Abstract. By coordinating the design and distribution of global climate model simulations of the past, current, and future climate, the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) has become one of the foundational elements of climate science. However, the need to address an ever-expanding range of scientific questions arising from more and more research communities has made it necessary to revise the organization of CMIP. After a long and wide community consultation, a new and more federated structure has been put in place. It consists of three major elements: (1) a handful of common experiments, the DECK (Diagnostic, Evaluation and Characterization of Klima) and CMIP historical simulations (1850–near present) that will maintain continuity and help document basic characteristics of models across different phases of CMIP; (2) common standards, coordination, infrastructure, and documentation that will facilitate the distribution of model outputs and the characterization of the model ensemble; and (3) an ensemble of CMIP-Endorsed Model Intercomparison Projects (MIPs) that will be specific to a particular phase of CMIP (now CMIP6) and that will build on the DECK and CMIP historical simulations to address a large range of specific questions and fill the scientific gaps of the previous CMIP phases. The DECK and CMIP historical simulations, together with the use of CMIP data standards, will be the entry cards for models participating in CMIP. Participation in CMIP6-Endorsed MIPs by individual modelling groups will be at their own discretion and will depend on their scientific interests and priorities. With the Grand Science Challenges of the World Climate Research Programme (WCRP) as its scientific backdrop, CMIP6 will address three broad questions: – How does the Earth system respond to forcing? – What are the origins and consequences of systematic model biases? – How can we assess future climate changes given internal climate variability, predictability, and uncertainties in scenarios? This CMIP6 overview paper presents the background and rationale for the new structure of CMIP, provides a detailed description of the DECK and CMIP6 historical simulations, and includes a brief introduction to the 21 CMIP6-Endorsed MIPs.

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.

Epidemiological studies consistently link ambient concentrations of particulate matter (PM) to negative health impacts, including asthma, heart attacks, hospital admissions, and premature mortality. We model ambient PM concentrations from oceangoing ships using two geospatial emissions inventories and two global aerosol models. We estimate global and regional mortalities by applying ambient PM increases due to ships to cardiopulmonary and lung cancer concentration-risk functions and population models. Our results indicate that shipping-related PM emissions are responsible for approximately 60,000 cardiopulmonary and lung cancer deaths annually, with most deaths occurring near coastlines in Europe, East Asia, and South Asia. Under current regulation and with the expected growth in shipping activity, we estimate that annual mortalities could increase by 40% by 2012.

Emissions of exhaust gases and particles from oceangoing ships are a significant and growing contributor to the total emissions from the transportation sector. We present an assessment of the contribution of gaseous and particulate emissions from oceangoing shipping to anthropogenic emissions and air quality. We also assess the degradation in human health and climate change created by these emissions. Regulating ship emissions requires comprehensive knowledge of current fuel consumption and emissions, understanding of their impact on atmospheric composition and climate, and projections of potential future evolutions and mitigation options. Nearly 70% of ship emissions occur within 400 km of coastlines, causing air quality problems through the formation of ground-level ozone, sulphur emissions and particulate matter in coastal areas and harbours with heavy traffic. Furthermore, ozone and aerosol precursor emissions as well as their derivative species from ships may be transported in the atmosphere over several hundreds of kilometres, and thus contribute to air quality problems further inland, even though they are emitted at sea. In addition, ship emissions impact climate. Recent studies indicate that the cooling due to altered clouds far outweighs the warming effects from greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2) or ozone from shipping, overall causing a negative present-day radiative forcing (RF). Current efforts to reduce sulphur and other pollutants from shipping may modify this. However, given the short residence time of sulphate compared to CO2, the climate response from sulphate is of the order decades while that of CO2 is centuries. The climatic trade-off between positive and negative radiative forcing is still a topic of scientific research, but from what is currently known, a simple cancellation of global mean forcing components is potentially inappropriate and a more comprehensive assessment metric is required. The CO2 equivalent emissions using the global temperature change potential (GTP) metric indicate that after 50 years the net global mean effect of current emissions is close to zero through cancellation of warming by CO2 and cooling by sulphate and nitrogen oxides.

