The UVic earth system climate model: Model description, climatology, and applications to past, present and future climates

Abstract

A new earth system climate model of intermediate complexity has been developed and its climatology compared to observations. The UVic Earth System Climate Model consists of a three‐dimensional ocean general circulation model coupled to a thermodynamic/dynamic sea‐ice model, an energy‐moisture balance atmospheric model with dynamical feedbacks, and a thermomechanical land‐ice model. In order to keep the model computationally efficient a reduced complexity atmosphere model is used. Atmospheric heat and freshwater transports are parametrized through Fickian diffusion, and precipitation is assumed to occur when the relative humidity is greater than 85%. Moisture transport can also be accomplished through advection if desired. Precipitation over land is assumed to return instantaneously to the ocean via one of 33 observed river drainage basins. Ice and snow albedo feedbacks are included in the coupled model by locally increasing the prescribed latitudinal profile of the planetary albedo. The atmospheric model includes a parametrization of water vapour/planetary longwave feedbacks, although the radiative forcing associated with changes in atmospheric CO₂ is prescribed as a modification of the planetary longwave radiative flux. A specified lapse rate is used to reduce the surface temperature over land where there is topography. The model uses prescribed present‐day winds in its climatology, although a dynamical wind feedback is included which exploits a latitudinally‐varying empirical relationship between atmospheric surface temperature and density. The ocean component of the coupled model is based on the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) Modular Ocean Model 2.2, with a global resolution of 3.6° (zonal) by 1.8° (meridional) and 19 vertical levels, and includes an option for brine‐rejection parametrization. The sea‐ice component incorporates an elastic‐viscous‐plastic rheology to represent sea‐ice dynamics and various options for the representation of sea‐ice thermodynamics and thickness distribution. The systematic comparison of the coupled model with observations reveals good agreement, especially when moisture transport is accomplished through advection.

Global warming simulations conducted using the model to explore the role of moisture advection reveal a climate sensitivity of 3.0°C for a doubling of CO₂, in line with other more comprehensive coupled models. Moisture advection, together with the wind feedback, leads to a transient simulation in which the meridional overturning in the North Atlantic initially weakens, but is eventually re‐established to its initial strength once the radiative forcing is held fixed, as found in many coupled atmosphere General Circulation Models (GCMs). This is in contrast to experiments in which moisture transport is accomplished through diffusion whereby the overturning is reestablished to a strength that is greater than its initial condition.

When applied to the climate of the Last Glacial Maximum (LGM), the model obtains tropical cooling (30°N‐30°S), relative to the present, of about 2.1°C over the ocean and 3.6°C over the land. These are generally cooler than CLIMAP estimates, but not as cool as some other reconstructions. This moderate cooling is consistent with alkenone reconstructions and a low to medium climate sensitivity to perturbations in radiative forcing. An amplification of the cooling occurs in the North Atlantic due to the weakening of North Atlantic Deep Water formation. Concurrent with this weakening is a shallowing of, and a more northward penetration of, Antarctic Bottom Water.

Climate models are usually evaluated by spinning them up under perpetual present‐day forcing and comparing the model results with present‐day observations. Implicit in this approach is the assumption that the present‐day observations are in equilibrium with the present‐day radiative forcing. The comparison of a long transient integration (starting at 6 KBP), forced by changing radiative forcing (solar, CO₂, orbital), with an equilibrium integration reveals substantial differences. Relative to the climatology from the present‐day equilibrium integration, the global mean surface air and sea surface temperatures (SSTs) are 0.74°C and 0.55°C colder, respectively. Deep ocean temperatures are substantially cooler and southern hemisphere sea‐ice cover is 22% greater, although the North Atlantic conveyor remains remarkably stable in all cases. The differences are due to the long timescale memory of the deep ocean to climatic conditions which prevailed throughout the late Holocene. It is also demonstrated that a global warming simulation that starts from an equilibrium present‐day climate (cold start) underestimates the global temperature increase at 2100 by 13% when compared to a transient simulation, under historical solar, CO₂ and orbital forcing, that is also extended out to 2100. This is larger (13% compared to 9.8%) than the difference from an analogous transient experiment which does not include historical changes in solar forcing. These results suggest that those groups that do not account for solar forcing changes over the twentieth century may slightly underestimate (∼3% in our model) the projected warming by the year 2100.

