Abstract. Simulation results of global aerosol models have been assembled in the framework of the AeroCom intercomparison exercise. In this paper, we analyze the life cycles of dust, sea salt, sulfate, black carbon and particulate organic matter as simulated by sixteen global aerosol models. The differences among the results (model diversities) for sources and sinks, burdens, particle sizes, water uptakes, and spatial dispersals have been established. These diversities have large consequences for the calculated radiative forcing and the aerosol concentrations at the surface. Processes and parameters are identified which deserve further research. The AeroCom all-models-average emissions are dominated by the mass of sea salt (SS), followed by dust (DU), sulfate (SO4), particulate organic matter (POM), and finally black carbon (BC). Interactive parameterizations of the emissions and contrasting particles sizes of SS and DU lead generally to higher diversities of these species, and for total aerosol. The lower diversity of the emissions of the fine aerosols, BC, POM, and SO4, is due to the use of similar emission inventories, and does therefore not necessarily indicate a better understanding of their sources. The diversity of SO4-sources is mainly caused by the disagreement on depositional loss of precursor gases and on chemical production. The diversities of the emissions are passed on to the burdens, but the latter are also strongly affected by the model-specific treatments of transport and aerosol processes. The burdens of dry masses decrease from largest to smallest: DU, SS, SO4, POM, and BC. The all-models-average residence time is shortest for SS with about half a day, followed by SO4 and DU with four days, and POM and BC with six and seven days, respectively. The wet deposition rate is controlled by the solubility and increases from DU, BC, POM to SO4 and SS. It is the dominant sink for SO4, BC, and POM, and contributes about one third to the total removal of SS and DU species. For SS and DU we find high diversities for the removal rate coefficients and deposition pathways. Models do neither agree on the split between wet and dry deposition, nor on that between sedimentation and other dry deposition processes. We diagnose an extremely high diversity for the uptake of ambient water vapor that influences the particle size and thus the sink rate coefficients. Furthermore, we find little agreement among the model results for the partitioning of wet removal into scavenging by convective and stratiform rain. Large differences exist for aerosol dispersal both in the vertical and in the horizontal direction. In some models, a minimum of total aerosol concentration is simulated at the surface. Aerosol dispersal is most pronounced for SO4 and BC and lowest for SS. Diversities are higher for meridional than for vertical dispersal, they are similar for the individual species and highest for SS and DU. For these two components we do not find a correlation between vertical and meridional aerosol dispersal. In addition the degree of dispersals of SS and DU is not related to their residence times. SO4, BC, and POM, however, show increased meridional dispersal in models with larger vertical dispersal, and dispersal is larger for longer simulated residence times.

Abstract. This manuscript describes the energy and water components of a new community land surface model called the Joint UK Land Environment Simulator (JULES). This is developed from the Met Office Surface Exchange Scheme (MOSES). It can be used as a stand alone land surface model driven by observed forcing data, or coupled to an atmospheric global circulation model. The JULES model has been coupled to the Met Office Unified Model (UM) and as such provides a unique opportunity for the research community to contribute their research to improve both world-leading operational weather forecasting and climate change prediction systems. In addition JULES, and its forerunner MOSES, have been the basis for a number of very high-profile papers concerning the land-surface and climate over the last decade. JULES has a modular structure aligned to physical processes, providing the basis for a flexible modelling platform.

The availability of carbon from rising atmospheric carbon dioxide levels and of nitrogen from various human-induced inputs to ecosystems is continuously increasing; however, these increases are not paralleled by a similar increase in phosphorus inputs. The inexorable change in the stoichiometry of carbon and nitrogen relative to phosphorus has no equivalent in Earth’s history. Here we report the profound and yet uncertain consequences of the human imprint on the phosphorus cycle and nitrogen:phosphorus stoichiometry for the structure, functioning and diversity of terrestrial and aquatic organisms and ecosystems. A mass balance approach is used to show that limited phosphorus and nitrogen availability are likely to jointly reduce future carbon storage by natural ecosystems during this century. Further, if phosphorus fertilizers cannot be made increasingly accessible, the crop yields projections of the Millennium Ecosystem Assessment imply an increase of the nutrient deficit in developing regions. Bioavailable nitrogen is increasing due to human activity, rapidly outpacing increases in another essential nutrient, phosphorous. Peñuelas et al.show that this increasing imbalance between these nutrients is likely to significantly affect life and limit carbon storage in this century.

