The new Max‐Planck‐Institute Earth System Model (MPI‐ESM) is used in the Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (CMIP5) in a series of climate change experiments for either idealized CO 2 ‐only forcing or forcings based on observations and the Representative Concentration Pathway (RCP) scenarios. The paper gives an overview of the model configurations, experiments related forcings, and initialization procedures and presents results for the simulated changes in climate and carbon cycle. It is found that the climate feedback depends on the global warming and possibly the forcing history. The global warming from climatological 1850 conditions to 2080–2100 ranges from 1.5°C under the RCP2.6 scenario to 4.4°C under the RCP8.5 scenario. Over this range, the patterns of temperature and precipitation change are nearly independent of the global warming. The model shows a tendency to reduce the ocean heat uptake efficiency toward a warmer climate, and hence acceleration in warming in the later years. The precipitation sensitivity can be as high as 2.5% K −1 if the CO 2 concentration is constant, or as small as 1.6% K −1 , if the CO 2 concentration is increasing. The oceanic uptake of anthropogenic carbon increases over time in all scenarios, being smallest in the experiment forced by RCP2.6 and largest in that for RCP8.5. The land also serves as a net carbon sink in all scenarios, predominantly in boreal regions. The strong tropical carbon sources found in the RCP2.6 and RCP8.5 experiments are almost absent in the RCP4.5 experiment, which can be explained by reforestation in the RCP4.5 scenario.

A new release of the Max Planck Institute for Meteorology Earth System Model version 1.2 (MPI-ESM1.2) is presented. The development focused on correcting errors in and improving the physical processes representation, as well as improving the computational performance, versatility, and overall user friendliness. In addition to new radiation and aerosol parameterizations of the atmosphere, several relatively large, but partly compensating, coding errors in the model's cloud, convection, and turbulence parameterizations were corrected. The representation of land processes was refined by introducing a multilayer soil hydrology scheme, extending the land biogeochemistry to include the nitrogen cycle, replacing the soil and litter decomposition model and improving the representation of wildfires. The ocean biogeochemistry now represents cyanobacteria prognostically in order to capture the response of nitrogen fixation to changing climate conditions and further includes improved detritus settling and numerous other refinements. As something new, in addition to limiting drift and minimizing certain biases, the instrumental record warming was explicitly taken into account during the tuning process. To this end, a very high climate sensitivity of around 7 K caused by low-level clouds in the tropics as found in an intermediate model version was addressed, as it was not deemed possible to match observed warming otherwise. As a result, the model has a climate sensitivity to a doubling of CO

The Hamburg Ocean Primitive Equation model has undergone significant development in recent years. Most notable is the treatment of horizontal discretisation which has undergone transition from a staggered E-grid to an orthogonal curvilinear C-grid. The treatment of subgridscale mixing has been improved by the inclusion of a new formulation of bottom boundary layer (BBL) slope convection, an isopycnal diffusion scheme, and a Gent and McWilliams style eddy-induced mixing parameterisation. The model setup described here has a north pole over Greenland and a south pole on the coast of the Weddell Sea. This gives relatively high resolution in the sinking regions associated with the thermohaline circulation. Results are presented from a 450 year climatologically forced integration. The forcing is a product of the German Ocean Model Intercomparison Project and is derived from the European Centre for Medium Range Weather Forecasting reanalysis. The main emphasis is on the model’s representation of key quantities that are easily associated with the ocean’s role in the global climate system. The global and Atlantic northward poleward heat transports have peaks of 1.43 and 0.84 PW, at 18° and 21° N respectively. The Atlantic meridional overturning streamfunction has a peak of 15.7 Sv in the North Atlantic and an outflow of 11.9 Sv at 30° S. Comparison with a simulation excluding BBL shows that the scheme is responsible for up to a 25% increase in North Atlantic heat transport, with significant improvement of the depths of convection in the Greenland, Labrador and Irminger Seas. Despite the improvements, comparison with observations shows the heat transport still to be too weak. Other outstanding problems include an incorrect Gulf Stream pathway, a too strong Antarctic Circumpolar Current, and a too weak renewal of Antarctic Intermediate Water. Nevertheless, the model has been coupled to the atmospheric GCM ECHAM5 and run successfully for over 250 years without any surface flux corrections.