Résumé

[Traduit par la rédaction] Un nouveau modèle climatique du système terrestre de complexité intermédiaire a été mis au point et sa climatologie a été comparée aux observations. Le modèle climatique UVic du système terrestre consiste en un modèle tridimensionnel de circulation océanique générale couplé à un modèle de glace marine thermodynamique/dynamique, à un modèle atmosphérique à bilans d'énergie et d'humidité avec rétroactions dynamiques et à un modèle thermomécanique des glaces des terres émergées. L'utilisation d'un modèle atmosphérique de complexité réduite permet de maintenir l'efficacité de calcul du modèle. Les transports de chaleur atmosphérique et d'eau douce sont paramétrés en utilisant la diffusion fickienne et l'on suppose que des précipitations se produisent lorsque l'humidité relative dépasse 85%. Le transport d'humidité peut également être réalisé par advection, si désiré. Les précipitations au‐dessus de la terre ferme sont supposées retourner instantanément à l'océan par l'un des 33 bassins hydrographiques qui sont observés. Les rétroactions des albédos de la glace et de la neige sont inclus dans le modèle couplé en augmentant localement le profil latitudinal prescrit de l'albédo planétaire. Le modèle atmosphérique comporte un paramétrage des rétroactions de la vapeur d'eau/ondes longues planétaires, même si le forçage radiatif associé avec les changements dans le CO₂ atmosphérique est défini comme une modification du flux radiatif planétaire d'ondes longues. Un gradient thermique vertical fixe sert à réduire la température de surface au‐dessus de la terre ferme dans les situations avec relief topographique. Le modèle utilise dans sa climatologie des vents prescrits à partir de la situation présente, quoiqu'il incorpore une rétroaction dynamique du vent qui exploite une relation empirique variant en fonction de la latitude entre la température atmosphérique de surface et la densité. La composante océanographique du modèle couplé est basée sur le modèle océanographique modulaire géophysique (GFDL) 2.2, avec une résolution globale de 3,6° (zonale) par 1,8° (méridionale) et 19 niveaux verticaux. Elle inclut une option pour le paramétrage du rejet d'eau salée. La composante glace marine contient une rhéologie élastique‐plastique‐visqueuse pour représenter la dynamique de la glace marine et diverses options pour la représentation de la thermodynamique de la glace marine et sa distribution d'épaisseur. La comparaison systématique du modèle couplé avec les observations révèle un bon accord, surtout lorsque le transport d'humidité est effectué par advection.

Les simulations de réchauffement planétaire effectuées en utilisant le modèle pour explorer le rôle de l'advection d'humidité révèlent une sensibilité climatique de 3,0°C avec le doublement du CO₂, en conformité avec d'autres modèles couplés plus complets. L'advection d'humidité avec la rétroaction du vent mène à une simulation transitoire dans laquelle le brassage méridional dans l'Atlantique Nord s'affaiblit d'abord, mais qui se rétablit éventuellement à sa force initiale une fois que le forçage radiatif est maintenu constant, tout comme cela se produit avec plusieurs modèles couplés de la circulation atmosphérique générale (GCM). Ceci contraste avec les expériences dans lesquelles le transport d'humidité est accompli par diffusion et qui démontrent que le brassage est rétabli à une force supérieure à celle de sa valeur initiale.

Appliqué au climat du dernier maximum glaciaire (LGM), le modèle obtient un refroidissement tropical (30°N‐30°S), relativement au climat présent, d'environ 2,1°C au‐dessus des océans et de 3,6°C au‐dessus de la terre ferme. Ces valeurs sont généralement plus froides que les estimations CLIMAP, mais pas aussi froides que certaines autres reconstructions. Ce refroidissement modéré est compatible avec les reconstructions alkénone et une sensibilité climatique de faible à moyenne aux perturbations du forçage radiatif. Une amplification du refroidissement se produit dans l'Atlantique Nord à cause de l'affaiblissement de la formation d'eau profonde de l'Atlantique Nord. En même temps que se produit cet affaiblissement, il y a un amincissement de l'eau de fond de l'Antarctique ainsi qu'une pénétration plus orientée vers le nord de cette eau.

Les modèles climatiques sont habituellement évalués en les faisant tourner sous le forçage perpétuel actuel et en comparant les résultats des modèles avec les observations actuelles. Implicitement, on présume que les observations actuelles sont en équilibre avec le forçage radiatif actuel. La comparaison d'une intégration transitoire de longue durée (débutant il y a 6 000 ans) forcée en modifiant le forçage radiatif (solaire, CO₂, orbital) avec une intégration à l'équilibre révèle des différences substantielles. Par rapport à la climatologie dérivée de l'intégration de l'équilibre aux conditions actuelles, les températures globales moyennes de l'air à la surface et de la surface de l'eau sont respectivement plus froides de 0,74°C et 0,55°C. Les températures de la mer profonde sont substantiellement plus froides et le couvert de glace marine dans l'hémisphère sud est de 22% plus important, quoique le convoyeur de l'Atlantique Nord demeure remarquablement stable dans tous les cas. Les différences sont dues à la mémoire à long terme de la mer profonde des conditions climatiques qui ont prévalu à la fin de l'holocène. Il a également été démontré qu'une simulation du réchauffement planétaire qui démarre d'un climat à l'équilibre avec le climat actuel (démarrage à froid) sous‐estime l'augmentation de la température mondiale en 2100 de 13% lorsqu'on la compare à une simulation transitoire soumise aux forçages historiques solaire, orbital et du CO₂ et qui a également été effectuée jusqu'en 2100. Ceci est plus grand (13% comparativement à 9,8%) que la différence d'une expérience transitoire analogue qui n'inclut pas les changements historiques dans le forçage solaire. Ces résultats suggèrent que les groupes qui ne tiennent pas compte des changements dans le forçage solaire au XX^e siècle pourraient sousestimer légèrement (∼3% dans notre modèle) le réchauffement projeté en l'an 2100.

Notes

Corresponding author's e‐mail: [email protected]