A coordinated set of global coupled climate model [atmosphere–ocean general circulation model (AOGCM)] experiments for twentieth- and twenty-first-century climate, as well as several climate change commitment and other experiments, was run by 16 modeling groups from 11 countries with 23 models for assessment in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report (AR4). Since the assessment was completed, output from another model has been added to the dataset, so the participation is now 17 groups from 12 countries with 24 models. This effort, as well as the subsequent analysis phase, was organized by the World Climate Research Programme (WCRP) Climate Variability and Predictability (CLIVAR) Working Group on Coupled Models (WGCM) Climate Simulation Panel, and constitutes the third phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3). The dataset is called the WCRP CMIP3 multimodel dataset, and represents the largest and most comprehensive international global coupled climate model experiment and multimodel analysis effort ever attempted. As of March 2007, the Program for Climate Model Diagnostics and Intercomparison (PCMDI) has collected, archived, and served roughly 32 TB of model data. With oversight from the panel, the multimodel data were made openly available from PCMDI for analysis and academic applications. Over 171 TB of data had been downloaded among the more than 1000 registered users to date. Over 200 journal articles, based in part on the dataset, have been published AMERICAN METEOROLOGICAL SOCIETY so far. Though initially aimed at the IPCC AR4, this unique and valuable resource will continue to be maintained for at least the next several years. Never before has such an extensive set of climate model simulations been made available to the international climate science community for study. The ready access to the multimodel dataset opens up these types of model analyses to researchers, including students, who previously could not obtain state-of-the-art climate model output, and thus represents a new era in climate change research. As a direct consequence, these ongoing studies are increasing the body of knowledge regarding our understanding of how the climate system currently works, and how it may change in the future.

The cause of decadal climate variability over the North Pacific Ocean and North America is investigated by the analysis of data from a multidecadal integration with a state-of-the-art coupled ocean-atmosphere model and observations. About one-third of the low-frequency climate variability in the region of interest can be attributed to a cycle involving unstable air-sea interactions between the subtropical gyre circulation in the North Pacific and the Aleutian low-pressure system. The existence of this cycle provides a basis for long-range climate forecasting over the western United States at decadal time scales.

The Hamburg Ocean Primitive Equation model has undergone significant development in recent years. Most notable is the treatment of horizontal discretisation which has undergone transition from a staggered E-grid to an orthogonal curvilinear C-grid. The treatment of subgridscale mixing has been improved by the inclusion of a new formulation of bottom boundary layer (BBL) slope convection, an isopycnal diffusion scheme, and a Gent and McWilliams style eddy-induced mixing parameterisation. The model setup described here has a north pole over Greenland and a south pole on the coast of the Weddell Sea. This gives relatively high resolution in the sinking regions associated with the thermohaline circulation. Results are presented from a 450 year climatologically forced integration. The forcing is a product of the German Ocean Model Intercomparison Project and is derived from the European Centre for Medium Range Weather Forecasting reanalysis. The main emphasis is on the model’s representation of key quantities that are easily associated with the ocean’s role in the global climate system. The global and Atlantic northward poleward heat transports have peaks of 1.43 and 0.84 PW, at 18° and 21° N respectively. The Atlantic meridional overturning streamfunction has a peak of 15.7 Sv in the North Atlantic and an outflow of 11.9 Sv at 30° S. Comparison with a simulation excluding BBL shows that the scheme is responsible for up to a 25% increase in North Atlantic heat transport, with significant improvement of the depths of convection in the Greenland, Labrador and Irminger Seas. Despite the improvements, comparison with observations shows the heat transport still to be too weak. Other outstanding problems include an incorrect Gulf Stream pathway, a too strong Antarctic Circumpolar Current, and a too weak renewal of Antarctic Intermediate Water. Nevertheless, the model has been coupled to the atmospheric GCM ECHAM5 and run successfully for over 250 years without any surface flux corrections.

A multi-model ensemble-based system for seasonal-to-interannual prediction has been developed in a joint European project known as DEMETER (Development of a European Multimodel Ensemble Prediction System for Seasonal to Interannual Prediction). The DEMETER system comprises seven global atmosphere–ocean coupled models, each running from an ensemble of initial conditions. Comprehensive hindcast evaluation demonstrates the enhanced reliability and skill of the multimodel ensemble over a more conventional single-model ensemble approach. In addition, innovative examples of the application of seasonal ensemble forecasts in malaria and crop yield prediction are discussed. The strategy followed in DEMETER deals with important problems such as communication across disciplines, downscaling of climate simulations, and use of probabilistic forecast information in the applications sector, illustrating the economic value of seasonal-to-interannual prediction for society as a whole.

Abstract This paper describes the mean ocean circulation and the tropical variability simulated by the Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M) coupled atmosphere–ocean general circulation model (AOGCM). Results are presented from a version of the coupled model that served as a prototype for the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report (AR4) simulations. The model does not require flux adjustment to maintain a stable climate. A control simulation with present-day greenhouse gases is analyzed, and the simulation of key oceanic features, such as sea surface temperatures (SSTs), large-scale circulation, meridional heat and freshwater transports, and sea ice are compared with observations. A parameterization that accounts for the effect of ocean currents on surface wind stress is implemented in the model. The largest impact of this parameterization is in the tropical Pacific, where the mean state is significantly improved: the strength of the trade winds and the associated equatorial upwelling weaken, and there is a reduction of the model’s equatorial cold SST bias by more than 1 K. Equatorial SST variability also becomes more realistic. The strength of the variability is reduced by about 30% in the eastern equatorial Pacific and the extension of SST variability into the warm pool is significantly reduced. The dominant El Niño–Southern Oscillation (ENSO) period shifts from 3 to 4 yr. Without the parameterization an unrealistically strong westward propagation of SST anomalies is simulated. The reasons for the changes in variability are linked to changes in both the mean state and to a reduction in atmospheric sensitivity to SST changes and oceanic sensitivity to wind anomalies.