Abstract The Atlantic thermohaline circulation (THC) is an important part of the earth's climate system. Previous research has shown large uncertainties in simulating future changes in this critical system. The simulated THC response to idealized freshwater perturbations and the associated climate changes have been intercompared as an activity of World Climate Research Program (WCRP) Coupled Model Intercomparison Project/Paleo-Modeling Intercomparison Project (CMIP/PMIP) committees. This intercomparison among models ranging from the earth system models of intermediate complexity (EMICs) to the fully coupled atmosphere–ocean general circulation models (AOGCMs) seeks to document and improve understanding of the causes of the wide variations in the modeled THC response. The robustness of particular simulation features has been evaluated across the model results. In response to 0.1-Sv (1 Sv ≡ 106 m3 s−1) freshwater input in the northern North Atlantic, the multimodel ensemble mean THC weakens by 30% after 100 yr. All models simulate some weakening of the THC, but no model simulates a complete shutdown of the THC. The multimodel ensemble indicates that the surface air temperature could present a complex anomaly pattern with cooling south of Greenland and warming over the Barents and Nordic Seas. The Atlantic ITCZ tends to shift southward. In response to 1.0-Sv freshwater input, the THC switches off rapidly in all model simulations. A large cooling occurs over the North Atlantic. The annual mean Atlantic ITCZ moves into the Southern Hemisphere. Models disagree in terms of the reversibility of the THC after its shutdown. In general, the EMICs and AOGCMs obtain similar THC responses and climate changes with more pronounced and sharper patterns in the AOGCMs.

Abstract This paper describes the mean ocean circulation and the tropical variability simulated by the Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M) coupled atmosphere–ocean general circulation model (AOGCM). Results are presented from a version of the coupled model that served as a prototype for the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report (AR4) simulations. The model does not require flux adjustment to maintain a stable climate. A control simulation with present-day greenhouse gases is analyzed, and the simulation of key oceanic features, such as sea surface temperatures (SSTs), large-scale circulation, meridional heat and freshwater transports, and sea ice are compared with observations. A parameterization that accounts for the effect of ocean currents on surface wind stress is implemented in the model. The largest impact of this parameterization is in the tropical Pacific, where the mean state is significantly improved: the strength of the trade winds and the associated equatorial upwelling weaken, and there is a reduction of the model’s equatorial cold SST bias by more than 1 K. Equatorial SST variability also becomes more realistic. The strength of the variability is reduced by about 30% in the eastern equatorial Pacific and the extension of SST variability into the warm pool is significantly reduced. The dominant El Niño–Southern Oscillation (ENSO) period shifts from 3 to 4 yr. Without the parameterization an unrealistically strong westward propagation of SST anomalies is simulated. The reasons for the changes in variability are linked to changes in both the mean state and to a reduction in atmospheric sensitivity to SST changes and oceanic sensitivity to wind anomalies.

