Atmospheric Models and Aircraft Measurements: Representativeness and Model Validation
Creators: name: Eckstein, Johannes
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2017
Subjects: isotopolologues
water cycle
representativeness
model validation

description: 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- 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.