Die Synergie von neuen Instrumenten zur Beobachtung der Atmosphäre mit der Modellierung der Atmosphäre auf der Grundlage physikalischer Prinzipien und mit der Auswertung von Daten durch maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz (KI) ist eine wesentliche Stärke des ICE-4. So sind beispielsweise globale Zirkulationsmodelle ein wichtiges Instrument, um die komplexen und chaotischen Prozesse in unserer Atmosphäre zu verstehen. Diese Modelle enthalten immer Näherungswerte, die durch Beobachtungsdaten abgestimmt werden müssen. Neuartige Vorhersagemodelle, die vollständig auf maschinellem Lernen basieren, benötigen noch mehr Beobachtungsdaten, um zuverlässig zu werden. Andere numerische Modelle sind darauf ausgelegt, sehr spezifische physikalische Prozesse in der Atmosphäre zu simulieren, wie z. B. die Emission und Absorption von Licht, die Bildung von Wolken oder die Ausbreitung von atmosphärischen Wellen. Um diese Prozesse besser verstehen zu können, werden neue Instrumente zur Messung der Atmosphäre benötigt, die die erforderlichen Daten von Flugzeugen, Ballons oder Satelliten aus liefern. Messplattformen wie Null-Druck-Ballons, die bis in 35 km Höhe aufsteigen, oder das deutsche Forschungsflugzeug HALO ermöglichen unseren Instrumenten einen genauen Blick auf eine der letzten Grenzen, die überraschend unbekannt sind. Auch heute noch werden durch neuartige Beobachtungen neue atmosphärische Phänomene und chemische Reaktionen aufgedeckt, die in der Modellierung fehlen. Solche neuen Beobachtungen lösen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Flut von Aktivitäten aus, die oft zu besseren Vorhersagen des Wetters, der Grenzschichtverschmutzung oder extremer Wetterereignisse führen.
Eine noch offene Frage ist zum Beispiel die allgemeine Geschwindigkeit der großräumigen atmosphärischen Umwälzung. Aufgrund ihrer Langsamkeit ist es sehr schwierig, diese Zirkulation direkt zu messen. Die stratosphärische Zirkulation hat jedoch tiefgreifende Auswirkungen auf langfristige Klimavorhersagen. Wir verwenden Stratosphärenballons, die unsere GLORIA- und Air-Core-Instrumente tragen, oder satellitengestützte Fernerkundungsinstrumente, um hochpräzise Spurengaskonzentrationen langlebiger anthropogener Stoffe zu messen. Kombiniert man diese einzigartigen Messungen mit den Vorhersagen unseres globalen Zirkulationsmodells CLaMS für verschiedene Konfigurationen, kann man sowohl Schätzungen über die aktuelle Geschwindigkeit der Zirkulation ableiten als auch feststellen, ob sich dieses Zirkulationssystem gerade ändert oder nicht.