Societal upheaval occurred across Eurasia in the sixth and seventh centuries. Tree-ring reconstructions suggest a period of pronounced cooling during this time associated with several volcanic eruptions. Climatic changes during the first half of the Common Era have been suggested to play a role in societal reorganizations in Europe1,2 and Asia3,4. In particular, the sixth century coincides with rising and falling civilizations1,2,3,4,5,6, pandemics7,8, human migration and political turmoil8,9,10,11,12,13. Our understanding of the magnitude and spatial extent as well as the possible causes and concurrences of climate change during this period is, however, still limited. Here we use tree-ring chronologies from the Russian Altai and European Alps to reconstruct summer temperatures over the past two millennia. We find an unprecedented, long-lasting and spatially synchronized cooling following a cluster of large volcanic eruptions in 536, 540 and 547 AD (ref. 14), which was probably sustained by ocean and sea-ice feedbacks15,16, as well as a solar minimum17. We thus identify the interval from 536 to about 660 AD as the Late Antique Little Ice Age. Spanning most of the Northern Hemisphere, we suggest that this cold phase be considered as an additional environmental factor contributing to the establishment of the Justinian plague7,8, transformation of the eastern Roman Empire and collapse of the Sasanian Empire1,2,5, movements out of the Asian steppe and Arabian Peninsula8,11,12, spread of Slavic-speaking peoples9,10 and political upheavals in China13.

MPI‐ESM is a new version of the global Earth system model developed at the Max Planck Institute for Meteorology. This paper describes the ocean state and circulation as well as basic aspects of variability in simulations contributing to the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5). The performance of the ocean/sea‐ice model MPIOM, coupled to a new version of the atmosphere model ECHAM6 and modules for land surface and ocean biogeochemistry, is assessed for two model versions with different grid resolution in the ocean. The low‐resolution configuration has a nominal resolution of 1.5 ° , whereas the higher resolution version features a quasiuniform, eddy‐permitting global resolution of 0.4 ° . The paper focuses on important oceanic features, such as surface temperature and salinity, water mass distribution, large‐scale circulation, and heat and freshwater transports. In general, these integral quantities are simulated well in comparison with observational estimates, and improvements in comparison with the predecessor system are documented; for example, for tropical variability and sea ice representation. Introducing an eddy‐permitting grid configuration in the ocean leads to improvements, in particular, in the representation of interior water mass properties in the Atlantic and in the representation of important ocean currents, such as the Agulhas and Equatorial current systems. In general, however, there are more similarities than differences between the two grid configurations, and several shortcomings, known from earlier versions of the coupled model, prevail.

Coordinated Ocean-ice Reference Experiments (COREs) are presented as a tool to explore the behaviour of global ocean-ice models under forcing from a common atmospheric dataset. We highlight issues arising when designing coupled global ocean and sea ice experiments, such as difficulties formulating a consistent forcing methodology and experimental protocol. Particular focus is given to the hydrological forcing, the details of which are key to realizing simulations with stable meridional overturning circulations. The atmospheric forcing from [Large, W., Yeager, S., 2004. Diurnal to decadal global forcing for ocean and sea-ice models: the data sets and flux climatologies. NCAR Technical Note: NCAR/TN-460+STR. CGD Division of the National Center for Atmospheric Research] was developed for coupled-ocean and sea ice models. We found it to be suitable for our purposes, even though its evaluation originally focussed more on the ocean than on the sea-ice. Simulations with this atmospheric forcing are presented from seven global ocean-ice models using the CORE-I design (repeating annual cycle of atmospheric forcing for 500 years). These simulations test the hypothesis that global ocean-ice models run under the same atmospheric state produce qualitatively similar simulations. The validity of this hypothesis is shown to depend on the chosen diagnostic. The CORE simulations provide feedback to the fidelity of the atmospheric forcing and model configuration, with identification of biases promoting avenues for forcing dataset and/or model development.

As part of the Coupled Model Intercomparison Project, integrations with a common design have been undertaken with eleven different climate models to compare the response of the Atlantic thermohaline circulation (THC) to time‐dependent climate change caused by increasing atmospheric CO 2 concentration. Over 140 years, during which the CO 2 concentration quadruples, the circulation strength declines gradually in all models, by between 10 and 50%. No model shows a rapid or complete collapse, despite the fairly rapid increase and high final concentration of CO 2 . The models having the strongest overturning in the control climate tend to show the largest THC reductions. In all models, the THC weakening is caused more by changes in surface heat flux than by changes in surface water flux. No model shows a cooling anywhere, because the greenhouse warming is dominant.