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T31_gx3v7 CESM: The Good, The Bad, and the Ugly Christine A. Shields Gokhan Danabasoglu, David Bailey Thanks to CCSM CoChairs NCAR 1 NCAR is sponsored by the National Science Foundation CESM Workshop, Breckenridge, CO, June 2010

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T31_gx3v7  CESM:  The  Good,  The  Bad,  and  the  Ugly  

Christine  A.  Shields  

Gokhan  Danabasoglu,  David  Bailey  

Thanks  to  CCSM  Co-­‐Chairs  NCAR  

1  NCAR  is  sponsored  by  the  National  Science  Foundation  

CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

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OUTLINE  

•  Summary  of  good,  bad,  and  ugly  •   Control  simula4on  details  

•  The  Atmosphere  

•  The  Land  •  The  Ocean  •  The  Ice  •  Concluding  remarks  

THEMES:    How  has  CESM1  T31_gx3  improved  from  CCSM3?  

                   How  does  the  T31_gx3  compare  to  the  2deg_x1?  

2  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

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The  Good:  Ocean  below  500  meters,  ENSO,  MOC  Antarc4c  Sea  Ice  Southern  Hemisphere  PSL,  LW  Cloud  Forcing  It  is  really  FAST!    (70  yrs  per  day  on  3  “bluefire”  nodes).  

The  Bad:  Ocean  mixed  layer  depths  in  Labrador  Sea,  N.  Atl  Ocn  Heat  Transport  Arc4c  Sea  Ice  Northern  Hemisphere  PSL  

The  Ugly:  SST/Surface  Air  Temperature,    SW  Cloud  Forcing    

CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  OK:    Antarc4c  Circumpolar  Current  Precipita4on  

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Details  of  SimulaHon        T31_gx3v7  

     CN  model  “ON”  1850  Control  500  years,  last  50  year  TOA  Balance  ~  +0.09  W/m2  CESM1  code  base,    CAM4,  CLM4,POP2,  CICE4,  CPL7  

Physics  differences  from  1deg/2deg:  TMS,  lower  snow  albedos,  ice  runoff  off              

CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

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The  Atmosphere  

5  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

Physics  differences  from  the  2deg  (and  1deg)  FV  CESM1:  TMS,  or  the  Turbulent  Mountain  Stress  parameterizaHon  typically  applied  in  WACCM  

What  does  this  predominately  affect?  Surface  Wind  Stress,      this  addiHon  significantly  improves  the  ocean  simulaHon  and  ENSO    

TMS   No  TMS  

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6  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Atmosphere  Basic  State:  TREFHT  CESM1  T31  -­‐  IPCC/CRU    

Global  Avg  Difference  =  -­‐3.0oC    

Comparison  to  present  day  obs  is  expected  to  be  cooler  by  ~1oC,    but  the  T31  is  3oC  cooler.  

CESM1  2deg  –  IPCC/CRU  Global    Avg  Difference  =  

-­‐0.9oC    

CCSM3  T31  –  IPCC/CRU  Global  Avg  Difference  =  -­‐2.8oC    

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7  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Atmosphere  Basic  State:  PrecipitaHon  

CESM1  T31  

CESM1  2deg  

CCSM3  T31  

GPCP  (1979-­‐2003)  

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8  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Atmosphere  Basic  State:  Winter  PSL  Northern  Hemisphere    CESM1  T31    

CESM1  2deg  

CCSM3  T31  

NCEP  Reanalysis  (1979-­‐98)  

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9  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Atmosphere  Basic  State:  Winter  PSL    Southern  Hemisphere    

CESM1  T31    

CESM1  2deg  

CCSM3  T31  

NCEP  Reanalysis  (1979-­‐98)  

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10  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Atmosphere  Basic  State:  Cloud  Forcing  

CESM1  T31      

vs  CESM1  2deg:    SWCF  is  similar,    T31  has  beier  LWCF  in  the  mid-­‐la4tudes  

vs  CCSM3  T31:    CESM  T31  SWCF  is  worse  in  the  tropics,    but    is  LWCF  beier  overall  

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The  Land    Physics  differences  from  the  2deg  CESM1:  No  ice  runoff    

What  about  runoff  and  snow  depth?  

