This paper summarizes the development process and main characteristics of the Representative Concentration Pathways (RCPs), a set of four new pathways developed for the climate modeling community as a basis for long-term and near-term modeling experiments. The four RCPs together span the range of year 2100 radiative forcing values found in the open literature, i.e. from 2.6 to 8.5 W/m2. The RCPs are the product of an innovative collaboration between integrated assessment modelers, climate modelers, terrestrial ecosystem modelers and emission inventory experts. The resulting product forms a comprehensive data set with high spatial and sectoral resolutions for the period extending to 2100. Land use and emissions of air pollutants and greenhouse gases are reported mostly at a 0.5 × 0.5 degree spatial resolution, with air pollutants also provided per sector (for well-mixed gases, a coarser resolution is used). The underlying integrated assessment model outputs for land use, atmospheric emissions and concentration data were harmonized across models and scenarios to ensure consistency with historical observations while preserving individual scenario trends. For most variables, the RCPs cover a wide range of the existing literature. The RCPs are supplemented with extensions (Extended Concentration Pathways, ECPs), which allow climate modeling experiments through the year 2300. The RCPs are an important development in climate research and provide a potential foundation for further research and assessment, including emissions mitigation and impact analysis.

Global Biodiversity Target Missed In 2002, the Convention on Biological Diversity (CBD) committed to a significant reduction in the rate of biodiversity loss by 2010. There has been widespread conjecture that this target has not been met. Butchart et al. (p. 1164 , published online 29 April) analyzed over 30 indicators developed within the CBD's framework. These indicators include the condition or state of biodiversity (e.g., species numbers, population sizes), the pressures on biodiversity (e.g., deforestation), and the responses to maintain biodiversity (e.g., protected areas) and were assessed between about 1970 and 2005. Taken together, the results confirm that we have indeed failed to meet the 2010 targets.

We present the greenhouse gas concentrations for the Representative Concentration Pathways (RCPs) and their extensions beyond 2100, the Extended Concentration Pathways (ECPs). These projections include all major anthropogenic greenhouse gases and are a result of a multi-year effort to produce new scenarios for climate change research. We combine a suite of atmospheric concentration observations and emissions estimates for greenhouse gases (GHGs) through the historical period (1750–2005) with harmonized emissions projected by four different Integrated Assessment Models for 2005–2100. As concentrations are somewhat dependent on the future climate itself (due to climate feedbacks in the carbon and other gas cycles), we emulate median response characteristics of models assessed in the IPCC Fourth Assessment Report using the reduced-complexity carbon cycle climate model MAGICC6. Projected ‘best-estimate’ global-mean surface temperature increases (using inter alia a climate sensitivity of 3°C) range from 1.5°C by 2100 for the lowest of the four RCPs, called both RCP3-PD and RCP2.6, to 4.5°C for the highest one, RCP8.5, relative to pre-industrial levels. Beyond 2100, we present the ECPs that are simple extensions of the RCPs, based on the assumption of either smoothly stabilizing concentrations or constant emissions: For example, the lower RCP2.6 pathway represents a strong mitigation scenario and is extended by assuming constant emissions after 2100 (including net negative CO2 emissions), leading to CO2 concentrations returning to 360 ppm by 2300. We also present the GHG concentrations for one supplementary extension, which illustrates the stringent emissions implications of attempting to go back to ECP4.5 concentration levels by 2250 after emissions during the 21st century followed the higher RCP6 scenario. Corresponding radiative forcing values are presented for the RCP and ECPs.

The Community Earth System Model (CESM) is a flexible and extensible community tool used to investigate a diverse set of Earth system interactions across multiple time and space scales. This global coupled model significantly extends its predecessor, the Community Climate System Model, by incorporating new Earth system simulation capabilities. These comprise the ability to simulate biogeochemical cycles, including those of carbon and nitrogen, a variety of atmospheric chemistry options, the Greenland Ice Sheet, and an atmosphere that extends to the lower thermosphere. These and other new model capabilities are enabling investigations into a wide range of pressing scientific questions, providing new foresight into possible future climates and increasing our collective knowledge about the behavior and interactions of the Earth system. Simulations with numerous configurations of the CESM have been provided to phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) and are being analyzed by the broad community of scientists. Additionally, the model source code and associated documentation are freely available to the scientific community to use for Earth system studies, making it a true community tool. This article describes this Earth system model and its various possible configurations, and highlights a number of its scientific capabilities.

