Canadian middle atmosphere model: Preliminary results from the chemical transport module

Abstract

Abstract An important objective of middle atmosphere global climate modelling is the development of the capability of predicting the response of the middle atmosphere to natural or anthropogenic perturbations. To achieve this, a comprehensive chemistry package interactively coupled with radiative and dynamical modules is required. This paper presents preliminary results obtained with a photochemistry module which has been incorporated in the Canadian Middle Atmosphere Model (CMAM). The module contains 42 species including necessary oxygen, hydrogen, nitrogen, chlorine, bromine and methane oxidation cycle species. Photochemical balance equations are solved on‐line throughout the middle atmosphere at every dynamical time step. A full diurnal cycle is simulated with photolysis rates provided by a look‐up table. The chemistry solver is a mass conserving, fully implicit, backward difference scheme which currently uses less than 10% of the GCM run time. We present the results obtained from short integrations and compare them with UARS measurements. The model ozone distribution appears in quantitative agreement with observations showing peak values near 10 ppmv and confined to the 35‐km region. The abundance of nitrogen, chlorine, bromine oxides and their respective contributions to the overall ozone budget is realistic. The study illustrates the capability of the model to simulate middle atmosphere photochemistry for the disparate conditions occurring throughout the region. Résumé Un important objectif de modélisation du climat planétaire de l'atmosphère moyenne est de développer notre capacité de prédire sa réaction à des perturbations naturelles ou anthropiques. Pour y arriver, on utilise un module photochimique incorporant un ensemble complet d'équations d'équilibre photochimiques en interaction avec des modules radiatif et dynamique. Cet article fait l'objet de résultats préliminaires obtenus suite à l'incorporation d'un tel module dans le Modèle Canadien de l'Atmosphère Moyenne (MCAM). Ce module photochimique inclut 42 éléments dont l'oxygène, l'hydrogène, des nitrates, chlorures, bromures et certaines substances apparaissant lors du cycle de l'oxydation du méthane. Les équations d'équilibre photochimiques sont résolues à chaque pas de temps dynamique en mode simultané partout dans l'atmosphère moyenne. Un cycle diurne complet est simulé par l'utilisation de taux de photodissociation lus à partir de tables calculées antérieurement. La méthode utilisée pour solutionner les équations d'équilibre photochimiques emploie un schéma de rétrodifférentiation entièrement implicite qui assure la conservation de la masse des éléments et qui utilise moins de 10 % de temps d'exécution du MCG. Les résultats présentés proviennent de courtes intégrations du modèle et sont comparés avec les mesures du SRHA. La distribution du champ d'ozone obtenu du modèle apparaît en accord quantitatif aux observations et montre des valeurs maximales près de 10 ppmv confinées autour de 35 km. L'abondance de nitrates, chlorures et bromures dans cette région ainsi que leur contribution respective au budget global de l'ozone apparaît réaliste. L'étude montre la capacité du modèle de simuler la photochimie de l'ozone dans les conditions disparates de l'atmosphère moyenne.