11  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

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NESL  Presentation  Format  0410   12  

 The  Land:  Regional  Areas  of  Runoff  and  Snow  Depth  

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The  Ocean  No  physics  differences  from  the  2deg_gx1  CESM1  

Basic  State  Variables:  SST  and  SSS  

13  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

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14  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:  SST  and  SSS  

T31_gx3   FV  2deg_gx1  

SST  

SSS  

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15  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:  TEMP  

T31_gx3   FV  2deg_gx1  

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16  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:    HXML    

T31_gx3   FV  2deg_gx1  

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17  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:  MOC  

T31_gx3   FV  2deg_gx1  

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18  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:  NHT  

T31_gx3   FV  2deg_gx1  

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19  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:  ACC  

T31_gx3  

FV  2deg_gx1  

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20  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Variability:  ENSO  

T31_gx3  TMS  On  

FV  2deg_gx1  TMS  OFF  

Std  dev  Nino3.4  =    0.775    (Obs  =  0.824)   Std  dev  Nino3.4  =  1.283  

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The  Ice  Physics  Difference  from  the  gx1  CESM1:  Lower  snow  albedos  

Ice  Basic  State:  NH  Ice/Snow  Volume,  Ice  Area  

21  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

T31_gx3  vs  2deg_gx1   T31  CESM1  vs  CCSM3  

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22  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ice:  Basic  State:  Ice  Area  

CESM1  T31_gx3  JFM  

CCSM3  T31_gx3  JFM  

JAS  JAS  

Degraded    N.    Atlan4c  

Similar    SH  

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23  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ice:  Basic  State:  Ice  Thickness  

CESM1  T31_gx3  JFM  

CCSM3  T31_gx3  JFM  

JAS  JAS  

Slightly  degraded    N.    Atlan4c  and  Greenland  Sea  

Improved  Weddell    Sea  

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Concluding  Remarks  

24  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

1.  CESM1  T31_gx3  is  generally  too  cold,  significantly  so  in  the  northern  hemisphere,  even  for  a  Pre-­‐Industrial  simula4on.  This  is  most  likely  due  to  poor  northward  heat  transport,  a  reality  of  a  low  resolu4on  model.  

2.  CESM1  T31_gx3  is  comparable  to  CCSM3  T31_gx3,  especially  so  in  terms  of  surface  temperatures.  

3.  CESM1  T31_gx3  has  an  improved  simula4on  over  Antarc4ca  compared  to  CCSM3.      

4.  CESM1  T31_gx3  has  a  more  reasonable  ENSO  than  the  FV2deg_gx1  .  This  is  likely  NOT  due  to  resolu4on  differences,  but  the  applica4on  of  the  TMS  parameteriza4on  in  CAM4.  

5.  CESM1  T31_gx3  is  fast  and  cheap  model  for  many  applica4ons.  

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25  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  End  

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26  

EXTRA    SLIDES:    LWCF  and  SWCF  for  CCSM3  and  CESM  2deg    

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27  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:  SST  and  SSS  

CESM1  T31_gx3   CCSM3  T31_gx3      

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28  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ocean:  Basic  State:  MOC  

T31_gx3   FV  2deg_gx1  

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29  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ice:  Basic  State:  Ice  Area  

T31_gx3  JFM  

FV  2deg_gx1  JFM  

JAS  JAS  

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30  CESM  Workshop,  Breckenridge,  CO,  June  2010    

The  Ice:  Basic  State:  Ice  Area  

T31_gx3  JFM  

FV  2deg_gx1  JFM  

JAS  JAS