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 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. 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.

We have performed new calculations of the radiative forcing due to changes in the concentrations of the most important well mixed greenhouse gases (WMGG) since pre‐industrial time. Three radiative transfer models are used. The radiative forcing due to CO 2 , including shortwave absorption, is 15% lower than the previous IPCC estimate. The radiative forcing due to all the WMGG is calculated to 2.25 Wm −2 , which we estimate to be accurate to within about 5%. The importance of the CFCs is increased by about 20% relative to the total effect of all WMGG compared to previous estimates. We present updates to simple forcing‐concentration relationships previously used by IPCC.

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).

Abstract New calculations of the radiative forcing (RF) are presented for the three main well‐mixed greenhouse gases, methane, nitrous oxide, and carbon dioxide. Methane's RF is particularly impacted because of the inclusion of the shortwave forcing; the 1750–2011 RF is about 25% higher (increasing from 0.48 W m −2 to 0.61 W m −2 ) compared to the value in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2013 assessment; the 100 year global warming potential is 14% higher than the IPCC value. We present new simplified expressions to calculate RF. Unlike previous expressions used by IPCC, the new ones include the overlap between CO 2 and N 2 O; for N 2 O forcing, the CO 2 overlap can be as important as the CH 4 overlap. The 1750–2011 CO 2 RF is within 1% of IPCC's value but is about 10% higher when CO 2 amounts reach 2000 ppm, a value projected to be possible under the extended RCP8.5 scenario.

Abstract. Nine different global models with detailed aerosol modules have independently produced instantaneous direct radiative forcing due to anthropogenic aerosols. The anthropogenic impact is derived from the difference of two model simulations with prescribed aerosol emissions, one for present-day and one for pre-industrial conditions. The difference in the solar energy budget at the top of the atmosphere (ToA) yields a new harmonized estimate for the aerosol direct radiative forcing (RF) under all-sky conditions. On a global annual basis RF is −0.22 Wm−2, ranging from +0.04 to −0.41 Wm−2, with a standard deviation of ±0.16 Wm−2. Anthropogenic nitrate and dust are not included in this estimate. No model shows a significant positive all-sky RF. The corresponding clear-sky RF is −0.68 Wm−2. The cloud-sky RF was derived based on all-sky and clear-sky RF and modelled cloud cover. It was significantly different from zero and ranged between −0.16 and +0.34 Wm−2. A sensitivity analysis shows that the total aerosol RF is influenced by considerable diversity in simulated residence times, mass extinction coefficients and most importantly forcing efficiencies (forcing per unit optical depth). The clear-sky forcing efficiency (forcing per unit optical depth) has diversity comparable to that for the all-sky/ clear-sky forcing ratio. While the diversity in clear-sky forcing efficiency is impacted by factors such as aerosol absorption, size, and surface albedo, we can show that the all-sky/clear-sky forcing ratio is important because all-sky forcing estimates require proper representation of cloud fields and the correct relative altitude placement between absorbing aerosol and clouds. The analysis of the sulphate RF shows that long sulphate residence times are compensated by low mass extinction coefficients and vice versa. This is explained by more sulphate particle humidity growth and thus higher extinction in those models where short-lived sulphate is present at lower altitude and vice versa. Solar atmospheric forcing within the atmospheric column is estimated at +0.82±0.17 Wm−2. The local annual average maxima of atmospheric forcing exceed +5 Wm−2 confirming the regional character of aerosol impacts on climate. The annual average surface forcing is −1.02±0.23 Wm−2. With the current uncertainties in the modelling of the radiative forcing due to the direct aerosol effect we show here that an estimate from one model is not sufficient but a combination of several model estimates is necessary to provide a mean and to explore the uncertainty.

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.

Abstract Atmospheric methane grew very rapidly in 2014 (12.7 ± 0.5 ppb/year), 2015 (10.1 ± 0.7 ppb/year), 2016 (7.0 ± 0.7 ppb/year), and 2017 (7.7 ± 0.7 ppb/year), at rates not observed since the 1980s. The increase in the methane burden began in 2007, with the mean global mole fraction in remote surface background air rising from about 1,775 ppb in 2006 to 1,850 ppb in 2017. Simultaneously the 13 C/ 12 C isotopic ratio (expressed as δ 13 C CH4 ) has shifted, now trending negative for more than a decade. The causes of methane's recent mole fraction increase are therefore either a change in the relative proportions (and totals) of emissions from biogenic and thermogenic and pyrogenic sources, especially in the tropics and subtropics, or a decline in the atmospheric sink of methane, or both. Unfortunately, with limited measurement data sets, it is not currently possible to be more definitive. The climate warming impact of the observed methane increase over the past decade, if continued at >5 ppb/year in the coming decades, is sufficient to challenge the Paris Agreement, which requires sharp cuts in the atmospheric methane burden. However, anthropogenic methane emissions are relatively very large and thus offer attractive targets for rapid reduction, which are essential if the Paris Agreement aims are to be attained.

The intensity of the heaviest extreme precipitation events is known to increase with global warming. How often such events occur in a warmer world is however less well established, and the combined effect of changes in frequency and intensity on the total amount of rain falling as extreme precipitation is much less explored, in spite of potentially large societal impacts. Here, we employ observations and climate model simulations to document strong increases in the frequencies of extreme precipitation events occurring on decadal timescales. Based on observations we find that the total precipitation from these intense events almost doubles per degree of warming, mainly due to changes in frequency, while the intensity changes are relatively weak, in accordance to previous studies. This shift towards stronger total precipitation from extreme events is seen in observations and climate models, and increases with the strength - and hence the rareness - of the event. Based on these results, we project that if historical trends continue, the most intense precipitation events observed today are likely to almost double in occurrence for each degree of further global warming. Changes to extreme precipitation of this magnitude are dramatically stronger than the more widely communicated changes to global mean precipitation.