When performing density-functional calculations of surfaces using a plane-wave pseudopotential code, it is necessary to embed a slab with two surfaces in a periodic supercell. In many situations, it is desirable to study an asymmetric slab with a net surface dipole density. The periodic boundary conditions imposed on the electrostatic potential then give rise to an artificial electric field across the slab. We present a dipole correction that cancels the artificial field, and show how this correction can be incorporated in the density-functional theory total-energy expression. The results are supported by total-energy calculations of water-molecule layers.

A detailed description of the fourth-generation ECHAM model is presented. Compared to the previous version, ECHAM3, a number of substantial changes have been introduced in both the numerics and physics of the model. These include a semi-Lagrangian transport scheme for water vapour, cloud water and trace substances, a new radiation scheme (ECMWF) with modifications concerning the water vapour continuum, cloud optical properties and greenhouse gases, a new formulation of the vertical diffusion coefficients as functions of turbulent kinetic energy, and a new closure for deep convection based on convective instability instead of moisture convergence. Minor changes concern the parameterizations of horizontal diffusion, stratiform clouds and land surface processes. Also, a new dataset of land surface parameters have been compiled for the new model. The climatology of the model, derived from two extended AMIP simulations at T42L19 resolution, is documented and compared with ECMWF operational analyses. Some of the biases noted for the previous model version remain virtually unchanged. For example, the polar upper troposphere and lower stratosphere is much too cold, and the zonal wind errors become very large above the 200 hPa level. Furthermore, the low-frequency variability is still too small but the errors are reduced by about 50% compared to ECHAM3.

Abstract Extratropical and tropical transient storm tracks are investigated from the perspective of feature tracking in the ECHAM5 coupled climate model for the current and a future climate scenario. The atmosphere-only part of the model, forced by observed boundary conditions, produces results that agree well with analyses from the 40-yr ECMWF Re-Analysis (ERA-40), including the distribution of storms as a function of maximum intensity. This provides the authors with confidence in the use of the model for the climate change experiments. The statistical distribution of storm intensities is virtually preserved under climate change using the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Special Report on Emissions Scenarios (SRES) A1B scenario until the end of this century. There are no indications in this study of more intense storms in the future climate, either in the Tropics or extratropics, but rather a minor reduction in the number of weaker storms. However, significant changes occur on a regional basis in the location and intensity of storm tracks. There is a clear poleward shift in the Southern Hemisphere with consequences of reduced precipitation for several areas, including southern Australia. Changes in the Northern Hemisphere are less distinct, but there are also indications of a poleward shift, a weakening of the Mediterranean storm track, and a strengthening of the storm track north of the British Isles. The tropical storm tracks undergo considerable changes including a weakening in the Atlantic sector and a strengthening and equatorward shift in the eastern Pacific. It is suggested that some of the changes, in particular the tropical ones, are due to an SST warming maximum in the eastern Pacific. The shift in the extratropical storm tracks is shown to be associated with changes in the zonal SST gradient in particular for the Southern Hemisphere.

The transient response of the climate system to anomalously large freshwater input to the high latitude seas is examined using the newly developed Bergen Climate Model.A 150-yr twin-experiment has been carried out, consisting of a control and a freshwater integration.In the freshwater integration, the freshwater input to the Arctic Ocean and the Nordic Seas is artificially increased by a factor of 3, or to levels comparable to those found during the last deglaciation.The obtained response shows a reduced maximum strength of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) over the first 50 yr of about 6 Sv (1 Sv =10 6 m 3 s -1 ), followed by a gradual recovery to a level comparable to the control integration at the end of the period.The weakened AMOC in the freshwater integration is caused by reduced deep-water formation rates in the North Atlantic subpolar gyre and in the Nordic Seas, and by a reduced southward flow of intermediate water masses through the Fram Strait.The recovery of the AMOC is caused by an increased basin-scale upwelling in the Atlantic Ocean of about 1 Sv, northward transport of saline waters originating from the western tropical North Atlantic, and a surface wind field maintaining the inflow of Atlantic Water to the Nordic Seas between the Faroes and Scotland.Associated with the build-up of more saline waters in the western tropical North Atlantic, a warming of ∼0.6 • C over the uppermost 1000 m of the water column is obtained in this region.This finding is consistent with paleo records during the last deglaciation showing that the tropics warmed when the high latitudes cooled in periods with reduced AMOC.Furthermore, the results support the presence of a coupled North-Atlantic-Oscillation-like atmosphere-sea-ice-ocean response mode triggered by the anomalous freshwater input.Throughout most of the freshwater integration, the atmospheric circulation is characterized by anomalously low sea level pressure in the Nordic Seas and anomalously high sea level pressure over Spain.This forces the North Atlantic Drift to follow a more easterly path in the freshwater integration than in the control integration, giving an asymmetric sea surface temperature response in the northern North Atlantic, and thereby maintaining the properties of the Atlantic Water entering the Nordic Seas between the Faroes and Scotland throughout the freshwater integration.

