ENSO) variability, with a transition to modern, increased ENSO frequency occurring some time in the last few thousand years. However, the nature and timing of this shift remains uncertain due to the discontinuous nature and/or coarse resolution of many ENSO proxies, as well as a lack of agreement between previously published records. A new, continuous, climate record from El Junco Crater Lake in the Galápagos Islands reveals several abrupt changes in lake level and precipitation through the Holocene. Hydroclimatic model simulations suggest that El Junco lake level responds sensitively to increases in precipitation associated with El Niño events, rising during wet El Niño events and falling during the intervening dry periods. Grain size data from El Junco sediment cores indicate past lake level variability, likely associated with changing seasonal precipitation and ENSO frequency. The grain size data suggest increased precipitation intensity prior to 9000±120 cal years BP, and after 4200±130 cal years BP, as well as a two-step increase in precipitation at 3200±160 and 2000±100 cal years BP. Maximum Holocene precipitation and inferred ENSO variability occurred between 2000±100 and 1500±70 cal years BP, during the same period that six other independent proxy records suggest higher ENSO frequency and longer, stronger El Niño events. Decreasing sediment carbon/nitrogen (C/N) ratios in El Junco sediments indicate rising lake levels from the early Holocene to present, corroborating the grain size data. The inferred increase in precipitation at 4200±130 cal years BP and at 2000±100 cal years BP coincides with decreasing Southwest Asian and East Asian Monsoon intensity, suggesting tropical Pacific climate and the Asian monsoon were interconnected systems at centennial to millennial timescales during the Holocene. A weakening trend in the Asian monsoon and the trend toward wetter conditions at El Junco also coincide with a trend toward cooler and drier conditions inferred from Cariaco Basin sediment proxies from the mid-Holocene to present, suggesting the migration of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) likely influenced hydrological changes in both the eastern tropical Pacific and the Asian Monsoon region during the Holocene.

Corals offer a rich archive of past climate variability in tropical ocean regions where instrumental data are limited and where our knowledge of multi-decadal climate sensitivity is incomplete. In the eastern equatorial Pacific, coral isotopic records track variations in ENSO-related changes in sea-surface temperature; further west, corals record variability in sea-surface temperature and rainfall that accompanies zonal displacement of the Indonesian Low during ENSO events. These multi-century records reveal previously unrecognised ENSO variability on time scales of decades to centuries. Outside the ENSO-sensitive equatorial Pacific, long-term trends towards recent warmer/wetter conditions suggest the tropics respond to global forcings. New coral paleothermometers indicate that surface-ocean temperatures in the tropical southwestern Pacific were depressed by 4–6°C during the Younger Dryas climatic event and rose episodically during the next 4000 yr. High temporal-resolution measurements of Sr/Ca and δ18O in corals provide information about the surface-ocean hydrologic balance and can resolve the seasonal balance between precipitation and evaporation. Radiocarbon measurements in corals, coupled with ocean circulation models, may be used to reconstruct near-surface ocean circulation, past mixing rates, and the distribution of fossil fuel CO2 in the upper ocean. Most recently, seasonal to interannual variations in the radiocarbon of corals from the equatorial Pacific have been linked to the redistribution of surface waters associated with the ENSO.

We have compiled 36 previously published palaeoclimate records to determine the timing and spatial pattern of century-scale abrupt changes in Asian monsoon precipitation since the last deglaciation. We identify abrupt events from (1) the interpretations of the authors of these records and (2) the more objective moving t-test calculation. Our results indicate that abrupt climatic changes occurred at ~11.5 cal. ka, 4.5–5.0 cal. ka and ad 1300. At the start of the Holocene (~11.5 cal. ka), Asian monsoon precipitation increased dramatically. This climatic change is synchronous with an abrupt warming in the North Atlantic. During the middle Holocene, there was a time of preferred and widespread weakening in monsoon strength (~4.5–5.0 cal. ka). This result contradicts previous notions of either a gradual trend towards drier conditions or a series of abrupt events that occurred in an unorganized fashion across space and time. The middle-Holocene abrupt event could have been synchronous with an abrupt cooling event in the North Atlantic, as well as a warming and intensification of internannual variability in the tropical Pacific. In contrast to previous periods, precipitation changes at ad 1300 have a heterogeneous spatial pattern. We find no conclusive evidence for a change in the Asian monsoon at ~8.2 cal. ka, as suggested by several previous studies. More high-resolution data may be needed to observe this short-lived event. Overall, our results attest to the potential for rapid and major shifts in Asian monsoon precipitation that may be triggered by variations in other components of the climatic system.

Although persistent drought in West Africa is well documented from the instrumental record and has been primarily attributed to changing Atlantic sea surface temperatures, little is known about the length, severity, and origin of drought before the 20th century. We combined geomorphic, isotopic, and geochemical evidence from the sediments of Lake Bosumtwi, Ghana, to reconstruct natural variability in the African monsoon over the past three millennia. We find that intervals of severe drought lasting for periods ranging from decades to centuries are characteristic of the monsoon and are linked to natural variations in Atlantic temperatures. Thus the severe drought of recent decades is not anomalous in the context of the past three millennia, indicating that the monsoon is capable of longer and more severe future droughts.

Abstract Projected changes in global rainfall patterns will likely alter water supplies and ecosystems in semiarid regions during the coming century. Instrumental and paleoclimate data indicate that natural hydroclimate fluctuations tend to be more energetic at low (multidecadal to multicentury) than at high (interannual) frequencies. State-of-the-art global climate models do not capture this characteristic of hydroclimate variability, suggesting that the models underestimate the risk of future persistent droughts. Methods are developed here for assessing the risk of such events in the coming century using climate model projections as well as observational (paleoclimate) information. Where instrumental and paleoclimate data are reliable, these methods may provide a more complete view of prolonged drought risk. In the U.S. Southwest, for instance, state-of-the-art climate model projections suggest the risk of a decade-scale megadrought in the coming century is less than 50%; the analysis herein suggests that the risk is at least 80%, and may be higher than 90% in certain areas. The likelihood of longer-lived events (>35 yr) is between 20% and 50%, and the risk of an unprecedented 50-yr megadrought is nonnegligible under the most severe warming scenario (5%–10%). These findings are important to consider as adaptation and mitigation strategies are developed to cope with regional impacts of climate change, where population growth is high and multidecadal megadrought—worse than anything seen during the last 2000 years—would pose unprecedented challenges to water resources in the region.

Coral reefs are declining worldwide due to anthropogenic-driven environmental change. The foundation and health of these ecosystems rely on the harmonious functioning of all members of coral holobionts, i.e., cnidarian host, symbiotic microalgae, and associated microbiome. Coral stress responses often involve shifts in the taxonomic identity of their symbionts and microbiomes. Tracing back changes in coral holobiont composition over prolonged time periods can help us reconstruct health history of reefs and gain a better understanding of coral response to current stressors. Here, we focused on a major Caribbean reef-builder coral, Orbicella faveolata, from the Varadero Reef, Colombia. This reef has undergone extensive freshwater sediment discharge for decades as result of urbanization. We show, for the first time, that paleogenomic and paleoclimatic approaches can be combined to reconstruct historical, coral holobiont dynamics potentially associated with anthropogenic disturbances.