We present the global general circulation model IPSL-CM5 developed to study the long-term response of the climate system to natural and anthropogenic forcings as part of the 5th Phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5). This model includes an interactive carbon cycle, a representation of tropospheric and stratospheric chemistry, and a comprehensive representation of aerosols. As it represents the principal dynamical, physical, and bio-geochemical processes relevant to the climate system, it may be referred to as an Earth System Model. However, the IPSL-CM5 model may be used in a multitude of configurations associated with different boundary conditions and with a range of complexities in terms of processes and interactions. This paper presents an overview of the different model components and explains how they were coupled and used to simulate historical climate changes over the past 150 years and different scenarios of future climate change. A single version of the IPSL-CM5 model (IPSL-CM5A-LR) was used to provide climate projections associated with different socio-economic scenarios, including the different Representative Concentration Pathways considered by CMIP5 and several scenarios from the Special Report on Emission Scenarios considered by CMIP3. Results suggest that the magnitude of global warming projections primarily depends on the socio-economic scenario considered, that there is potential for an aggressive mitigation policy to limit global warming to about two degrees, and that the behavior of some components of the climate system such as the Arctic sea ice and the Atlantic Meridional Overturning Circulation may change drastically by the end of the twenty-first century in the case of a no climate policy scenario. Although the magnitude of regional temperature and precipitation changes depends fairly linearly on the magnitude of the projected global warming (and thus on the scenario considered), the geographical pattern of these changes is strikingly similar for the different scenarios. The representation of atmospheric physical processes in the model is shown to strongly influence the simulated climate variability and both the magnitude and pattern of the projected climate changes.

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 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. 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.

A global climatological distribution of tropospheric OH is computed using observed distributions of O 3 , H 2 O, NO t (NO 2 +NO + 2N 2 O 5 + NO 3 + HNO 2 +HNO 4 ), CO, hydrocarbons, temperature, and cloud optical depth. Global annual mean OH is 1.16×10 6 molecules cm −3 (integrated with respect to mass of air up to 100 hPa within ±32° latitude and up to 200 hPa outside that region). Mean hemispheric concentrations of OH are nearly equal. While global mean OH increased by 33% compared to that from Spivakovsky et al. [1990], mean loss frequencies of CH 3 CCl 3 and CH 4 increased by only 23% because a lower fraction of total OH resides in the lower troposphere in the present distribution. The value for temperature used for determining lifetimes of hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) by scaling rate constants [ Prather and Spivakovsky , 1990] is revised from 277 K to 272 K. The present distribution of OH is consistent within a few percent with the current budgets of CH 3 CCl 3 and HCFC‐22. For CH 3 CCl 3 , it results in a lifetime of 4.6 years, including stratospheric and ocean sinks with atmospheric lifetimes of 43 and 80 years, respectively. For HCFC‐22, the lifetime is 11.4 years, allowing for the stratospheric sink with an atmospheric lifetime of 229 years. Corrections suggested by observed levels of CH 2 Cl 2 (annual means) depend strongly on the rate of interhemispheric mixing in the model. An increase in OH in the Northern Hemisphere by 20% combined with a decrease in the southern tropics by 25% is suggested if this rate is at its upper limit consistent with observations of CFCs and 85 Kr. For the lower limit, observations of CH 2 Cl 2 imply an increase in OH in the Northern Hemisphere by 35% combined with a decrease in OH in the southern tropics by 60%. However, such large corrections are inconsistent with observations for 14 CO in the tropics and for the interhemispheric gradient of CH 3 CCl 3 . Industrial sources of CH 2 Cl 2 are sufficient for balancing its budget. The available tests do not establish significant errors in OH except for a possible underestimate in winter in the northern and southern tropics by 15–20% and 10–15%, respectively, and an overestimate in southern extratropics by ∼25%. Observations of seasonal variations of CH 3 CCl 3 , CH 2 Cl 2 , 14 CO, and C 2 H 6 offer no evidence for higher levels of OH in the southern than in the northern extratropics. It is expected that in the next few years the latitudinal distribution and annual cycle of CH 3 CCl 3 will be determined primarily by its loss frequency, allowing for additional constraints for OH on scales smaller than global.

Abstract. We report on the AeroCom Phase II direct aerosol effect (DAE) experiment where 16 detailed global aerosol models have been used to simulate the changes in the aerosol distribution over the industrial era. All 16 models have estimated the radiative forcing (RF) of the anthropogenic DAE, and have taken into account anthropogenic sulphate, black carbon (BC) and organic aerosols (OA) from fossil fuel, biofuel, and biomass burning emissions. In addition several models have simulated the DAE of anthropogenic nitrate and anthropogenic influenced secondary organic aerosols (SOA). The model simulated all-sky RF of the DAE from total anthropogenic aerosols has a range from −0.58 to −0.02 Wm−2, with a mean of −0.27 Wm−2 for the 16 models. Several models did not include nitrate or SOA and modifying the estimate by accounting for this with information from the other AeroCom models reduces the range and slightly strengthens the mean. Modifying the model estimates for missing aerosol components and for the time period 1750 to 2010 results in a mean RF for the DAE of −0.35 Wm−2. Compared to AeroCom Phase I (Schulz et al., 2006) we find very similar spreads in both total DAE and aerosol component RF. However, the RF of the total DAE is stronger negative and RF from BC from fossil fuel and biofuel emissions are stronger positive in the present study than in the previous AeroCom study. We find a tendency for models having a strong (positive) BC RF to also have strong (negative) sulphate or OA RF. This relationship leads to smaller uncertainty in the total RF of the DAE compared to the RF of the sum of the individual aerosol components. The spread in results for the individual aerosol components is substantial, and can be divided into diversities in burden, mass extinction coefficient (MEC), and normalized RF with respect to AOD. We find that these three factors give similar contributions to the spread in results.