Several global quantities are computed from the ERA40 reanalysis for the period 1958–2001 and explored for trends. These are discussed in the context of changes to the global observing system. Temperature, integrated water vapor (IWV), and kinetic energy are considered. The ERA40 global mean temperature in the lower troposphere has a trend of +0.11 K per decade over the period of 1979–2001, which is slightly higher than the MSU measurements, but within the estimated error limit. For the period 1958–2001 the warming trend is 0.14 K per decade but this is likely to be an artifact of changes in the observing system. When this is corrected for, the warming trend is reduced to 0.10 K per decade. The global trend in IWV for the period 1979–2001 is +0.36 mm per decade. This is about twice as high as the trend determined from the Clausius‐Clapeyron relation assuming conservation of relative humidity. It is also larger than results from free climate model integrations driven by the same observed sea surface temperature as used in ERA40. It is suggested that the large trend in IWV does not represent a genuine climate trend but an artifact caused by changes in the global observing system such as the use of SSM/I and more satellite soundings in later years. Recent results are in good agreement with GPS measurements. The IWV trend for the period 1958–2001 is still higher but reduced to +0.16 mm per decade when corrected for changes in the observing systems. Total kinetic energy shows an increasing global trend. Results from data assimilation experiments strongly suggest that this trend is also incorrect and mainly caused by the huge changes in the global observing system in 1979. When this is corrected for, no significant change in global kinetic energy from 1958 onward can be found.

The time-dependent climate response to changing concentrations of greenhouse gases and sulfate aerosols is studied using a coupled general circulation model of the atmosphere and the ocean (ECHAM4/OPYC3). The concentrations of the well-mixed greenhouse gases like CO2, CH4, N2O, and CFCs are prescribed for the past (1860–1990) and projected into the future according to International Panel on Climate Change (IPCC) scenario IS92a. In addition, the space–time distribution of tropospheric ozone is prescribed, and the tropospheric sulfur cycle is calculated within the coupled model using sulfur emissions of the past and projected into the future (IS92a). The radiative impact of the aerosols is considered via both the direct and the indirect (i.e., through cloud albedo) effect. It is shown that the simulated trend in sulfate deposition since the end of the last century is broadly consistent with ice core measurements, and the calculated radiative forcings from preindustrial to present time are within the uncertainty range estimated by IPCC. Three climate perturbation experiments are performed, applying different forcing mechanisms, and the results are compared with those obtained from a 300-yr unforced control experiment. As in previous experiments, the climate response is similar, but weaker, if aerosol effects are included in addition to greenhouse gases. One notable difference to previous experiments is that the strength of the Indian summer monsoon is not fundamentally affected by the inclusion of aerosol effects. Although the monsoon is damped compared to a greenhouse gas only experiment, it is still more vigorous than in the control experiment. This different behavior, compared to previous studies, is the result of the different land–sea distribution of aerosol forcing. Somewhat unexpected, the intensity of the global hydrological cycle becomes weaker in a warmer climate if both direct and indirect aerosol effects are included in addition to the greenhouse gases. This can be related to anomalous net radiative cooling of the earth's surface through aerosols, which is balanced by reduced turbulent transfer of both sensible and latent heat from the surface to the atmosphere.

Tropical cyclones (TC) under different climate conditions in the Northern Hemisphere have been investigated with the Max Planck Institute (MPI) coupled (ECHAM5/MPI-OM) and atmosphere (ECHAM5) climate models. The intensity and size of the TC depend crucially on resolution with higher wind speed and smaller scales at the higher resolutions. The typical size of the TC is reduced by a factor of 2.3 from T63 to T319 using the distance of the maximum wind speed from the centre of the storm as a measure. The full three-dimensional structure of the storms becomes increasingly more realistic as the resolution is increased.For the T63 resolution, three ensemble runs are explored for the period 1860 until 2100 using the IPCC SRES scenario A1B and evaluated for three 30 yr periods at the end of the 19th, 20th and 21st century, respectively. While there is no significant change between the 19th and the 20th century, there is a considerable reduction in the number of the TC by some 20% in the 21st century, but no change in the number of the more intense storms. Reduction in the number of storms occurs in all regions. A single additional experiment at T213 resolution was run for the two latter 30-yr periods. The T213 is an atmospheric only experiment using the transient sea surface temperatures (SST) of the T63 resolution experiment. Also in this case, there is a reduction by some 10% in the number of simulated TC in the 21st century compared to the 20th century but a marked increase in the number of intense storms. The number of storms with maximum wind speeds greater than 50 m s−1 increases by a third. Most of the intensification takes place in the Eastern Pacific and in the Atlantic where also the number of storms more or less stays the same.We identify two competing processes effecting TC in a warmer climate. First, the increase in the static stability and the reduced vertical circulation is suggested to contribute to the reduction in the number of storms. Second, the increase in temperature and water vapour provide more energy for the storms so that when favourable conditions occur, the higher SST and higher specific humidity will contribute to more intense storms. As the maximum intensity depends crucially on resolution, this will require higher resolution to have its full effect. The distribution of storms between different regions does not, at first approximation, depend on the temperature itself but on the distribution of the SST anomalies and their influence on the atmospheric circulation.Two additional transient experiments at T319 resolution where run for 20 yr at the end of the 20th and 21st century, respectively, using the same conditions as in the T213 experiments. The results are consistent with the T213 study. The total number of TC were similar to the T213 experiment but were generally more intense. The change from the 20th to the 21st century was also similar with fewer TC in total but with more intense cyclones.

