Cloud drop condensation nuclei (CCN) and ice nuclei (IN) particles determine to a large extent cloud microstructure and, consequently, cloud albedo and the dynamic response of clouds to aerosol-induced changes to precipitation. This can modify the reflected solar radiation and the thermal radiation emitted to space. Measurements of tropospheric CCN and IN over large areas have not been possible and can be only roughly approximated from satellite-sensor-based estimates of optical properties of aerosols. Our lack of ability to measure both CCN and cloud updrafts precludes disentangling the effects of meteorology from those of aerosols and represents the largest component in our uncertainty in anthropogenic climate forcing. Ways to improve the retrieval accuracy include multiangle and multipolarimetric passive measurements of the optical signal and multispectral lidar polarimetric measurements. Indirect methods include proxies of trace gases, as retrieved by hyperspectral sensors. Perhaps the most promising emerging direction is retrieving the CCN properties by simultaneously retrieving convective cloud drop number concentrations and updraft speeds, which amounts to using clouds as natural CCN chambers. These satellite observations have to be constrained by in situ observations of aerosol-cloud-precipitation-climate (ACPC) interactions, which in turn constrain a hierarchy of model simulations of ACPC. Since the essence of a general circulation model is an accurate quantification of the energy and mass fluxes in all forms between the surface, atmosphere and outer space, a route to progress is proposed here in the form of a series of box flux closure experiments in the various climate regimes. A roadmap is provided for quantifying the ACPC interactions and thereby reducing the uncertainty in anthropogenic climate forcing.

Abstract. Aerosol indirect effects continue to constitute one of the most important uncertainties for anthropogenic climate perturbations. Within the international AEROCOM initiative, the representation of aerosol-cloud-radiation interactions in ten different general circulation models (GCMs) is evaluated using three satellite datasets. The focus is on stratiform liquid water clouds since most GCMs do not include ice nucleation effects, and none of the model explicitly parameterises aerosol effects on convective clouds. We compute statistical relationships between aerosol optical depth (τa) and various cloud and radiation quantities in a manner that is consistent between the models and the satellite data. It is found that the model-simulated influence of aerosols on cloud droplet number concentration (Nd) compares relatively well to the satellite data at least over the ocean. The relationship between τa and liquid water path is simulated much too strongly by the models. This suggests that the implementation of the second aerosol indirect effect mainly in terms of an autoconversion parameterisation has to be revisited in the GCMs. A positive relationship between total cloud fraction (fcld) and τa as found in the satellite data is simulated by the majority of the models, albeit less strongly than that in the satellite data in most of them. In a discussion of the hypotheses proposed in the literature to explain the satellite-derived strong fcld–τa relationship, our results indicate that none can be identified as a unique explanation. Relationships similar to the ones found in satellite data between τa and cloud top temperature or outgoing long-wave radiation (OLR) are simulated by only a few GCMs. The GCMs that simulate a negative OLR–τa relationship show a strong positive correlation between τa and fcld. The short-wave total aerosol radiative forcing as simulated by the GCMs is strongly influenced by the simulated anthropogenic fraction of τa, and parameterisation assumptions such as a lower bound on Nd. Nevertheless, the strengths of the statistical relationships are good predictors for the aerosol forcings in the models. An estimate of the total short-wave aerosol forcing inferred from the combination of these predictors for the modelled forcings with the satellite-derived statistical relationships yields a global annual mean value of −1.5±0.5 Wm−2. In an alternative approach, the radiative flux perturbation due to anthropogenic aerosols can be broken down into a component over the cloud-free portion of the globe (approximately the aerosol direct effect) and a component over the cloudy portion of the globe (approximately the aerosol indirect effect). An estimate obtained by scaling these simulated clear- and cloudy-sky forcings with estimates of anthropogenic τa and satellite-retrieved Nd–τa regression slopes, respectively, yields a global, annual-mean aerosol direct effect estimate of −0.4±0.2 Wm−2 and a cloudy-sky (aerosol indirect effect) estimate of −0.7±0.5 Wm−2, with a total estimate of −1.2±0.4 Wm−2.