Abstract. The aerosol-climate modelling system ECHAM5-HAM is introduced. It is based on a flexible microphysical approach and, as the number of externally imposed parameters is minimised, allows the application in a wide range of climate regimes. ECHAM5-HAM predicts the evolution of an ensemble of microphysically interacting internally- and externally-mixed aerosol populations as well as their size-distribution and composition. The size-distribution is represented by a superposition of log-normal modes. In the current setup, the major global aerosol compounds sulfate (SU), black carbon (BC), particulate organic matter (POM), sea salt (SS), and mineral dust (DU) are included. The simulated global annual mean aerosol burdens (lifetimes) for the year 2000 are for SU: 0.80 Tg(S) (3.9 days), for BC: 0.11 Tg (5.4 days), for POM: 0.99 Tg (5.4 days), for SS: 10.5 Tg (0.8 days), and for DU: 8.28 Tg (4.6 days). An extensive evaluation with in-situ and remote sensing measurements underscores that the model results are generally in good agreement with observations of the global aerosol system. The simulated global annual mean aerosol optical depth (AOD) is with 0.14 in excellent agreement with an estimate derived from AERONET measurements (0.14) and a composite derived from MODIS-MISR satellite retrievals (0.16). Regionally, the deviations are not negligible. However, the main patterns of AOD attributable to anthropogenic activity are reproduced.

Abstract This study presents the global climate model IPSL‐CM6A‐LR developed at Institut Pierre‐Simon Laplace (IPSL) to study natural climate variability and climate response to natural and anthropogenic forcings as part of the sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). This article describes the different model components, their coupling, and the simulated climate in comparison to previous model versions. We focus here on the representation of the physical climate along with the main characteristics of the global carbon cycle. The model's climatology, as assessed from a range of metrics (related in particular to radiation, temperature, precipitation, and wind), is strongly improved in comparison to previous model versions. Although they are reduced, a number of known biases and shortcomings (e.g., double Intertropical Convergence Zone [ITCZ], frequency of midlatitude wintertime blockings, and El Niño–Southern Oscillation [ENSO] dynamics) persist. The equilibrium climate sensitivity and transient climate response have both increased from the previous climate model IPSL‐CM5A‐LR used in CMIP5. A large ensemble of more than 30 members for the historical period (1850–2018) and a smaller ensemble for a range of emissions scenarios (until 2100 and 2300) are also presented and discussed.

Abstract. The Joint UK Land Environment Simulator (JULES) is a process-based model that simulates the fluxes of carbon, water, energy and momentum between the land surface and the atmosphere. Many studies have demonstrated the important role of the land surface in the functioning of the Earth System. Different versions of JULES have been employed to quantify the effects on the land carbon sink of climate change, increasing atmospheric carbon dioxide concentrations, changing atmospheric aerosols and tropospheric ozone, and the response of methane emissions from wetlands to climate change. This paper describes the consolidation of these advances in the modelling of carbon fluxes and stores, in both the vegetation and soil, in version 2.2 of JULES. Features include a multi-layer canopy scheme for light interception, including a sunfleck penetration scheme, a coupled scheme of leaf photosynthesis and stomatal conductance, representation of the effects of ozone on leaf physiology, and a description of methane emissions from wetlands. JULES represents the carbon allocation, growth and population dynamics of five plant functional types. The turnover of carbon from living plant tissues is fed into a 4-pool soil carbon model. The process-based descriptions of key ecological processes and trace gas fluxes in JULES mean that this community model is well-suited for use in carbon cycle, climate change and impacts studies, either in standalone mode or as the land component of a coupled Earth system model.

