The atmospheric general circulation model ECHAM6: Model ... The atmospheric general circulation model

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  • Reports on Earth System Science

    Berichte zur Erdsystemforschung

    M.A. Giorgetta, E. Roeckner, T. Mauritsen, J. Bader, T. Crueger, M. Esch, S. Rast, L. Kornblueh, H. Schmidt, S. Kinne, C. Hohenegger, B. Möbis, T. Krismer, K.–H. Wieners, B. Stevens

    135 2013

    The atmospheric general circulation model ECHAM6

    Model description

  • M.A. Giorgetta, E. Roeckner, T. Mauritsen, J. Bader, T. Crueger, M. Esch, S. Rast, L. Kornblueh, H. Schmidt, S. Kinne,

    C. Hohenegger, B. Möbis, T. Krismer, K.–H. Wieners, B. Stevens

    Reports on Earth System Science

    Berichte zur Erdsystemforschung 1352013

    135 2013

    ISSN 1614-1199

    The atmospheric general circulation model ECHAM6

    Model description

  • ISSN 1614-1199

    M.A. Giorgetta, E. Roeckner, T. Mauritsen, J. Bader, T. Crueger, M. Esch, S. Rast1, L. Kornblueh, H. Schmidt, S. Kinne, C. Hohenegger, B. Möbis, T. Krismer, K.–H. Wieners, B. Stevens

    Max-Planck-Institut für Meteorologie Bundesstrasse 53 20146 Hamburg

    1sebastian.rast@mpimet.mpg.de

  • Hamburg, June 21, 2013

    M.A. Giorgetta, E. Roeckner, T. Mauritsen, J. Bader, T. Crueger,

    M. Esch, S. Rast, L. Kornblueh, H. Schmidt, S. Kinne,

    C. Hohenegger, B. Möbis, T. Krismer, K.–H. Wieners, B. Stevens

    The atmospheric general circulation model ECHAM6

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  • Contents

    1. Introduction 9

    2. Atmosphere 11 2.1. Dynamical Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.1.1. The continuous equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.2. Horizontal discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.3. Vertical discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.4. Time integration scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.5. Nudging of dynamical variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    2.2. Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3. Radiative Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    2.3.1. Correlated k method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.2. Shortwave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.3. Longwave radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.4. Radiative Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3.5. Implementation and Numerical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    2.4. Turbulent transport and surface fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.1. Conservative variables and definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.4.2. TKE closure model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4.3. Interaction with the surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.4.4. Numerical solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.4.5. Solving the TKE-equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    2.5. Cumulus convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.5.1. Organized entrainment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.5.2. Organized detrainment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.5.3. Adjustment closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.5.4. Trigger of cumulus convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    2.6. Large-scale cloud scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.6.1. Governing equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.6.2. Cloud cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.6.3. Sedimentation and cloud microphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    2.7. Parameterization of the momentum flux deposition due to a gravity wave spectrum 73 2.7.1. Hines Doppler spread theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.7.2. The Hines Doppler Spread Parameterization (HDSP) . . . . . . . . . . . 74 2.7.3. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.7.4. Implementation Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    2.8. Parameterized gravity wave drag from subgrid scale orography . . . . . . . . . 82 2.8.1. Representation of the subgrid scale orography . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.8.2. Gravity wave drag from subgrid-scale orography . . . . . . . . . . . . . 82 2.8.3. Gravity wave drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    2.9. Water Vapor in the Middle Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    3

  • 3. Land 87

    4. Slab Ocean and Sea Ice 88 4.1. Slab ocean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2. Sea Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

    4.2.1. Calculation of sea ice melting separately for bare/snow covered ice and meltponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

    4.2.2. Snow on ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.3. New sea ice albedo scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

    5. Atmosphere surface coupling 102

    6. Model resolutions and resolution dependent parameters 103 6.1. Model resolutions and resolution-dependent parameters . . . . . . . . . . . . . 104

    6.1.1. Available model resolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.1.2. Resolution-dependent parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.1.3. Code implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

    7. External data 106 7.1. Solar irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

    7.1.1. Historic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.1.2. Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 7.1.3. Climatologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

    7.2. CO2, CH4, N2O, CFCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.2.1. 1850-present, present to 2100 and beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

    7.3. Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.3.1. Historic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.3.2. Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.3.3. Climatologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

    7.4. Aerosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.4.1. Tropospheric aerosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.4.2. Stratospheric aerosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

    7.5. Sea surface temperature and ice cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.5.1. Historic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.5.2. Climatologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.5.3. Aqua planet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

    7.6. Land data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.6.1. Land sea maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.6.2. Orography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.6.3. Vegetation maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

    8. Errata 129 8.1. Albedo of melt–ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8.2. Bug in anthropogenic aerosol data set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8.3. Energy conservation violation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 8.4. Bug in gravity wave drag parameterization – Asymmetry . . . . . . . . . . . . 131 8.5. Horizontal diffusion in MR resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

    A. The unparameterized equations 132 A.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

    4

  • A.2. The advective form of the unparameterized equations . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.1. The material derivative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.2. The equation of state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 A.2.3. Mass conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A.2.4. The velocity equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 A.2.5. The thermodynamic equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

    A.3. The flux forms of the equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 A.4. The introduction of diffusive fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 A.5. Approximations and definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 A.6. Return to the advective form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 A.7. The model equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

    B. Orbital Variations 142 B.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

    B.1.1. Obliquity . . . . . . . . . . . . . .