A newly developed hybrid-coordinate ocean circulation model is documented and tested. Coordinate surfaces in this model adhere to isopycnals wherever this does not violate minimum layer thickness requirements; elsewhere, coordinate surfaces are geometrically constrained. The intent of this approach, some of whose features are reminiscent of the Arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) technique, is to combine the best features of isopycnic-coordinate and fixed-grid circulation models within a single framework. The hybrid model is an offshoot of the Miami Isopycnic Coordinate Ocean Model whose solutions, obtained under identical geographic and forcing conditions, serve as reference. Century-scale simulations on a coarse-mesh near-global domain show considerable similarities in the modeled thermohaline-forced circulation. Certain architectural details, such as the choice of prognostic thermodynamic variables (ρ,S versus T,S) and the algorithm for moving coordinate surfaces toward their reference isopycnals, are found to only have a minor impact on the solution. Emphasis in this article is on the numerical resiliency of the hybrid coordinate approach. Exploitation of the model's flexible coordinate layout in areas of ocean physics where pure isopycnic coordinate models only have limited options, such as mixed-layer turbulence parameterization, will be the subject of forthcoming articles.

This article provides an overview of the effort centered on the HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) to develop an eddy-resolving, real-time global and basin-scale ocean hindcast, nowcast, and prediction system in the context of the Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE). The main characteristics of HYCOM are first presented, followed by a description and assessment of the present near real-time Atlantic forecasting system. Regional/coastal applications are also discussed since an important attribute of the data assimilative HYCOM simulations is the capability to provide boundary conditions to regional and coastal models. The final section describes the steps taken toward the establishment of the fully global eddy-resolving HYCOM data assimilative system and discusses some of the difficulties associated with advanced data assimilation given the size of the problem.

Abstract We present a description of the ModelE2 version of the Goddard Institute for Space Studies (GISS) General Circulation Model (GCM) and the configurations used in the simulations performed for the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5). We use six variations related to the treatment of the atmospheric composition, the calculation of aerosol indirect effects, and ocean model component. Specifically, we test the difference between atmospheric models that have noninteractive composition, where radiatively important aerosols and ozone are prescribed from precomputed decadal averages, and interactive versions where atmospheric chemistry and aerosols are calculated given decadally varying emissions. The impact of the first aerosol indirect effect on clouds is either specified using a simple tuning, or parameterized using a cloud microphysics scheme. We also use two dynamic ocean components: the Russell and HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) which differ significantly in their basic formulations and grid. Results are presented for the climatological means over the satellite era (1980–2004) taken from transient simulations starting from the preindustrial (1850) driven by estimates of appropriate forcings over the 20th Century. Differences in base climate and variability related to the choice of ocean model are large, indicating an important structural uncertainty. The impact of interactive atmospheric composition on the climatology is relatively small except in regions such as the lower stratosphere, where ozone plays an important role, and the tropics, where aerosol changes affect the hydrological cycle and cloud cover. While key improvements over previous versions of the model are evident, these are not uniform across all metrics.

An isopycnic-coordinate oceanic circulation model formulated with the aim of simulating thermodynamically and mechanically driven flow in realistic basins is presented. Special emphasis is placed on the handling of diabatic surface processes and on thermocline ventilation. The model performance is illustrated by a 30-year spinup run with coarse horizontal resolution (2° mesh) in a domain with North Atlantic topography extending from 10° to 60°N latitude. The vertical structure encompasses 10 isopycnic layers in steps of 0.2 σ units, capped by a thermodynamically active mixed layer. From an initially isohaline state with isopycnals prescribed by zonally averaged climatology, the model is forced by seasonally varying wind stress, radiative and freshwater fluxes, and by a thermal relaxation process at the surface. After a mechanical spinup time of about 15 years, a quasi-stationary pattern of mean circulation and annual variability ensues, characterized by pronounced subtropical mode-water formation and a gradual growth in the salinity contrast between the subtropics and the subpolar region. The effect of the freshwater flux forcing on the ventilation of the thermocline is a key point of discussion. Finally, a low-viscosity experiment suggests that the thermohaline processes represented in the model are quite insensitive to dynamic noise development at the grid resolution limit.

This paper describes the GISS-E2.1 contribution to the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 6 (CMIP6). This model version differs from the predecessor model (GISS-E2) chiefly due to parameterization improvements to the atmospheric and ocean model components, while keeping atmospheric resolution the same. Model skill when compared to modern era climatologies is significantly higher than in previous versions. Additionally, updates in forcings have a material impact on the results. In particular, there have been specific improvements in representations of modes of variability (such as the Madden-Julian Oscillation and other modes in the Pacific) and significant improvements in the simulation of the climate of the Southern Oceans, including sea ice. The effective climate sensitivity to 2 × CO2 is slightly higher than previously at 2.7-3.1°C (depending on version) and is a result of lower CO2 radiative forcing and stronger positive feedbacks.