Abstract. This study presents the results of a broad intercomparison of a total of 15 global aerosol models within the AeroCom project. Each model is compared to observations related to desert dust aerosols, their direct radiative effect, and their impact on the biogeochemical cycle, i.e., aerosol optical depth (AOD) and dust deposition. Additional comparisons to Angström exponent (AE), coarse mode AOD and dust surface concentrations are included to extend the assessment of model performance and to identify common biases present in models. These data comprise a benchmark dataset that is proposed for model inspection and future dust model development. There are large differences among the global models that simulate the dust cycle and its impact on climate. In general, models simulate the climatology of vertically integrated parameters (AOD and AE) within a factor of two whereas the total deposition and surface concentration are reproduced within a factor of 10. In addition, smaller mean normalized bias and root mean square errors are obtained for the climatology of AOD and AE than for total deposition and surface concentration. Characteristics of the datasets used and their uncertainties may influence these differences. Large uncertainties still exist with respect to the deposition fluxes in the southern oceans. Further measurements and model studies are necessary to assess the general model performance to reproduce dust deposition in ocean regions sensible to iron contributions. Models overestimate the wet deposition in regions dominated by dry deposition. They generally simulate more realistic surface concentration at stations downwind of the main sources than at remote ones. Most models simulate the gradient in AOD and AE between the different dusty regions. However the seasonality and magnitude of both variables is better simulated at African stations than Middle East ones. The models simulate the offshore transport of West Africa throughout the year but they overestimate the AOD and they transport too fine particles. The models also reproduce the dust transport across the Atlantic in the summer in terms of both AOD and AE but not so well in winter-spring nor the southward displacement of the dust cloud that is responsible of the dust transport into South America. Based on the dependency of AOD on aerosol burden and size distribution we use model bias with respect to AOD and AE to infer the bias of the dust emissions in Africa and the Middle East. According to this analysis we suggest that a range of possible emissions for North Africa is 400 to 2200 Tg yr−1 and in the Middle East 26 to 526 Tg yr−1.

Abstract. Inventories for global aerosol and aerosol precursor emissions have been collected (based on published inventories and published simulations), assessed and prepared for the year 2000 (present-day conditions) and for the year 1750 (pre-industrial conditions). These global datasets establish a comprehensive source for emission input to global modeling, when simulating the aerosol impact on climate with state-of-the-art aerosol component modules. As these modules stratify aerosol into dust, sea-salt, sulfate, organic matter and soot, for all these aerosol types global fields on emission strength and recommendations for injection altitude and particulate size are provided. Temporal resolution varies between daily (dust and sea-salt), monthly (wild-land fires) and annual (all other emissions). These datasets benchmark aerosol emissions according to the knowledge in the year 2004. They are intended to serve as systematic constraints in sensitivity studies of the AeroCom initiative, which seeks to quantify (actual) uncertainties in aerosol global modeling.

Plant photosynthesis tends to increase with irradiance. However, recent theoretical and observational studies have demonstrated that photosynthesis is also more efficient under diffuse light conditions. Changes in cloud cover or atmospheric aerosol loadings, arising from either volcanic or anthropogenic emissions, alter both the total photosynthetically active radiation reaching the surface and the fraction of this radiation that is diffuse, with uncertain overall effects on global plant productivity and the land carbon sink. Here we estimate the impact of variations in diffuse fraction on the land carbon sink using a global model modified to account for the effects of variations in both direct and diffuse radiation on canopy photosynthesis. We estimate that variations in diffuse fraction, associated largely with the 'global dimming' period, enhanced the land carbon sink by approximately one-quarter between 1960 and 1999. However, under a climate mitigation scenario for the twenty-first century in which sulphate aerosols decline before atmospheric CO(2) is stabilized, this 'diffuse-radiation' fertilization effect declines rapidly to near zero by the end of the twenty-first century.

Abstract The Water and Global Change (WATCH) project evaluation of the terrestrial water cycle involves using land surface models and general hydrological models to assess hydrologically important variables including evaporation, soil moisture, and runoff. Such models require meteorological forcing data, and this paper describes the creation of the WATCH Forcing Data for 1958–2001 based on the 40-yr ECMWF Re-Analysis (ERA-40) and for 1901–57 based on reordered reanalysis data. It also discusses and analyses model-independent estimates of reference crop evaporation. Global average annual cumulative reference crop evaporation was selected as a widely adopted measure of potential evapotranspiration. It exhibits no significant trend from 1979 to 2001 although there are significant long-term increases in global average vapor pressure deficit and concurrent significant decreases in global average net radiation and wind speed. The near-constant global average of annual reference crop evaporation in the late twentieth century masks significant decreases in some regions (e.g., the Murray–Darling basin) with significant increases in others.