Abstract. This paper presents a summary of the work done within the European Union's Seventh Framework Programme project ECLIPSE (Evaluating the Climate and Air Quality Impacts of Short-Lived Pollutants). ECLIPSE had a unique systematic concept for designing a realistic and effective mitigation scenario for short-lived climate pollutants (SLCPs; methane, aerosols and ozone, and their precursor species) and quantifying its climate and air quality impacts, and this paper presents the results in the context of this overarching strategy. The first step in ECLIPSE was to create a new emission inventory based on current legislation (CLE) for the recent past and until 2050. Substantial progress compared to previous work was made by including previously unaccounted types of sources such as flaring of gas associated with oil production, and wick lamps. These emission data were used for present-day reference simulations with four advanced Earth system models (ESMs) and six chemistry transport models (CTMs). The model simulations were compared with a variety of ground-based and satellite observational data sets from Asia, Europe and the Arctic. It was found that the models still underestimate the measured seasonality of aerosols in the Arctic but to a lesser extent than in previous studies. Problems likely related to the emissions were identified for northern Russia and India, in particular. To estimate the climate impacts of SLCPs, ECLIPSE followed two paths of research: the first path calculated radiative forcing (RF) values for a large matrix of SLCP species emissions, for different seasons and regions independently. Based on these RF calculations, the Global Temperature change Potential metric for a time horizon of 20 years (GTP20) was calculated for each SLCP emission type. This climate metric was then used in an integrated assessment model to identify all emission mitigation measures with a beneficial air quality and short-term (20-year) climate impact. These measures together defined a SLCP mitigation (MIT) scenario. Compared to CLE, the MIT scenario would reduce global methane (CH4) and black carbon (BC) emissions by about 50 and 80 %, respectively. For CH4, measures on shale gas production, waste management and coal mines were most important. For non-CH4 SLCPs, elimination of high-emitting vehicles and wick lamps, as well as reducing emissions from gas flaring, coal and biomass stoves, agricultural waste, solvents and diesel engines were most important. These measures lead to large reductions in calculated surface concentrations of ozone and particulate matter. We estimate that in the EU, the loss of statistical life expectancy due to air pollution was 7.5 months in 2010, which will be reduced to 5.2 months by 2030 in the CLE scenario. The MIT scenario would reduce this value by another 0.9 to 4.3 months. Substantially larger reductions due to the mitigation are found for China (1.8 months) and India (11–12 months). The climate metrics cannot fully quantify the climate response. Therefore, a second research path was taken. Transient climate ensemble simulations with the four ESMs were run for the CLE and MIT scenarios, to determine the climate impacts of the mitigation. In these simulations, the CLE scenario resulted in a surface temperature increase of 0.70 ± 0.14 K between the years 2006 and 2050. For the decade 2041–2050, the warming was reduced by 0.22 ± 0.07 K in the MIT scenario, and this result was in almost exact agreement with the response calculated based on the emission metrics (reduced warming of 0.22 ± 0.09 K). The metrics calculations suggest that non-CH4 SLCPs contribute ~ 22 % to this response and CH4 78 %. This could not be fully confirmed by the transient simulations, which attributed about 90 % of the temperature response to CH4 reductions. Attribution of the observed temperature response to non-CH4 SLCP emission reductions and BC specifically is hampered in the transient simulations by small forcing and co-emitted species of the emission basket chosen. Nevertheless, an important conclusion is that our mitigation basket as a whole would lead to clear benefits for both air quality and climate. The climate response from BC reductions in our study is smaller than reported previously, possibly because our study is one of the first to use fully coupled climate models, where unforced variability and sea ice responses cause relatively strong temperature fluctuations that may counteract (and, thus, mask) the impacts of small emission reductions. The temperature responses to the mitigation were generally stronger over the continents than over the oceans, and with a warming reduction of 0.44 K (0.39–0.49) K the largest over the Arctic. Our calculations suggest particularly beneficial climate responses in southern Europe, where surface warming was reduced by about 0.3 K and precipitation rates were increased by about 15 (6–21) mm yr−1 (more than 4 % of total precipitation) from spring to autumn. Thus, the mitigation could help to alleviate expected future drought and water shortages in the Mediterranean area. We also report other important results of the ECLIPSE project.

The main uncertainty in anthropogenic forcing of the Earth's climate stems from pollution aerosols, particularly their “indirect effect” whereby aerosols modify cloud properties. We develop a new methodology to derive a measurement‐based estimate using almost exclusively information from an Earth radiation budget instrument (CERES) and a radiometer (MODIS). We derive a statistical relationship between planetary albedo and cloud properties, and, further, between the cloud properties and column aerosol concentration. Combining these relationships with a data set of satellite‐derived anthropogenic aerosol fraction, we estimate an anthropogenic radiative forcing of −0.9 ± 0.4 Wm −2 for the aerosol direct effect and of −0.2 ± 0.1 Wm −2 for the cloud albedo effect. Because of uncertainties in both satellite data and the method, the uncertainty of this result is likely larger than the values given here which correspond only to the quantifiable error estimates. The results nevertheless indicate that current global climate models may overestimate the cloud albedo effect.