Abstract Extratropical cyclones and how they may change in a warmer climate have been investigated in detail with a high-resolution version of the ECHAM5 global climate model. A spectral resolution of T213 (63 km) is used for two 32-yr periods at the end of the twentieth and twenty-first centuries and integrated for the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) A1B scenario. Extremes of pressure, vorticity, wind, and precipitation associated with the cyclones are investigated and compared with a lower-resolution simulation. Comparison with observations of extreme wind speeds indicates that the model reproduces realistic values. This study also investigates the ability of the model to simulate extratropical cyclones by computing composites of intense storms and contrasting them with the same composites from the 40-yr ECMWF Re-Analysis (ERA-40). Composites of the time evolution of intense cyclones are reproduced with great fidelity; in particular the evolution of central surface pressure is almost exactly replicated, but vorticity, maximum wind speed, and precipitation are higher in the model. Spatial composites also show that the distributions of pressure, winds, and precipitation at different stages of the cyclone life cycle compare well with those from ERA-40, as does the vertical structure. For the twenty-first century, changes in the distribution of storms are very similar to those of previous study. There is a small reduction in the number of cyclones but no significant changes in the extremes of wind and vorticity in both hemispheres. There are larger regional changes in agreement with previous studies. The largest changes are in the total precipitation, where a significant increase is seen. Cumulative precipitation along the tracks of the cyclones increases by some 11% per track, or about twice the increase in global precipitation, while the extreme precipitation is close to the globally averaged increase in column water vapor (some 27%). Regionally, changes in extreme precipitation are even higher because of changes in the storm tracks.

The huge warming of the Arctic that started in the early 1920s and lasted for almost two decades is one of the most spectacular climate events of the twentieth century. During the peak period 1930–40, the annually averaged temperature anomaly for the area 60°–90°N amounted to some 1.7°C. Whether this event is an example of an internal climate mode or is externally forced, such as by enhanced solar effects, is presently under debate. This study suggests that natural variability is a likely cause, with reduced sea ice cover being crucial for the warming. A robust sea ice–air temperature relationship was demonstrated by a set of four simulations with the atmospheric ECHAM model forced with observed SST and sea ice concentrations. An analysis of the spatial characteristics of the observed early twentieth-century surface air temperature anomaly revealed that it was associated with similar sea ice variations. Further investigation of the variability of Arctic surface temperature and sea ice cover was performed by analyzing data from a coupled ocean–atmosphere model. By analyzing climate anomalies in the model that are similar to those that occurred in the early twentieth century, it was found that the simulated temperature increase in the Arctic was related to enhanced wind-driven oceanic inflow into the Barents Sea with an associated sea ice retreat. The magnitude of the inflow is linked to the strength of westerlies into the Barents Sea. This study proposes a mechanism sustaining the enhanced westerly winds by a cyclonic atmospheric circulation in the Barents Sea region created by a strong surface heat flux over the ice-free areas. Observational data suggest a similar series of events during the early twentieth-century Arctic warming, including increasing westerly winds between Spitsbergen and Norway, reduced sea ice, and enhanced cyclonic circulation over the Barents Sea. At the same time, the North Atlantic Oscillation was weakening.

Extratropical cyclones are identified and compared using data from four recent reanalyses for the winter periods in both hemispheres. Results show the largest differences occur between the older lower resolution 25-yr Japanese Reanalysis (JRA-25) when compared with the newer high resolution reanalyses, particularly in the Southern Hemisphere (SH). Spatial differences between the newest reanalyses are small in both hemispheres and generally not significant except in some common regions associated with cyclogenesis close to orography. Differences in the cyclone maximum intensitites are generally related to spatial resolution except in the NASA Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications (NASA MERRA), which has larger intensities for several different measures. Matching storms between reanalyses shows the number matched between the ECMWF Interim Re-Analysis (ERA-Interim) and the other reanalyses is similar in the Northern Hemisphere (NH). In the SH the number matched between JRA-25 and ERA-Interim is lower than in the NH; however, for NASA MERRA and the NCEP Climate Forecast System Reanalysis (NCEP CFSR), the number matched is similar to the NH. The mean separation of the identically same cyclones is typically less than 2° geodesic in both hemispheres for the latest reanalyses, whereas JRA-25 compared with the other reanalyses has a broader distribution in the SH, indicating greater uncertainty. The instantaneous intensity differences for matched storms shows narrow distributions for pressure, while for winds and vorticity the distributions are much broader, indicating larger uncertainty typical of smaller-scale fields. Composite cyclone diagnostics show that cyclones are very similar between the reanalyses, with differences being related to the intensities, consistent with the intensity results. Overall, results show NH cyclones correspond well between reanalyses, with a significant improvement in the SH for the latest reanalyses, indicating a convergence between reanalyses for cyclone properties.