A coupled atmosphere‐ocean model for transient climate change studies

Abstract A new coupled atmosphere‐ocean model has been developed for climate predictions at decade to century scales. The atmospheric model is similar to that of Hansen et al. (1983) except that the atmospheric dynamic equations for mass and momentum are solved using Arakawa and Lamb's (1977) C grid scheme and the advection of potential enthalpy and water vapour uses the linear upstream scheme (Russell and Lerner, 1981). The new global ocean model conserves mass, allows for divergent flow, has a free surface and uses the linear upstream scheme for the advection of potential enthalpy and salt. Both models run at 4° × 5° resolution, with 9 vertical layers for the atmosphere and 13 layers for the ocean. Twelve straits are included, allowing for subgrid‐scale water flow. Runoff from land is routed into appropriate ocean basins. Atmospheric and oceanic surface fluxes are of opposite sign and are applied synchronously. Flux adjustments are not used. Except for partial strength alternating binomial filters (Shapiro, 1970), which are applied to the momentum components in the atmosphere and oceans, there is no explicit horizontal diffusion. A 120‐year simulation of the coupled model starting from the oceanic initial conditions of Levitus (1982) is discussed. The model dynamics stabilize after several decades. The maximum northward ocean heat flux is 1.4 × 1015 W at 16°N. The model appears to maintain the vertical gradients characterizing the separation between the upper and deep ocean spheres. Inadequacies in the coupled model simulation lead to decreasing temperature and salinity in the high latitude North Atlantic and to a poor simulation of the northern North Atlantic thermohaline circulation. The mass transport of the Gulf Stream is about half of observed values, while the transports of the Kuroshio and Antarctic Circumpolar Currents are similar to observations. Additional deficiencies include a climate drift in the surface air temperature of 0.006°C year‐1 due to a radiation imbalance of 7.4 Wm‐2 at the top of the atmosphere and too warm temperatures in the eastern portions of tropical oceans. The coupled model should be useful for delineating modelling capabilities without the use of flux adjustments and should serve as a benchmark for future model improvements. Résumé On a élaboré un nouveau modèle couplé atmosphère‐océan de prévisions du climat aux échelles allant de la décennie au siècle. Ce modèle atmosphérique est semblable à celui de Hansen et al. (1983) sauf que les équations dynamiques atmosphériques pour la masse et la quantité de mouvement sont calculées à l'aide du schéma de grille C d'Arakawa et Lamb (1977) et que l'advection d'enthalpie potentielle et d'eau vapeur utilise le schéma linéaire vers la source (Russell et Lerner, 1981). Le nouveau modèle océanique global conserve la masse, permet une circulation divergente, contient une surface libre, et utilise le schéma linéaire vers la source pour l'advection de l'enthalpie potentielle et du sel. Les deux modèles ont une résolution de 4° × 5° et neuf couches verticales pour l'atmosphère et treize pour l'océan. Douze détroits sont inclus permettant une circulation d'eau sous‐grille. L'écoulement des terres est dirigé vers les bassins océaniques pertinents. Les flux de surface, océanique et atmosphérique, sont de signe opposés et synchroniques. On n'ajuste pas les flux. Sauf pour des filtres binomiaux de force partielle alternant (Shapiro, 1970), appliqués aux composants de la quantité de mouvement dans l'atmosphère et l'océan, il n'y a pas de diffusion horizontale explicite. On étudie une simulation de 120 années d'un modèle couplé des conditions océaniques initiales de Levitus (1982). La dynamique du modèle se stabilise après plusieurs décennies. Le flux maximal de chaleur vers le nord est de 1,4 × 1015 W à 16°. Le modèle semble maintenir les gradients verticaux qui caractérisent la séparation entre les couches supérieures et profondes de l'océan. Des différences dans la simulation du modèle couplé entraînent, dans l'Atlantique Nord, une diminution de la température et de la salinité dans les hautes latitudes, et une piètre simulation de la circulation thermale. Le transport de masse du Gulf Stream est environ la moitié des valeurs observées alors que les transports des courants Kuroshio et Circumpolaire Antarctique sont semblables aux observations. Les différences supplémentaires comprennent une dérivation du climat pour la température de l'air en surface (0,006°C a‐1) entraînée par un rayonnement inégal de 7,4 Wm‐2 au sommet de l'atmosphère, et des températures trop chaudes sur les secteurs est des océans tropicaux. Le modèle couplé devrait être utile pour cadrer les possibilités de modélisation sans les ajustements de flux et pourrait servir de seuil pour les améliorations futures. Notes Department of Marine and Coastal Sciences, Cook College, Rutgers University, New Brunswick, NJ 08903