Abstract. This paper introduces and evaluates the second version of the global aerosol-climate model ECHAM-HAM. Major changes have been brought into the model, including new parameterizations for aerosol nucleation and water uptake, an explicit treatment of secondary organic aerosols, modified emission calculations for sea salt and mineral dust, the coupling of aerosol microphysics to a two-moment stratiform cloud microphysics scheme, and alternative wet scavenging parameterizations. These revisions extend the model's capability to represent details of the aerosol lifecycle and its interaction with climate. Nudged simulations of the year 2000 are carried out to compare the aerosol properties and global distribution in HAM1 and HAM2, and to evaluate them against various observations. Sensitivity experiments are performed to help identify the impact of each individual update in model formulation. Results indicate that from HAM1 to HAM2 there is a marked weakening of aerosol water uptake in the lower troposphere, reducing the total aerosol water burden from 75 Tg to 51 Tg. The main reason is the newly introduced κ-Köhler-theory-based water uptake scheme uses a lower value for the maximum relative humidity cutoff. Particulate organic matter loading in HAM2 is considerably higher in the upper troposphere, because the explicit treatment of secondary organic aerosols allows highly volatile oxidation products of the precursors to be vertically transported to regions of very low temperature and to form aerosols there. Sulfate, black carbon, particulate organic matter and mineral dust in HAM2 have longer lifetimes than in HAM1 because of weaker in-cloud scavenging, which is in turn related to lower autoconversion efficiency in the newly introduced two-moment cloud microphysics scheme. Modification in the sea salt emission scheme causes a significant increase in the ratio (from 1.6 to 7.7) between accumulation mode and coarse mode emission fluxes of aerosol number concentration. This leads to a general increase in the number concentration of smaller particles over the oceans in HAM2, as reflected by the higher Ångström parameters. Evaluation against observation reveals that in terms of model performance, main improvements in HAM2 include a marked decrease of the systematic negative bias in the absorption aerosol optical depth, as well as smaller biases over the oceans in Ångström parameter and in the accumulation mode number concentration. The simulated geographical distribution of aerosol optical depth (AOD) is better correlated with the MODIS data, while the surface aerosol mass concentrations are very similar to those in the old version. The total aerosol water content in HAM2 is considerably closer to the multi-model average from Phase I of the AeroCom intercomparison project. Model deficiencies that require further efforts in the future include (i) positive biases in AOD over the ocean, (ii) negative biases in AOD and aerosol mass concentration in high-latitude regions, and (iii) negative biases in particle number concentration, especially that of the Aitken mode, in the lower troposphere in heavily polluted regions.

Abstract Clouds play an important role in Arctic amplification. This term represents the recently observed enhanced warming of the Arctic relative to the global increase of near-surface air temperature. However, there are still important knowledge gaps regarding the interplay between Arctic clouds and aerosol particles, and surface properties, as well as turbulent and radiative fluxes that inhibit accurate model simulations of clouds in the Arctic climate system. In an attempt to resolve this so-called Arctic cloud puzzle, two comprehensive and closely coordinated field studies were conducted: the Arctic Cloud Observations Using Airborne Measurements during Polar Day (ACLOUD) aircraft campaign and the Physical Feedbacks of Arctic Boundary Layer, Sea Ice, Cloud and Aerosol (PASCAL) ice breaker expedition. Both observational studies were performed in the framework of the German Arctic Amplification: Climate Relevant Atmospheric and Surface Processes, and Feedback Mechanisms (AC)3 project. They took place in the vicinity of Svalbard, Norway, in May and June 2017. ACLOUD and PASCAL explored four pieces of the Arctic cloud puzzle: cloud properties, aerosol impact on clouds, atmospheric radiation, and turbulent dynamical processes. The two instrumented Polar 5 and Polar 6 aircraft; the icebreaker Research Vessel (R/V) Polarstern ; an ice floe camp including an instrumented tethered balloon; and the permanent ground-based measurement station at Ny-Ålesund, Svalbard, were employed to observe Arctic low- and mid-level mixed-phase clouds and to investigate related atmospheric and surface processes. The Polar 5 aircraft served as a remote sensing observatory examining the clouds from above by downward-looking sensors; the Polar 6 aircraft operated as a flying in situ measurement laboratory sampling inside and below the clouds. Most of the collocated Polar 5/6 flights were conducted either above the R/V Polarstern or over the Ny-Ålesund station, both of which monitored the clouds from below using similar but upward-looking remote sensing techniques as the Polar 5 aircraft. Several of the flights were carried out underneath collocated satellite tracks. The paper motivates the scientific objectives of the ACLOUD/PASCAL observations and describes the measured quantities, retrieved parameters, and the applied complementary instrumentation. Furthermore, it discusses selected measurement results and poses critical research questions to be answered in future papers analyzing the data from the two field campaigns.