Seagoing ships emit exhaust gases and particles into the marine boundary layer and significantly contribute to the total budget of anthropogenic emissions. We present an emission inventory for international shipping for the past five decades to be used in global modeling studies with detailed tropospheric chemistry. The inventory is a bottom‐up analysis using fuel consumption and fleet numbers for the total civilian and military fleet including auxiliary engines at the end of 2001. Trend estimates for fuel mass, CO 2 , NO x , and other emissions for the time between 1950 and 2001 have been calculated using ship number statistics and average engine statistics. Our estimate for total fuel consumption and global emissions for the year 2001 is similar to previous activity‐based studies. However, compared to earlier studies, a detailed speciation of nonmethane hydrocarbons (NMHCs) and particulate matter is given, and carbon monoxide emissions are calculated explicitly. Our results suggest a fuel consumption of approximately 280 million metric tons (Mt) for the year 2001 and 64.5 Mt in 1950. This corresponds to 187 (5.4) Tg CO 2 (NO x ) in 1950, and 813 (21.4) Tg CO 2 (NO x ) in 2001. From 1970 to 2001 the world‐merchant fleet increased rapidly in terms of ship numbers, with a corresponding increase in total fuel consumption. The fuel consumption estimates are compared against historical marine bunker fuel statistics, and our emission estimates are related to emission budgets of other transport modes. Global ship emissions are distributed geographically according to global vessel traffic densities of the AMVER (Automated Mutual‐assistance Vessel Rescue system) data set for the year 2000. This work also sets the basis to develop future emission scenarios based on average‐fleet emission indices in part 2 of this study.

Earth system models are complex and represent a large number of processes, resulting in a persistent spread across climate projections for a given future scenario. Owing to different model performances against observations and the lack of independence among models, there is now evidence that giving equal weight to each available model projection is suboptimal. This Perspective discusses newly developed tools that facilitate a more rapid and comprehensive evaluation of model simulations with observations, process-based emergent constraints that are a promising way to focus evaluation on the observations most relevant to climate projections, and advanced methods for model weighting. These approaches are needed to distil the most credible information on regional climate changes, impacts, and risks for stakeholders and policy-makers. Earth system models project likely future climates, however, evaluation of their output is challenging. This Perspective discusses new evaluation approaches, considering both simulations and observations, to ensure credible information for decision-making.

Simulations of the stratosphere from thirteen coupled chemistry‐climate models (CCMs) are evaluated to provide guidance for the interpretation of ozone predictions made by the same CCMs. The focus of the evaluation is on how well the fields and processes that are important for determining the ozone distribution are represented in the simulations of the recent past. The core period of the evaluation is from 1980 to 1999 but long‐term trends are compared for an extended period (1960–2004). Comparisons of polar high‐latitude temperatures show that most CCMs have only small biases in the Northern Hemisphere in winter and spring, but still have cold biases in the Southern Hemisphere spring below 10 hPa. Most CCMs display the correct stratospheric response of polar temperatures to wave forcing in the Northern, but not in the Southern Hemisphere. Global long‐term stratospheric temperature trends are in reasonable agreement with satellite and radiosonde observations. Comparisons of simulations of methane, mean age of air, and propagation of the annual cycle in water vapor show a wide spread in the results, indicating differences in transport. However, for around half the models there is reasonable agreement with observations. In these models the mean age of air and the water vapor tape recorder signal are generally better than reported in previous model intercomparisons. Comparisons of the water vapor and inorganic chlorine (Cl y ) fields also show a large intermodel spread. Differences in tropical water vapor mixing ratios in the lower stratosphere are primarily related to biases in the simulated tropical tropopause temperatures and not transport. The spread in Cl y , which is largest in the polar lower stratosphere, appears to be primarily related to transport differences. In general the amplitude and phase of the annual cycle in total ozone is well simulated apart from the southern high latitudes. Most CCMs show reasonable agreement with observed total ozone trends and variability on a global scale, but a greater spread in the ozone trends in polar regions in spring, especially in the Arctic. In conclusion, despite the wide range of skills in representing different processes assessed here, there is sufficient agreement between the majority of the CCMs and the observations that some confidence can be placed in their predictions.

Increased concentrations of ozone and fine particulate matter (PM2.5) since preindustrial times reflect increased emissions, but also contributions of past climate change. Here we use modeled concentrations from an ensemble of chemistry–climate models to estimate the global burden of anthropogenic outdoor air pollution on present-day premature human mortality, and the component of that burden attributable to past climate change. Using simulated concentrations for 2000 and 1850 and concentration–response functions (CRFs), we estimate that, at present, 470 000 (95% confidence interval, 140 000 to 900 000) premature respiratory deaths are associated globally and annually with anthropogenic ozone, and 2.1 (1.3 to 3.0) million deaths with anthropogenic PM2.5-related cardiopulmonary diseases (93%) and lung cancer (7%). These estimates are smaller than ones from previous studies because we use modeled 1850 air pollution rather than a counterfactual low concentration, and because of different emissions. Uncertainty in CRFs contributes more to overall uncertainty than the spread of model results. Mortality attributed to the effects of past climate change on air quality is considerably smaller than the global burden: 1500 (−20 000 to 27 000) deaths yr−1 due to ozone and 2200 (−350 000 to 140 000) due to PM2.5. The small multi-model means are coincidental, as there are larger ranges of results for individual models, reflected in the large uncertainties, with some models suggesting that past climate change has reduced air pollution mortality.