Abstract. The AeroCom exercise diagnoses multi-component aerosol modules in global modeling. In an initial assessment simulated global distributions for mass and mid-visible aerosol optical thickness (aot) were compared among 20 different modules. Model diversity was also explored in the context of previous comparisons. For the component combined aot general agreement has improved for the annual global mean. At 0.11 to 0.14, simulated aot values are at the lower end of global averages suggested by remote sensing from ground (AERONET ca. 0.135) and space (satellite composite ca. 0.15). More detailed comparisons, however, reveal that larger differences in regional distribution and significant differences in compositional mixture remain. Of particular concern are large model diversities for contributions by dust and carbonaceous aerosol, because they lead to significant uncertainty in aerosol absorption (aab). Since aot and aab, both, influence the aerosol impact on the radiative energy-balance, the aerosol (direct) forcing uncertainty in modeling is larger than differences in aot might suggest. New diagnostic approaches are proposed to trace model differences in terms of aerosol processing and transport: These include the prescription of common input (e.g. amount, size and injection of aerosol component emissions) and the use of observational capabilities from ground (e.g. measurements networks) or space (e.g. correlations between aerosol and clouds).

Mineral dust aerosols in the atmosphere have the potential to affect the global climate by influencing the radiative balance of the atmosphere and the supply of micronutrients to the ocean. Ice and marine sediment cores indicate that dust deposition from the atmosphere was at some locations 2–20 times greater during glacial periods, raising the possibility that mineral aerosols might have contributed to climate change on glacial‐interglacial time scales. To address this question, we have used linked terrestrial biosphere, dust source, and atmospheric transport models to simulate the dust cycle in the atmosphere for current and last glacial maximum (LGM) climates. We obtain a 2.5‐fold higher dust loading in the entire atmosphere and a twenty‐fold higher loading in high latitudes, in LGM relative to present. Comparisons to a compilation of atmospheric dust deposition flux estimates for LGM and present in marine sediment and ice cores show that the simulated flux ratios are broadly in agreement with observations; differences suggest where further improvements in the simple dust model could be made. The simulated increase in high‐latitude dustiness depends on the expansion of unvegetated areas, especially in the high latitudes and in central Asia, caused by a combination of increased aridity and low atmospheric [CO 2 ]. The existence of these dust source areas at the LGM is supported by pollen data and loess distribution in the northern continents. These results point to a role for vegetation feedbacks, including climate effects and physiological effects of low [CO 2 ], in modulating the atmospheric distribution of dust.

Abstract. We evaluate black carbon (BC) model predictions from the AeroCom model intercomparison project by considering the diversity among year 2000 model simulations and comparing model predictions with available measurements. These model-measurement intercomparisons include BC surface and aircraft concentrations, aerosol absorption optical depth (AAOD) retrievals from AERONET and Ozone Monitoring Instrument (OMI) and BC column estimations based on AERONET. In regions other than Asia, most models are biased high compared to surface concentration measurements. However compared with (column) AAOD or BC burden retreivals, the models are generally biased low. The average ratio of model to retrieved AAOD is less than 0.7 in South American and 0.6 in African biomass burning regions; both of these regions lack surface concentration measurements. In Asia the average model to observed ratio is 0.7 for AAOD and 0.5 for BC surface concentrations. Compared with aircraft measurements over the Americas at latitudes between 0 and 50N, the average model is a factor of 8 larger than observed, and most models exceed the measured BC standard deviation in the mid to upper troposphere. At higher latitudes the average model to aircraft BC ratio is 0.4 and models underestimate the observed BC loading in the lower and middle troposphere associated with springtime Arctic haze. Low model bias for AAOD but overestimation of surface and upper atmospheric BC concentrations at lower latitudes suggests that most models are underestimating BC absorption and should improve estimates for refractive index, particle size, and optical effects of BC coating. Retrieval uncertainties and/or differences with model diagnostic treatment may also contribute to the model-measurement disparity. Largest AeroCom model diversity occurred in northern Eurasia and the remote Arctic, regions influenced by anthropogenic sources. Changing emissions, aging, removal, or optical properties within a single model generated a smaller change in model predictions than the range represented by the full set of AeroCom models. Upper tropospheric concentrations of BC mass from the aircraft measurements are suggested to provide a unique new benchmark to test scavenging and vertical dispersion of BC in global models.

Palaeo-dust records in sediments and ice cores show that wind-borne mineral aerosol (‘dust’) is strongly linked with climate state. During glacial climate stages, for example, the world was much dustier, with dust fluxes two to five times greater than in interglacial stages. However, the influence of dust on climate remains a poorly quantified and actively changing element of the Earth's climate system. Dust can influence climate directly, by the scattering and absorption of solar and terrestrial radiation, and indirectly, by modifying cloud properties. Dust transported to the oceans can also affect climate via ocean fertilization in those regions of the world's oceans where macronutrients like nitrate are abundant but primary production and nitrogen fixation are limited by iron scarcity. Dust containing iron, as fine-grained iron oxides/oxyhydroxides and/or within clay minerals, and other essential micronutrients (e.g. silica) may modulate the uptake of carbon in marine ecosystems and, in turn, the atmospheric concentration of CO2. Here, in order to critically examine past fluxes and possible climate impacts of dust in general and iron-bearing dust in particular, we consider present-day sources and properties of dust, synthesise available records of dust deposition at the last glacial maximum (LGM); evaluate the evidence for changes in ocean palaeo-productivity associated with, and possibly caused by, changes in aeolian flux to the oceans at the LGM; and consider the radiative forcing effects of increased LGM dust loadings.