The sensitivity of the global climate system to interannual variability of he Eurasian snow cover has been investigated with numerical models. It was found that heavier than normal Eurasian snow cover in spring leads to a “poor” monsoon over Southeast Asia thereby verifying an idea over 100 years old. The poor monsoon was characterized by reduced rainfall over India and Burma, reduced wind stress over the Indian Ocean, lower than normal temperatures on the Asian land mass and in the overlying atmospheric column, reduced tropical jet, increased soil moisture, and other features associated with poor monsoons. Lighter than normal snow cover led to a “good” monsoon with atmospheric anomalies like those described above but of opposite sign. Remote responses from the snow field perturbation include readjustment of the Northern Hemispheric mass field in midlatitude, an equatorially symmetric response of the tropical geopotential height and temperature field and weak, but significant, perturbations in the surface wind stress and heat flux in the tropical Pacific. The physics responsible for the regional response involves all elements of both the surface heat budget and heat budget of the full atmospheric column. In essence, the snow, soil and atmospheric moisture all act to keep the land and overlying atmospheric column colder than normal during a heavy snow simulation thus reducing the land–ocean temperature contrast needed to initiate the monsoon. The remote responses are driven by heating anomalies associated with both large scale air-sea interactions and precipitation events. The model winds from the heavy snow experiment were used to drive an ocean model. The SST field in that model developed a weak El Niño in the equatorial Pacific. A coupled ocean-atmosphere model simulation perturbed only by anomalous Eurasian snow cover was also run and it developed a much stranger El Niño in the Pacific. The coupled system clearly amplified the wind stress anomaly associated with the poor monsoon. These results show the important role of an evolving (not specified) sea surface temperature in numerical experiments and the real climate system. Our general results also demonstrate the importance of land processes in global climate dynamics and their possible role as one of the factors that could trigger ENSO events.

The dynamics and predictability of decadal climate variability over the North Pacific and North America are investigated by analyzing various observational datasets and the output of a state of the art coupled ocean–atmosphere general circulation model that was integrated for 125 years. Both the observations and model results support the picture that the decadal variability in the region of interest is based on a cycle involving unstable ocean–atmosphere interactions over the North Pacific. The period of this cycle is of the order of a few decades. The cycle involves the two major circulation regimes in the North Pacific climate system, the subtropical ocean gyre, and the Aleutian low. When, for instance, the subtropical ocean gyre is anomalously strong, more warm tropical waters are transported poleward by the Kuroshio and its extension, leading to a positive SST anomaly in the North Pacific. The atmospheric response to this SST anomaly involves a weakened Aleutian low, and the associated fluxes at the air–sea interface reinforce the initial SST anomaly, so that ocean and atmosphere act as a positive feedback system. The anomalous heat flux, reduced ocean mixing in response to a weakened storm track, and anonmalous Ekman heat transport contribute to this positive feedback. The atmospheric response, however, consists also of a wind stress curl anomaly that spins down the subtropical ocean gyre, thereby reducing the poleward heat transport and the initial SST anomaly. The ocean adjusts with some time lag to the change in the wind stress curl, and it is this transient ocean response that allows continuous oscillations. The transient response can be expressed in terms of baroclinic planetary waves, and the decadal timescale of the oscillation is therefore determined to first order by wave timescales. Advection by the mean currents, however, is not negligible. The existence of such a cycle provides the basis of long-range climate forecasting over North America at decadal timescales. At a minimum, knowledge of the present phase of the decadal mode should allow a “now-cast” of expected climate “bias” over North America, which is equivalent to a climate forecast several years ahead.

The seasonal cycle over the tropical Pacific simulated by 11 coupled ocean–atmosphere general circulation models (GCMs) is examined. Each model consists of a high-resolution ocean GCM of either the tropical Pacific or near-global means coupled to a moderate- or high-resolution atmospheric GCM, without the use of flux correction. The seasonal behavior of sea surface temperature (SST) and eastern Pacific rainfall is presented for each model. The results show that current state-of-the-art coupled GCMs share important successes and troublesome systematic errors. All 11 models are able to simulate the mean zonal gradient in SST at the equator over the central Pacific. The simulated equatorial cold tongue generally tends to be too strong, too narrow, and extend too far west. SSTs are generally too warm in a broad region west of Peru and in a band near 10°S. This is accompanied in some models by a double intertropical convergence zone (ITCZ) straddling the equator over the eastern Pacific, and in others by an ITCZ that migrates across the equator with the seasons; neither behavior is realistic. There is considerable spread in the simulated seasonal cycles of equatorial SST in the eastern Pacific. Some simulations do capture the annual harmonic quite realistically, although the seasonal cold tongue tends to appear prematurely. Others overestimate the amplitude of the semiannual harmonic. Nonetheless, the results constitute a marked improvement over the simulations of only a few years ago when serious climate drift was still widespread and simulated zonal gradients of SST along the equator were often very weak.