An overview of the Community Earth System Model Version 2 (CESM2) is provided, including a discussion of the challenges encountered during its development and how they were addressed. In addition, an evaluation of a pair of CESM2 long preindustrial control and historical ensemble simulations is presented. These simulations were performed using the nominal 1° horizontal resolution configuration of the coupled model with both the "low-top" (40 km, with limited chemistry) and "high-top" (130 km, with comprehensive chemistry) versions of the atmospheric component. CESM2 contains many substantial science and infrastructure improvements and new capabilities since its previous major release, CESM1, resulting in improved historical simulations in comparison to CESM1 and available observations. These include major reductions in low-latitude precipitation and shortwave cloud forcing biases; better representation of the Madden-Julian Oscillation; better El Niño-Southern Oscillation-related teleconnections; and a global land carbon accumulation trend that agrees well with observationally based estimates. Most tropospheric and surface features of the low- and high-top simulations are very similar to each other, so these improvements are present in both configurations. CESM2 has an equilibrium climate sensitivity of 5.1–5.3 °C, larger than in CESM1, primarily due to a combination of relatively small changes to cloud microphysics and boundary layer parameters. In contrast, CESM2's transient climate response of 1.9–2.0 °C is comparable to that of CESM1. The model outputs from these and many other simulations are available to the research community, and they represent CESM2's contributions to the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6.

Abstract While internal climate variability is known to affect climate projections, its influence is often underappreciated and confused with model error. Why? In general, modeling centers contribute a small number of realizations to international climate model assessments [e.g., phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5)]. As a result, model error and internal climate variability are difficult, and at times impossible, to disentangle. In response, the Community Earth System Model (CESM) community designed the CESM Large Ensemble (CESM-LE) with the explicit goal of enabling assessment of climate change in the presence of internal climate variability. All CESM-LE simulations use a single CMIP5 model (CESM with the Community Atmosphere Model, version 5). The core simulations replay the twenty to twenty-first century (1920–2100) 30 times under historical and representative concentration pathway 8.5 external forcing with small initial condition differences. Two companion 1000+-yr-long preindustrial control simulations (fully coupled, prognostic atmosphere and land only) allow assessment of internal climate variability in the absence of climate change. Comprehensive outputs, including many daily fields, are available as single-variable time series on the Earth System Grid for anyone to use. Early results demonstrate the substantial influence of internal climate variability on twentieth- to twenty-first-century climate trajectories. Global warming hiatus decades occur, similar to those recently observed. Internal climate variability alone can produce projection spread comparable to that in CMIP5. Scientists and stakeholders can use CESM-LE outputs to help interpret the observational record, to understand projection spread and to plan for a range of possible futures influenced by both internal climate variability and forced climate change.

Abstract. We present and discuss a new dataset of gridded emissions covering the historical period (1850–2000) in decadal increments at a horizontal resolution of 0.5° in latitude and longitude. The primary purpose of this inventory is to provide consistent gridded emissions of reactive gases and aerosols for use in chemistry model simulations needed by climate models for the Climate Model Intercomparison Program #5 (CMIP5) in support of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fifth Assessment report (AR5). Our best estimate for the year 2000 inventory represents a combination of existing regional and global inventories to capture the best information available at this point; 40 regions and 12 sectors are used to combine the various sources. The historical reconstruction of each emitted compound, for each region and sector, is then forced to agree with our 2000 estimate, ensuring continuity between past and 2000 emissions. Simulations from two chemistry-climate models are used to test the ability of the emission dataset described here to capture long-term changes in atmospheric ozone, carbon monoxide and aerosol distributions. The simulated long-term change in the Northern mid-latitudes surface and mid-troposphere ozone is not quite as rapid as observed. However, stations outside this latitude band show much better agreement in both present-day and long-term trend. The model simulations indicate that the concentration of carbon monoxide is underestimated at the Mace Head station; however, the long-term trend over the limited observational period seems to be reasonably well captured. The simulated sulfate and black carbon deposition over Greenland is in very good agreement with the ice-core observations spanning the simulation period. Finally, aerosol optical depth and additional aerosol diagnostics are shown to be in good agreement with previously published estimates and observations.

The Model for Ozone and Related chemical Tracers, version 4 (MOZART-4) is an offline global chemical transport model particularly suited for studies of the troposphere. The updates of the model from its previous version MOZART-2 are described, including an expansion of the chemical mechanism to include more detailed hydrocarbon chemistry and bulk aerosols. Online calculations of a number of processes, such as dry deposition, emissions of isoprene and monoterpenes and photolysis frequencies, are now included. Results from an eight-year simulation (2000–2007) are presented and evaluated. The MOZART-4 source code and standard input files are available for download from the NCAR Community Data Portal (http://cdp.ucar.edu).