Abstract A climatology of thermodynamic phase of precipitating cloud is presented derived from global—land and ocean—, retrievals from Cloudsat, CALIPSO, and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer. Like precipitation rate, precipitation frequency is dominated by warm rain, defined as rain produced via the liquid phase only, over the tropical oceans outside the Intertropical Convergence Zone and by cold rain, produced via the ice phase, over the midlatitude oceans and continents. Warm rain is very infrequent over the continents, with significant warm rain found only in onshore flow in the tropics, and over India, China, and Indochina. Comparison of the properties of precipitating and nonprecipitating warm clouds shows that the scarcity of warm rain over land can be explained by smaller effective radii in continental clouds that delay the onset of precipitation. The results highlight the importance of ice‐phase processes for the global hydrological cycle and may lead to an improved parameterization of precipitation in general circulation models.

Abstract The profound changes in global SO 2 emissions over the last decades have affected atmospheric composition on a regional and global scale with large impact on air quality, atmospheric deposition and the radiative forcing of sulfate aerosols. Reproduction of historical atmospheric pollution levels based on global aerosol models and emission changes is crucial to prove that such models are able to predict future scenarios. Here, we analyze consistency of trends in observations of sulfur components in air and precipitation from major regional networks and estimates from six different global aerosol models from 1990 until 2015. There are large interregional differences in the sulfur trends consistently captured by the models and observations, especially for North America and Europe. Europe had the largest reductions in sulfur emissions in the first part of the period while the highest reduction came later in North America and East Asia. The uncertainties in both the emissions and the representativity of the observations are larger in Asia. However, emissions from East Asia clearly increased from 2000 to 2005 followed by a decrease, while in India a steady increase over the whole period has been observed and modelled. The agreement between a bottom-up approach, which uses emissions and process-based chemical transport models, with independent observations gives an improved confidence in the understanding of the atmospheric sulfur budget.

Large‐eddy simulations (LES) with the new ICOsahedral Non‐hydrostatic atmosphere model (ICON) covering Germany are evaluated for four days in spring 2013 using observational data from various sources. Reference simulations with the established Consortium for Small‐scale Modelling (COSMO) numerical weather prediction model and further standard LES codes are performed and used as a reference. This comprehensive evaluation approach covers multiple parameters and scales, focusing on boundary‐layer variables, clouds and precipitation. The evaluation points to the need to work on parametrizations influencing the surface energy balance, and possibly on ice cloud microphysics. The central purpose for the development and application of ICON in the LES configuration is the use of simulation results to improve the understanding of moist processes, as well as their parametrization in climate models. The evaluation thus aims at building confidence in the model's ability to simulate small‐ to mesoscale variability in turbulence, clouds and precipitation. The results are encouraging: the high‐resolution model matches the observed variability much better at small‐ to mesoscales than the coarser resolved reference model. In its highest grid resolution, the simulated turbulence profiles are realistic and column water vapour matches the observed temporal variability at short time‐scales. Despite being somewhat too large and too frequent, small cumulus clouds are well represented in comparison with satellite data, as is the shape of the cloud size spectrum. Variability of cloud water matches the satellite observations much better in ICON than in the reference model. In this sense, it is concluded that the model is fit for the purpose of using its output for parametrization development, despite the potential to improve further some important aspects of processes that are also parametrized in the high‐resolution model.

Abstract Aerosol‐cloud interactions have the potential to modify many different cloud properties. There is significant uncertainty in the strength of these aerosol‐cloud interactions in analyses of observational data, partly due to the difficulty in separating aerosol effects on clouds from correlations generated by local meteorology. The relationship between aerosol and cloud fraction (CF) is particularly important to determine, due to the strong correlation of CF to other cloud properties and its large impact on radiation. It has also been one of the hardest to quantify from satellites due to the strong meteorological covariations involved. This work presents a new method to analyze the relationship between aerosol optical depth (AOD) and CF. By including information about the cloud droplet number concentration (CDNC), the impact of the meteorological covariations is significantly reduced. This method shows that much of the AOD‐CF correlation is explained by relationships other than that mediated by CDNC. By accounting for these, the strength of the global mean AOD‐CF relationship is reduced by around 80%. This suggests that the majority of the AOD‐CF relationship is due to meteorological covariations, especially in the shallow cumulus regime. Requiring CDNC to mediate the AOD‐CF relationship implies an effective anthropogenic radiative forcing from an aerosol influence on liquid CF of −0.48 W m −2 (−0.1 to −0.64 W m −2 ), although some uncertainty remains due to possible biases in the CDNC retrievals in broken cloud scenes.