Patterns of Change The global climate record of the past 1500 years shows two long intervals of anomalous temperatures before the obvious anthropogenic warming of the 20th century: the warm Medieval Climate Anomaly between roughly 950 and 1250 A.D. and the Little Ice Age between around 1400 and 1700 A.D. It has become increasingly clear in recent years, however, that climate changes inevitably involve a complex pattern of regional changes, whose inhomogeneities contain valuable insights into the mechanisms that cause them. Mann et al. (p. 1256 ) analyzed proxy records of climate since 500 A.D. and compared their global patterns with model reconstructions. The results identify the large-scale processes—like El Niño and the North Atlantic Oscillation—that can account for the observations and suggest that dynamic responses to variable radiative forcing were their primary causes.

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.

Why Wait? Tropospheric ozone can be dangerous to human health, can be harmful to vegetation, and is a major contributor to climate warming. Black carbon also has significant negative effects on health and air quality and causes warming of the atmosphere. Shindell et al. (p. 183 ) present results of an analysis of emissions, atmospheric processes, and impacts for each of these pollutants. Seven measures were identified that, if rapidly implemented, would significantly reduce global warming over the next 50 years, with the potential to prevent millions of deaths worldwide from outdoor air pollution. Furthermore, some crop yields could be improved by decreasing agricultural damage. Most of the measures thus appear to have economic benefits well above the cost of their implementation.

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.

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.

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.

Understanding the surface O 3 response over a “receptor” region to emission changes over a foreign “source” region is key to evaluating the potential gains from an international approach to abate ozone (O 3 ) pollution. We apply an ensemble of 21 global and hemispheric chemical transport models to estimate the spatial average surface O 3 response over east Asia (EA), Europe (EU), North America (NA), and south Asia (SA) to 20% decreases in anthropogenic emissions of the O 3 precursors, NO x , NMVOC, and CO (individually and combined), from each of these regions. We find that the ensemble mean surface O 3 concentrations in the base case (year 2001) simulation matches available observations throughout the year over EU but overestimates them by >10 ppb during summer and early fall over the eastern United States and Japan. The sum of the O 3 responses to NO x , CO, and NMVOC decreases separately is approximately equal to that from a simultaneous reduction of all precursors. We define a continental‐scale “import sensitivity” as the ratio of the O 3 response to the 20% reductions in foreign versus “domestic” (i.e., over the source region itself) emissions. For example, the combined reduction of emissions from the three foreign regions produces an ensemble spatial mean decrease of 0.6 ppb over EU (0.4 ppb from NA), less than the 0.8 ppb from the reduction of EU emissions, leading to an import sensitivity ratio of 0.7. The ensemble mean surface O 3 response to foreign emissions is largest in spring and late fall (0.7–0.9 ppb decrease in all regions from the combined precursor reductions in the three foreign regions), with import sensitivities ranging from 0.5 to 1.1 (responses to domestic emission reductions are 0.8–1.6 ppb). High O 3 values are much more sensitive to domestic emissions than to foreign emissions, as indicated by lower import sensitivities of 0.2 to 0.3 during July in EA, EU, and NA when O 3 levels are typically highest and by the weaker relative response of annual incidences of daily maximum 8‐h average O 3 above 60 ppb to emission reductions in a foreign region (<10–20% of that to domestic) as compared to the annual mean response (up to 50% of that to domestic). Applying the ensemble annual mean results to changes in anthropogenic emissions from 1996 to 2002, we estimate a Northern Hemispheric increase in background surface O 3 of about 0.1 ppb a −1 , at the low end of the 0.1–0.5 ppb a −1 derived from observations. From an additional simulation in which global atmospheric methane was reduced, we infer that 20% reductions in anthropogenic methane emissions from a foreign source region would yield an O 3 response in a receptor region that roughly equals that produced by combined 20% reductions of anthropogenic NO x , NMVOC, and CO emissions from the foreign source region.

This paper describes the GISS-E2.1 contribution to the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 6 (CMIP6). This model version differs from the predecessor model (GISS-E2) chiefly due to parameterization improvements to the atmospheric and ocean model components, while keeping atmospheric resolution the same. Model skill when compared to modern era climatologies is significantly higher than in previous versions. Additionally, updates in forcings have a material impact on the results. In particular, there have been specific improvements in representations of modes of variability (such as the Madden-Julian Oscillation and other modes in the Pacific) and significant improvements in the simulation of the climate of the Southern Oceans, including sea ice. The effective climate sensitivity to 2 × CO2 is slightly higher than previously at 2.7-3.1°C (depending on version) and is a result of lower CO2 radiative forcing and stronger positive feedbacks.