Dans un contexte actuel préoccupé par la couche d’ozone et son recouvrement ainsi que par le réchauffement global, comprendre, représenter et modéliser la dynamique stratosphérique sont des enjeux majeurs. Une question récurrente est de pouvoir évaluer les biais des modèles à haute altitude dans la stratosphère. Or la stratosphère est une couche de l’atmosphère difficilement accessible à la mesure. Une solution est d’extraire des informations en analysant les trajectoires des ballons qui sont essentiellement conditionnées par les mouvements des masses d’air. Ces travaux de thèse ont donné naissance à une banque de données rassemblant des mesures de vent, de température et de pression issues des vols de ballons stratosphériques sur une période de plus de 20 ans à des régions variées (région polaire arctique, à moyenne latitude et en régions intertropicales) et à différentes saisons. Une méthode d’analyse des biais mesures/modèle a été mise en place et appliquée aux réanalyses ERA-Interim. Par comparaison avec une précédente étude faite dans des conditions de vortex polaire, les mesures ainsi que la méthode d’analyse des biais ont été validées. Enfin, une analyse systématique des biais sur le vent à haute altitude dans la stratosphère considérant plusieurs régions à différentes saisons a été implémentée. Les résultats montrent que les biais dans les réanalyses ERA-Interim varient et augmentent en fonction de l’altitude. Les régions associées à des régimes bien établis sont plutôt bien représentées alors que les zones de transition ou de changement de circulation présentent plus de difficultés. D’une manière générale, les résultats de biais rapportent que les réanalyses ERA-Interim sous-estiment la vitesse du vent dans la stratosphère. / In a current context focused on the ozone layer recovery and on the global warming, understand, represent and model the stratospheric dynamic became major issues. Realism of these models needs to be assessed. Unfortunately the stratosphere is an atmospheric layer hardly accessible to measurements. Balloons trajectories are mainly depending on the air masses displacements. Extract measurements from balloon trajectories is a solution. These works led to the creation of a database which contains winds, temperature and pressure measurements from stratospheric balloons flights data collected over a time period of more 20 years at several locations (arctic polar region, at mid-latitude and in tropics) and at different seasons. A methodology of winds biases analysis has been developed and has been applied to the ERA-Interim reanalysis data. By comparing our results with a previous study, we have been able to validate the database and the winds biases analyse methodology. A systematic analyse of winds biases at high altitude in the stratosphere considering several locations/seasons has been implemented. The results show the biases in ERA-Interim reanalyses vary and rise as function of the altitude. The locations which are associated to well established circulations are rather well represented while the locations where the variability is higher present more difficulty. Globally biases results report ERA-Interim reanalyses underestimate wind speed in the stratosphere.

Die Arktis erwärmt sich aus noch nicht vollständig geklärten Gründen drei- bis viermal schneller als der Rest der Erde. Wolken, die den Energiehaushalt der Oberfläche und den vertikalen Transport von Wärme und Feuchtigkeit über dem Meereis signifikant beeinflussen, werden durch die oft begrenzte Verfügbarkeit von tröpfchenbildenden Aerosolpartikeln beeinflusst. Diese Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen sind schwer zu erfassen, da die untere Troposphäre zumeist komplex geschichtet ist. In dieser Doktorarbeit werden drei neue wissenschaftliche Veröffentlichungen vorgestellt, die unternommenen wurden, um die vertikale Aerosolverteilung über dem arktischen Meereis mit einem Fesselballon zu untersuchen. Im ersten Schritt wurde eine neue Aerosolmessplattform, genannt CAMP, für Fesselballoneinsätze konzipiert. CAMP beinhaltet vier mobile Instrumente in einem Gehäuse, das vor Umwelteinflüssen schützt, zur Messung der Mikrophysik von Aerosolpartikeln. Die Sensoren wurden gründlich kalibriert und charakterisiert und die Leistung der Plattform in Feldtests bewertet. Im zweiten Schritt wurden während einer Forschungsexpedition in der zentralen Arktis Fesselballonmessungen von einer Eisscholle aus durchgeführt. Neben CAMP wurden vier weitere Instrumentenpakete mit dem Ballon geflogen, um die atmosphärische Grenzschicht zu charakterisieren. Die gewonnenen Daten wurden validiert und der wissenschaftlichen Gemeinschaft frei zur Verfügung gestellt. Im dritten Schritt wurden vierunddreißig Aerosolprofile analysiert und die Auswirkungen des Luftmassenursprungs und der Troposphärenstruktur auf die vertikale Aerosolverteilung bewertet. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass die Aerosolpartikel oberhalb der Grenzschicht für Wolken-Wechselwirkung von wesentlicher Bedeutung sind. Eine Analyse der Kopplung zwischen Wolke und Oberfläche zeigte deutlich, dass der vertikale Transport von Aerosolen von der Oberfläche zur Wolkenbasis in entkoppelten Wolkenfällen gehemmt war. Sekundäre Partikelbildung nach dem Transport von Vorläuferdämpfen von südlich des Eisrandes führte zu hohen Konzentrationen kleinerer Partikel oberhalb der Grenzschicht. In einem anderen Fall unterstützten hohe Mengen größerer Partikel die Bildung einer dichten Nebelschicht nach dem Ferntransport. Diese Arbeit hat gezeigt, dass es möglich ist, qualitativ hochwertige Aerosolmessungen mit Fesselballons in einer abgelegenen Region und unter schwierigen Umweltbedingungen durchzuführen. Die gewonnenen Daten und die bereitgestellten Analysen ermöglichen neue Einblicke in die vertikale Aerosolverteilung über dem Meereis. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit dazu beiträgt, unser Verständnis von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen über dem Arktischen Meereis zu erweitern.:Contents 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Aerosol particles in the Arctic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 The lower troposphere above the Arctic sea ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Aerosol measurements with tethered balloons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 The cubic aerosol measurement platform (CAMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Platform design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 First field deployments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Tethered balloon measurements above the Arctic sea ice . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 The MOSAiC expedition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.2 Tethered balloon operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.3 Deployed instrument packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.4 Data validation and availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.1 Back trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.2 Cloud borders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.3 Inversion detection algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.4 Tropospheric structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1 First publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Second publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Third publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.1 First publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2 Second publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.3 Third publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A.1 Publications included in the Doctoral Thesis and Author’s contributions . . . . . . . i A.2 Contributions to other publications as co-author during the PhD . . . . . . . . . . . iii A.3 Colophon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv / The Arctic is warming three to four times faster than the rest of the Earth for reasons that are not yet fully understood. Clouds, which significantly affect the surface energy budget and the vertical transport of heat and moisture above sea ice, are influenced by the often limited availability of droplet-forming aerosol particles. However, aerosol-cloud interactions are challenging to assess due to the commonly complex structured lower troposphere. This doctoral thesis presents three novel scientific publications that detail the steps taken to investigate the vertical aerosol distribution above the Arctic sea ice with a tethered balloon. In the first step, the new cubic aerosol measurement platform (CAMP) was designed for tethered balloon deployments. CAMP contains four mobile instruments in an environmentally robust housing for measuring aerosol particle microphysics. The sensors were thoroughly calibrated and characterized, and the platform performance was evaluated in field tests. Secondly, tethered balloon measurements were performed from an ice floe during a research expedition into the central Arctic. CAMP and four other instrument packages were deployed with the balloon to characterize the atmospheric boundary layer. The obtained data were validated and made freely available to the scientific community. Lastly, thirty-four aerosol profiles were analyzed, and the impact of the air mass origin and the lower tropospheric structure on the vertical aerosol distribution was evaluated. The study results showed that the aerosol particles above the boundary layer are essential for interactions with low-level clouds. An analysis of the cloud-surface coupling state clearly demonstrated inhibited vertical transport of aerosols from the surface to the cloud base in decoupled cloud cases. Secondary particle formation initiated by low-level transport of precursor vapors from south of the ice edge caused high concentrations of smaller particles above the boundary layer. In another case, high amounts of larger particles supported the formation of a dense fog layer after long-range transport. This thesis demonstrated the feasibility of providing high-quality aerosol measurements with tethered balloons from a remote region under challenging environmental conditions. The obtained data and the provided analysis enable novel insights into the vertical aerosol distribution above the sea ice. In conclusion, this work contributes to expanding our understanding of aerosol-cloud interactions in the Arctic.:Contents 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Aerosol particles in the Arctic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 The lower troposphere above the Arctic sea ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Aerosol measurements with tethered balloons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 The cubic aerosol measurement platform (CAMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Platform design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.2 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 First field deployments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Tethered balloon measurements above the Arctic sea ice . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 The MOSAiC expedition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.2 Tethered balloon operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.3 Deployed instrument packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.4 Data validation and availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.1 Back trajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.2 Cloud borders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.3 Inversion detection algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.4 Tropospheric structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1 First publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Second publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Third publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.1 First publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2 Second publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.3 Third publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A.1 Publications included in the Doctoral Thesis and Author’s contributions . . . . . . . i A.2 Contributions to other publications as co-author during the PhD . . . . . . . . . . . iii A.3 Colophon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv