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.

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.

Abstract. This paper presents a summary of the work done within the European Union's Seventh Framework Programme project ECLIPSE (Evaluating the Climate and Air Quality Impacts of Short-Lived Pollutants). ECLIPSE had a unique systematic concept for designing a realistic and effective mitigation scenario for short-lived climate pollutants (SLCPs; methane, aerosols and ozone, and their precursor species) and quantifying its climate and air quality impacts, and this paper presents the results in the context of this overarching strategy. The first step in ECLIPSE was to create a new emission inventory based on current legislation (CLE) for the recent past and until 2050. Substantial progress compared to previous work was made by including previously unaccounted types of sources such as flaring of gas associated with oil production, and wick lamps. These emission data were used for present-day reference simulations with four advanced Earth system models (ESMs) and six chemistry transport models (CTMs). The model simulations were compared with a variety of ground-based and satellite observational data sets from Asia, Europe and the Arctic. It was found that the models still underestimate the measured seasonality of aerosols in the Arctic but to a lesser extent than in previous studies. Problems likely related to the emissions were identified for northern Russia and India, in particular. To estimate the climate impacts of SLCPs, ECLIPSE followed two paths of research: the first path calculated radiative forcing (RF) values for a large matrix of SLCP species emissions, for different seasons and regions independently. Based on these RF calculations, the Global Temperature change Potential metric for a time horizon of 20 years (GTP20) was calculated for each SLCP emission type. This climate metric was then used in an integrated assessment model to identify all emission mitigation measures with a beneficial air quality and short-term (20-year) climate impact. These measures together defined a SLCP mitigation (MIT) scenario. Compared to CLE, the MIT scenario would reduce global methane (CH4) and black carbon (BC) emissions by about 50 and 80 %, respectively. For CH4, measures on shale gas production, waste management and coal mines were most important. For non-CH4 SLCPs, elimination of high-emitting vehicles and wick lamps, as well as reducing emissions from gas flaring, coal and biomass stoves, agricultural waste, solvents and diesel engines were most important. These measures lead to large reductions in calculated surface concentrations of ozone and particulate matter. We estimate that in the EU, the loss of statistical life expectancy due to air pollution was 7.5 months in 2010, which will be reduced to 5.2 months by 2030 in the CLE scenario. The MIT scenario would reduce this value by another 0.9 to 4.3 months. Substantially larger reductions due to the mitigation are found for China (1.8 months) and India (11–12 months). The climate metrics cannot fully quantify the climate response. Therefore, a second research path was taken. Transient climate ensemble simulations with the four ESMs were run for the CLE and MIT scenarios, to determine the climate impacts of the mitigation. In these simulations, the CLE scenario resulted in a surface temperature increase of 0.70 ± 0.14 K between the years 2006 and 2050. For the decade 2041–2050, the warming was reduced by 0.22 ± 0.07 K in the MIT scenario, and this result was in almost exact agreement with the response calculated based on the emission metrics (reduced warming of 0.22 ± 0.09 K). The metrics calculations suggest that non-CH4 SLCPs contribute ~ 22 % to this response and CH4 78 %. This could not be fully confirmed by the transient simulations, which attributed about 90 % of the temperature response to CH4 reductions. Attribution of the observed temperature response to non-CH4 SLCP emission reductions and BC specifically is hampered in the transient simulations by small forcing and co-emitted species of the emission basket chosen. Nevertheless, an important conclusion is that our mitigation basket as a whole would lead to clear benefits for both air quality and climate. The climate response from BC reductions in our study is smaller than reported previously, possibly because our study is one of the first to use fully coupled climate models, where unforced variability and sea ice responses cause relatively strong temperature fluctuations that may counteract (and, thus, mask) the impacts of small emission reductions. The temperature responses to the mitigation were generally stronger over the continents than over the oceans, and with a warming reduction of 0.44 K (0.39–0.49) K the largest over the Arctic. Our calculations suggest particularly beneficial climate responses in southern Europe, where surface warming was reduced by about 0.3 K and precipitation rates were increased by about 15 (6–21) mm yr−1 (more than 4 % of total precipitation) from spring to autumn. Thus, the mitigation could help to alleviate expected future drought and water shortages in the Mediterranean area. We also report other important results of the ECLIPSE project.

Abstract. The impact of black carbon (BC) aerosols on the global radiation balance is not well constrained. Here twelve global aerosol models are used to show that at least 20% of the present uncertainty in modeled BC direct radiative forcing (RF) is due to diversity in the simulated vertical profile of BC mass. Results are from phases 1 and 2 of the global aerosol model intercomparison project (AeroCom). Additionally, a significant fraction of the variability is shown to come from high altitudes, as, globally, more than 40% of the total BC RF is exerted above 5 km. BC emission regions and areas with transported BC are found to have differing characteristics. These insights into the importance of the vertical profile of BC lead us to suggest that observational studies are needed to better characterize the global distribution of BC, including in the upper troposphere.

Abstract Precipitation is expected to respond differently to various drivers of anthropogenic climate change. We present the first results from the Precipitation Driver and Response Model Intercomparison Project (PDRMIP), where nine global climate models have perturbed CO 2 , CH 4 , black carbon, sulfate, and solar insolation. We divide the resulting changes to global mean and regional precipitation into fast responses that scale with changes in atmospheric absorption and slow responses scaling with surface temperature change. While the overall features are broadly similar between models, we find significant regional intermodel variability, especially over land. Black carbon stands out as a component that may cause significant model diversity in predicted precipitation change. Processes linked to atmospheric absorption are less consistently modeled than those linked to top‐of‐atmosphere radiative forcing. We identify a number of land regions where the model ensemble consistently predicts that fast precipitation responses to climate perturbations dominate over the slow, temperature‐driven responses.

Abstract The usefulness of previous Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) exercises has been hampered by a lack of radiative forcing information. This has made it difficult to understand reasons for differences between model responses. Effective radiative forcing (ERF) is easier to diagnose than traditional radiative forcing in global climate models (GCMs) and is more representative of the eventual temperature response. Here we examine the different methods of computing ERF in two GCMs. We find that ERF computed from a fixed sea surface temperature (SST) method (ERF_fSST) has much more certainty than regression based methods. Thirty year integrations are sufficient to reduce the 5–95% confidence interval in global ERF_fSST to 0.1 W m −2 . For 2xCO2 ERF, 30 year integrations are needed to ensure that the signal is larger than the local confidence interval over more than 90% of the globe. Within the ERF_fSST method there are various options for prescribing SSTs and sea ice. We explore these and find that ERF is only weakly dependent on the methodological choices. Prescribing the monthly averaged seasonally varying model's preindustrial climatology is recommended for its smaller random error and easier implementation. As part of CMIP6, the Radiative Forcing Model Intercomparison Project (RFMIP) asks models to conduct 30 year ERF_fSST experiments using the model's own preindustrial climatology of SST and sea ice. The Aerosol and Chemistry Model Intercomparison Project (AerChemMIP) will also mainly use this approach. We propose this as a standard method for diagnosing ERF and recommend that it be used across the climate modeling community to aid future comparisons.

Limiting global warming to 1.5 or 2.0°C requires strong mitigation of anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. Concurrently, emissions of anthropogenic aerosols will decline, due to coemission with GHG, and measures to improve air quality. However, the combined climate effect of GHG and aerosol emissions over the industrial era is poorly constrained. Here we show the climate impacts from removing present-day anthropogenic aerosol emissions and compare them to the impacts from moderate GHG-dominated global warming. Removing aerosols induces a global mean surface heating of 0.5–1.1°C, and precipitation increase of 2.0–4.6%. Extreme weather indices also increase. We find a higher sensitivity of extreme events to aerosol reductions, per degree of surface warming, in particular over the major aerosol emission regions. Under near-term warming, we find that regional climate change will depend strongly on the balance between aerosol and GHG forcing.

Abstract. Atmospheric black carbon (BC) absorbs solar radiation, and exacerbates global warming through exerting positive radiative forcing (RF). However, the contribution of BC to ongoing changes in global climate is under debate. Anthropogenic BC emissions, and the resulting distribution of BC concentration, are highly uncertain. In particular, long-range transport and processes affecting BC atmospheric lifetime are poorly understood. Here we discuss whether recent assessments may have overestimated present-day BC radiative forcing in remote regions. We compare vertical profiles of BC concentration from four recent aircraft measurement campaigns to simulations by 13 aerosol models participating in the AeroCom Phase II intercomparison. An atmospheric lifetime of BC of less than 5 days is shown to be essential for reproducing observations in remote ocean regions, in line with other recent studies. Adjusting model results to measurements in remote regions, and at high altitudes, leads to a 25% reduction in AeroCom Phase II median direct BC forcing, from fossil fuel and biofuel burning, over the industrial era. The sensitivity of modelled forcing to BC vertical profile and lifetime highlights an urgent need for further flight campaigns, close to sources and in remote regions, to provide improved quantification of BC effects for use in climate policy.

Rapid adjustments are responses to forcing agents that cause a perturbation to the top of atmosphere energy budget but are uncoupled to changes in surface warming. Different mechanisms are responsible for these adjustments for a variety of climate drivers. These remain to be quantified in detail. It is shown that rapid adjustments reduce the effective radiative forcing (ERF) of black carbon by half of the instantaneous forcing, but for CO2 forcing, rapid adjustments increase ERF. Competing tropospheric adjustments for CO2 forcing are individually significant but sum to zero, such that the ERF equals the stratospherically adjusted radiative forcing, but this is not true for other forcing agents. Additional experiments of increase in the solar constant and increase in CH4 are used to show that a key factor of the rapid adjustment for an individual climate driver is changes in temperature in the upper troposphere and lower stratosphere.