Atmospheric Models and Aircraft Measurements: Representativeness and Model Validation

Die Atmosphäre ist ein komplexes System, in welchem Dynamik, Thermodynamik und Chemie zusam-
menkommen. Atmosphärenmodelle sind eine Abbildung all der Prozesse, die dieses System antreiben.
Um diese Modelle zu validieren, ist ein Vergleich mit Messungen unabdingbar. Andererseits stellen
Modelle den vollständigen Zustand der (modellierten) Atmosphäre bereit, was für die Interpretation von
Messungen hilfreich sein kann.
Diese Doktorarbeit steht an der Schnittstelle zwischen Modellen und Messungen. In drei Kapiteln
wird beschrieben, wie verschiedene Modelle und flugzeuggetragene Messungen des Projekts IAGOS-
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CARIBIC von einander profitieren können, um ein vertieftes Verständnis der Atmosphäre zu erlangen.
Im ersten Kapitel werden die IAGOS-CARIBIC Messdaten verwendet, um das Chemie-Klima Modell
EMAC zu validieren. Klimatologien der Messdaten werden verglichen mit solchen aus Modelldaten, die
zuvor auf den Ort der Messungen interpoliert wurden. Die Mittelwerte von O 3 , CH 4 und CO werden
vom Modell gut wiedergegeben, während der Vergleich von Aceton Unzulänglichkeiten aufzeigt.
Das nächste Kapitel widmet sich weiterhin den Klimatologien, die aus den Messdaten heraus erstellt
werden können und untersucht, ob diese für den mittleren Zustand der Atmosphäre repräsentativ sind.
Die Abbildung des Messdatensatzes in einer Simulation von EMAC wird mit dem mittleren Modellzus-
tand verglichen. Es werden verschiedene Definitionen für Repräsentativität getestet und dann motiviert,
dass die Schlussfolgerungen aus den Modelldatensätzen auf die Wirklichkeit übertragen werden kön-
nen. Die klimatologische Repräsentativität der Messdaten wird für Spurengase verschiedener Variabilität
diskutiert. Die Beschränkungen in Druck und geographischer Länge, die dem Messdatensatz eigen sind,
werden sodann auf ihren Einfluss auf die Repräsentativität hin untersucht.
Das letzte Kapitel verlegt den Fokus von Atmosphärenchemie auf den hydrologischen Kreislauf.
Messdaten aus IAGOS-CARIBIC werden verwendet, um das Modell ICON-ART-Iso mittels einer Fall-
studie zu validieren. ICON-ART-Iso ist eine Erweiterung des Atmosphärenmodells ICON, das dem
Modell die Möglichkeit beigibt, auch die stabilen Wasserisotope und andere Wasserdiagnostiken zu
simulieren. Die Entwicklung von ICON-ART-Iso war Teil dieser Doktorarbeit. Daher beschreibt die Ar-
beit auch die Physik und deren Implementierung in das Modell. Auf der saisonalen Skala werden IASI
Satellitendaten verwendet, um das Modell zu validieren. Die in situ Messungen von IAGOS-CARIBIC
kommen dann in einer Fallstudie zum Einsatz, die auch die Vorteile der verschiedenen Wasserdiagnos-
tiken demonstriert.
Für ein erweitertes Verständnis der Atmosphäre ist es notwendig, Messungen aus Projekten wie IAGOS-
CARIBIC mit Modellsimulationen zusammenzuführen. Diese Doktorarbeit demonstriert, wie flugzeugge-
tragene Messungen auf klimatologischer wie auch auf lokaler Skala verwendet werden können, um Mod-
ellsimulationen zu validieren. Sie zeigt auch, wie eine klimatologische Modellsimulation zur Interpreta-
tion der Messdaten beitragen kann. Die Arbeit zeigt also auf, wie Modelle und Messungen voneinander
profitieren können, ein zentraler Aspekt der modernen Atmosphärenwissenschaft.

The atmosphere is a complex system of dynamics, thermodynamics and chemistry. Atmospheric models
are an integrated description of the different processes that drive this system. To validate these models,
it is necessary to compare with measurements. On the other hand, models provide the full (modeled)
atmospheric state which can aid in the interpretation of measurements.
This thesis is situated on the interface between models and atmospheric measurements. In three differ-
ent chapters, it describes how different models and IAGOS-CARIBIC aircraft measurements can benefit
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from one another to come to an increased understanding of the atmosphere.
In a first chapter, the IAGOS-CARIBIC measurement data are used to validate the chemistry-climate
model EMAC. Climatologies generated from the aircraft measurements and from collocated model data
are compared. The mean values of O 3 , CH 4 and CO are well reproduced by the model, while the
simulation of acetone shows deficiencies.
The next chapter further examines the climatologies that can be compiled from the measurement data
and investigates whether these climatologies are representative of the mean atmospheric state. This is ac-
complished by comparing the model representation of the measurement dataset in a simulation of EMAC
to the mean model state. Different definitions of representativeness are tested with these model datasets.
Adequate room is given to show that the conclusion about representativeness from the model can be
applied to the measurement dataset. The climatological representativeness of the measurements is then
discussed for trace gases of different variability. The limitations in pressure and longitude, which are
inherent in the measurement dataset, are examined for their influence on the climatological representa-
tiveness.
The last main chapter moves from atmospheric chemistry to the hydrological cycle. Data from
IAGOS-CARIBIC are used to validate the model ICON-ART-Iso in a case study. ICON-ART-Iso is
the new isotope enabled version of the atmospheric model ICON. It adds the possibility to simulate sta-
ble water isotopes and other water diagnostics to the model. The development of ICON-ART-Iso was
part of this thesis. The isotope physics and their implementation in the model are therefore also de-
scribed. The model is validated on a seasonal scale with IASI satellite data. The in situ measurements by
IAGOS-CARIBIC are then used in a case study, which also demonstrates the advantages of the different
water diagnostics.
For an increased understanding of the atmosphere, it is necessary to combine measurements from
projects like IAGOS-CARIBIC with model simulations. This thesis demonstrates how aircraft measure-
ments can be used to validate model results on climatological and smaller scales. It also shows how these
measurements can gain value from a climatological model simulation by determining the measurement
representativeness. Thereby, the thesis develops methods and shows how models and measurements can
benefit from one another, which is a central aspect of the science of the atmosphere.