Abstract : The main objective is to use the HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) with data assimilation in an eddy-resolving, fully global ocean prediction system with transition to the Naval Oceanographic Office (NAVOCEANO) at .08 deg equatorial (~7 km mid-latitude) resolution in 2007 and .04 deg resolution by 2011. The model will include shallow water to a minimum depth of 5 m and provide boundary conditions to finer resolution coastal and regional models that may use HYCOM or a different model. In addition, HYCOM will be coupled to atmospheric, ice and bio-chemical models, with transition to the Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center (FNMOC) for the coupled ocean-atmosphere prediction. Basin-scale configurations will also form the backbone of the NOAA/NCEP/MMAB Ocean Forecast System. All the systems will be transitioned with assimilation of sea surface height (SSH) from satellite altimeters, sea surface temperature (SST) and temperature (T)/salinity (S) profiles, including profiles from ARGO floats. In addition, 30-day forecasts are planned once a week. The global system will include two-way coupling to an ice model and a version with two-way coupling to an atmospheric model for transition to FNMOC. The project will ensure that an accurate and generalized ocean model nesting capability is in place to support regional and littoral applications when global HYCOM becomes operational. This will include the capability to provide boundary conditions to nested models with fixed depth z-level coordinates, terrain following coordinates, generalized coordinates (HYCOM), and unstructured grids. To facilitate this goal, HYCOM will be developed into a full-featured coastal ocean model in collaboration with a partnering project. The project will participate in the multinational Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE) and international GODAE-related ocean prediction system intercomparison projects.

The viability of a generalized (Hybrid) Coordinate Ocean Model (HYCOM), together with the importance of thermobaricity and the choice of reference pressure, is demonstrated by analyzing simulations carried out using the World Ocean Circulation Experiment (WOCE) Community Modeling Experiment (CME) Atlantic basin configuration. The standard hybrid vertical coordinate configuration is designed to remain isopycnic throughout as much of the water column as possible while smoothly making a transition to level (pressure) coordinates in regions with weak vertical density gradients, such as the surface mixed layer, and to terrain-following coordinates in shallow-water regions. Single-coordinate (pressure or density) experiments illustrate the flexibility of the model but also bring forward some of the limitations associated with such a choice. Hybrid experiments with potential density referenced to the surface (σθ) and to 20 MPa (∼2000 m) (σ2) illustrate the increased influence of pressure errors with increasing distance from the reference pressure. The σθ hybrid experiment does not properly reproduce the northward flow of Antarctic Bottom Water (AABW), and large errors in near-surface pressure gradients in the σ2 experiment produce a wind-driven gyre circulation that is too strong, when compared with observations, and a North Atlantic Current that follows an unrealistic path. These near-surface and near-bottom pressure errors are removed when thermobaric effects are included, resulting in a more accurate representation of the upper-ocean gyre circulation, the northward AABW flow near the bottom, and the meridional overturning circulation and heat flux.

Meteorological data are used to investigate the importance of source, transport, and removal factors in the temporal and areal variation of mineral dust concentrations observed in the SEAREX (Sea/Air Exchange Program) Network of aerosol sampling stations over the open Pacific Ocean. Earlier studies established that Asian desert dust is carried out over the ocean by the mid‐latitude westerlies and may be present over the entire North Pacific area. A 6‐year climatology of routine surface meteorological reports of dust in Asia is used to examine the broad maximum in mineral dust concentrations in the months February‐May observed at all the North Pacific sites. The gross features of this seasonal variation are controlled by the occurrence and areal extent of dust outbreaks. Secondary peaks in the frequency of dust storms, in October‐December, correspond to isolated peaks in the dust concentration at the sites closest to the mid‐latitudes. Isentropic trajectory analyses are presented for individual events of peak concentrations supporting earlier indications that the dust transport begins at high elevations over the arid regions and gradually subsides for those parcels which move toward the south. The average transport path for high concentration periods, obtained by superposing trajectory patterns for events over a 6‐year period, is shown to explain the latitudinal variation in the concentrations. Removal by local orographic showers at Oahu is shown to be unimportant, while removal by the intense tropical rainfall near Fanning Island is shown to be a dominant influence on the seasonal variation of concentrations there. Rainfall data at the remote Pacific sites indicate that the 1981–1986 period was generally representative, despite the strong El Niño/Southern Oscillation event which occurred in 1982–1983.

Abstract The Subseasonal Experiment (SubX) is a multimodel subseasonal prediction experiment designed around operational requirements with the goal of improving subseasonal forecasts. Seven global models have produced 17 years of retrospective (re)forecasts and more than a year of weekly real-time forecasts. The reforecasts and forecasts are archived at the Data Library of the International Research Institute for Climate and Society, Columbia University, providing a comprehensive database for research on subseasonal to seasonal predictability and predictions. The SubX models show skill for temperature and precipitation 3 weeks ahead of time in specific regions. The SubX multimodel ensemble mean is more skillful than any individual model overall. Skill in simulating the Madden–Julian oscillation (MJO) and the North Atlantic Oscillation (NAO), two sources of subseasonal predictability, is also evaluated, with skillful predictions of the MJO 4 weeks in advance and of the NAO 2 weeks in advance. SubX is also able to make useful contributions to operational forecast guidance at the Climate Prediction Center. Additionally, SubX provides information on the potential for extreme precipitation associated with tropical cyclones, which can help emergency management and aid organizations to plan for disasters.