We use a global climate model to compare the effectiveness of many climate forcing agents for producing climate change. We find a substantial range in the “efficacy” of different forcings, where the efficacy is the global temperature response per unit forcing relative to the response to CO 2 forcing. Anthropogenic CH 4 has efficacy ∼110%, which increases to ∼145% when its indirect effects on stratospheric H 2 O and tropospheric O 3 are included, yielding an effective climate forcing of ∼0.8 W/m 2 for the period 1750–2000 and making CH 4 the largest anthropogenic climate forcing other than CO 2 . Black carbon (BC) aerosols from biomass burning have a calculated efficacy ∼58%, while fossil fuel BC has an efficacy ∼78%. Accounting for forcing efficacies and for indirect effects via snow albedo and cloud changes, we find that fossil fuel soot, defined as BC + OC (organic carbon), has a net positive forcing while biomass burning BC + OC has a negative forcing. We show that replacement of the traditional instantaneous and adjusted forcings, Fi and Fa, with an easily computed alternative, Fs, yields a better predictor of climate change, i.e., its efficacies are closer to unity. Fs is inferred from flux and temperature changes in a fixed‐ocean model run. There is remarkable congruence in the spatial distribution of climate change, normalized to the same forcing Fs, for most climate forcing agents, suggesting that the global forcing has more relevance to regional climate change than may have been anticipated. Increasing greenhouse gases intensify the Hadley circulation in our model, increasing rainfall in the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), Eastern United States, and East Asia, while intensifying dry conditions in the subtropics including the Southwest United States, the Mediterranean region, the Middle East, and an expanding Sahel. These features survive in model simulations that use all estimated forcings for the period 1880–2000. Responses to localized forcings, such as land use change and heavy regional concentrations of BC aerosols, include more specific regional characteristics. We suggest that anthropogenic tropospheric O 3 and the BC snow albedo effect contribute substantially to rapid warming and sea ice loss in the Arctic. As a complement to a priori forcings, such as Fi, Fa, and Fs, we tabulate the a posteriori effective forcing, Fe, which is the product of the forcing and its efficacy. Fe requires calculation of the climate response and introduces greater model dependence, but once it is calculated for a given amount of a forcing agent it provides a good prediction of the response to other forcing amounts.

Abstract A full description of the ModelE version of the Goddard Institute for Space Studies (GISS) atmospheric general circulation model (GCM) and results are presented for present-day climate simulations (ca. 1979). This version is a complete rewrite of previous models incorporating numerous improvements in basic physics, the stratospheric circulation, and forcing fields. Notable changes include the following: the model top is now above the stratopause, the number of vertical layers has increased, a new cloud microphysical scheme is used, vegetation biophysics now incorporates a sensitivity to humidity, atmospheric turbulence is calculated over the whole column, and new land snow and lake schemes are introduced. The performance of the model using three configurations with different horizontal and vertical resolutions is compared to quality-controlled in situ data, remotely sensed and reanalysis products. Overall, significant improvements over previous models are seen, particularly in upper-atmosphere temperatures and winds, cloud heights, precipitation, and sea level pressure. Data–model comparisons continue, however, to highlight persistent problems in the marine stratocumulus regions.

We present a new 3‐dimensional 1° × 1° gridded data set for the annual mean seawater oxygen isotope ratio (δ 18 O) to use in oceanographic and paleoceanographic applications. It is constructed from a large set of observations made over the last 50 years combined with estimates from regional δ 18 O to salinity relationships in areas of sparse data. We use ocean fronts and water mass tracer concentrations to help define distinct water masses over which consistent local relationships are valid. The resulting data set compares well to the GEOSECS data (where available); however, in certain regions, particularly where sea ice is present, significant seasonality may bias the results. As an example application of this data set, we use the resulting surface δ 18 O as a boundary condition for isotope‐enabled GISS ModelE to yield a more realistic comparison to the isotopic composition of precipitation data, thus quantifying the ‘source effect’ of δ 18 O on the isotopic composition of precipitation.

Our climate model, driven mainly by increasing human-made greenhouse gases and aerosols, among other forcings, calculates that Earth is now absorbing 0.85 +/- 0.15 watts per square meter more energy from the Sun than it is emitting to space. This imbalance is confirmed by precise measurements of increasing ocean heat content over the past 10 years. Implications include (i) the expectation of additional global warming of about 0.6 degrees C without further change of atmospheric composition; (ii) the confirmation of the climate system's lag in responding to forcings, implying the need for anticipatory actions to avoid any specified level of climate change; and (iii) the likelihood of acceleration of ice sheet disintegration and sea level rise.

All Together Now Deciding how to change emissions of polluting gases that affect climate through their radiative forcing properties requires that the quantitative impact of these emissions be understood. Most past calculations of this type have considered only the radiative forcing of the specific emission and its atmospheric lifetime. Shindell et al. (p. 716 ; see the Perspectives by Arneth et al. and by Parrish and Zhu ) use sophisticated atmospheric chemical and climate modeling to determine how gas-aerosol interactions affect the radiative properties of the atmosphere, finding significant departures from the standard method for emissions of methane, carbon monoxide, and nitrogen oxides. These findings should help to optimize strategies for mitigating global warming by reducing anthropogenic emissions.

We examine the climate response to solar irradiance changes between the late 17th-century Maunder Minimum and the late 18th century. Global average temperature changes are small (about 0.3 degrees to 0.4 degrees C) in both a climate model and empirical reconstructions. However, regional temperature changes are quite large. In the model, these occur primarily through a forced shift toward the low index state of the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation as solar irradiance decreases. This leads to colder temperatures over the Northern Hemisphere continents, especially in winter (1 degrees to 2 degrees C), in agreement with historical records and proxy data for surface temperatures.

Abstract We outline a new and improved uncertainty analysis for the Goddard Institute for Space Studies Surface Temperature product version 4 (GISTEMP v4). Historical spatial variations in surface temperature anomalies are derived from historical weather station data and ocean data from ships, buoys, and other sensors. Uncertainties arise from measurement uncertainty, changes in spatial coverage of the station record, and systematic biases due to technology shifts and land cover changes. Previously published uncertainty estimates for GISTEMP included only the effect of incomplete station coverage. Here, we update this term using currently available spatial distributions of source data, state‐of‐the‐art reanalyses, and incorporate independently derived estimates for ocean data processing, station homogenization, and other structural biases. The resulting 95% uncertainties are near 0.05 °C in the global annual mean for the last 50 years and increase going back further in time reaching 0.15 °C in 1880. In addition, we quantify the benefits and inherent uncertainty due to the GISTEMP interpolation and averaging method. We use the total uncertainties to estimate the probability for each record year in the GISTEMP to actually be the true record year (to that date) and conclude with 87% likelihood that 2016 was indeed the hottest year of the instrumental period (so far).

Abstract We present a description of the ModelE2 version of the Goddard Institute for Space Studies (GISS) General Circulation Model (GCM) and the configurations used in the simulations performed for the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5). We use six variations related to the treatment of the atmospheric composition, the calculation of aerosol indirect effects, and ocean model component. Specifically, we test the difference between atmospheric models that have noninteractive composition, where radiatively important aerosols and ozone are prescribed from precomputed decadal averages, and interactive versions where atmospheric chemistry and aerosols are calculated given decadally varying emissions. The impact of the first aerosol indirect effect on clouds is either specified using a simple tuning, or parameterized using a cloud microphysics scheme. We also use two dynamic ocean components: the Russell and HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) which differ significantly in their basic formulations and grid. Results are presented for the climatological means over the satellite era (1980–2004) taken from transient simulations starting from the preindustrial (1850) driven by estimates of appropriate forcings over the 20th Century. Differences in base climate and variability related to the choice of ocean model are large, indicating an important structural uncertainty. The impact of interactive atmospheric composition on the climatology is relatively small except in regions such as the lower stratosphere, where ozone plays an important role, and the tropics, where aerosol changes affect the hydrological cycle and cloud cover. While key improvements over previous versions of the model are evident, these are not uniform across all metrics.

Turning Up the Heat The physical effect of atmospheric carbon dioxide on Earth's energy budget—that is, its “greenhouse effect”—has been understood for more than 100 years, but its role in climate warming is still not universally accepted. Lacis et al. (p. 356 ) conducted a set of idealized climate model experiments in which various greenhouse gases were added to or subtracted from the atmosphere in order to illustrate their roles in controlling the temperature of the air. The findings clearly show that carbon dioxide exerts the most control on Earth's climate, and that its abundance determines how much water vapor the atmosphere contains, even though the radiative effect of the water vapor is greater than that of carbon dioxide itself.