During the "Green Sahara" period (11,000 to 5000 years before the present), the Sahara desert received high amounts of rainfall, supporting diverse vegetation, permanent lakes, and human populations. Our knowledge of rainfall rates and the spatiotemporal extent of wet conditions has suffered from a lack of continuous sedimentary records. We present a quantitative reconstruction of western Saharan precipitation derived from leaf wax isotopes in marine sediments. Our data indicate that the Green Sahara extended to 31°N and likely ended abruptly. We find evidence for a prolonged "pause" in Green Sahara conditions 8000 years ago, coincident with a temporary abandonment of occupational sites by Neolithic humans. The rainfall rates inferred from our data are best explained by strong vegetation and dust feedbacks; without these mechanisms, climate models systematically fail to reproduce the Green Sahara. This study suggests that accurate simulations of future climate change in the Sahara and Sahel will require improvements in our ability to simulate vegetation and dust feedbacks.

Abstract. Two interglacial epochs are included in the suite of Paleoclimate Modeling Intercomparison Project (PMIP4) simulations in the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). The experimental protocols for simulations of the mid-Holocene (midHolocene, 6000 years before present) and the Last Interglacial (lig127k, 127 000 years before present) are described here. These equilibrium simulations are designed to examine the impact of changes in orbital forcing at times when atmospheric greenhouse gas levels were similar to those of the preindustrial period and the continental configurations were almost identical to modern ones. These simulations test our understanding of the interplay between radiative forcing and atmospheric circulation, and the connections among large-scale and regional climate changes giving rise to phenomena such as land–sea contrast and high-latitude amplification in temperature changes, and responses of the monsoons, as compared to today. They also provide an opportunity, through carefully designed additional sensitivity experiments, to quantify the strength of atmosphere, ocean, cryosphere, and land-surface feedbacks. Sensitivity experiments are proposed to investigate the role of freshwater forcing in triggering abrupt climate changes within interglacial epochs. These feedback experiments naturally lead to a focus on climate evolution during interglacial periods, which will be examined through transient experiments. Analyses of the sensitivity simulations will also focus on interactions between extratropical and tropical circulation, and the relationship between changes in mean climate state and climate variability on annual to multi-decadal timescales. The comparative abundance of paleoenvironmental data and of quantitative climate reconstructions for the Holocene and Last Interglacial make these two epochs ideal candidates for systematic evaluation of model performance, and such comparisons will shed new light on the importance of external feedbacks (e.g., vegetation, dust) and the ability of state-of-the-art models to simulate climate changes realistically.

An extreme megadrought occurred in the Afro-Asian monsoon region during an iceberg melting episode 50,000 years ago.

The West African Monsoon (WAM) is crucial for the socio-economic stability of millions of people living in the Sahel. Severe droughts have ravaged the region in the last three decades of the 20th century, highlighting the need for a better understanding of the WAM dynamics. One of the most dramatic changes in the West African Monsoon (WAM) occurred between 15000–5000 yr BP, when increased summer rainfall led to the so-called "Green Sahara" and to a reduction in dust emissions from the region. However, model experiments are unable to fully reproduce the intensification and geographical expansion of the WAM during this period, even when vegetation over the Sahara is considered. Here, we use a fully coupled simulation for 6000 yr BP (Mid-Holocene) in which prescribed Saharan vegetation and dust concentrations are changed in turn. A closer agreement with proxy records is obtained only when both the Saharan vegetation changes and dust decrease are taken into account. The dust reduction strengthens the vegetation–albedo feedback, extending the monsoon's northern limit approximately 500 km further than the vegetation-change case only. We therefore conclude that accounting for changes in Saharan dust loadings is essential for improving model simulations of the WAM during the Mid-Holocene.

Abstract. The enhancement of the stratospheric aerosol layer by volcanic eruptions induces a complex set of responses causing global and regional climate effects on a broad range of timescales. Uncertainties exist regarding the climatic response to strong volcanic forcing identified in coupled climate simulations that contributed to the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5). In order to better understand the sources of these model diversities, the Model Intercomparison Project on the climatic response to Volcanic forcing (VolMIP) has defined a coordinated set of idealized volcanic perturbation experiments to be carried out in alignment with the CMIP6 protocol. VolMIP provides a common stratospheric aerosol data set for each experiment to minimize differences in the applied volcanic forcing. It defines a set of initial conditions to assess how internal climate variability contributes to determining the response. VolMIP will assess to what extent volcanically forced responses of the coupled ocean–atmosphere system are robustly simulated by state-of-the-art coupled climate models and identify the causes that limit robust simulated behavior, especially differences in the treatment of physical processes. This paper illustrates the design of the idealized volcanic perturbation experiments in the VolMIP protocol and describes the common aerosol forcing input data sets to be used.

In the future, the Sahara and Sahelian regions could experience more rainfall than today as a result of climate change. Wetter periods, termed African humid periods, occurred in the past and witnessed a mesic landscape in place of today's hyperarid and semiarid environment. Such large past changes raise the question of whether the near future might hold in store similar environmental transformations, particularly in view of the growing human-induced climate, land-use, and land-cover changes. In the last decades, geoengineering initiatives (in the form of active re-greening projects of the Sahara and Sahel) have been proposed and could have significant effects on the climate of the region. Here, we synthesize the literature on past and projected changes in the hydroclimate of the Sahelian-Saharan region and the associated feedbacks. We further address the current state of knowledge concerning Saharan and Sahelian afforestation projects and their consequences. Our review underscores the importance of vegetation in land-atmosphere-ocean feedback processes and the far-field impacts of northern African ecosystem changes. In the future, the Sahara and Sahelian regions could experience more rainfall than today as a result of climate change. Wetter periods, termed African humid periods, occurred in the past and witnessed a mesic landscape in place of today's hyperarid and semiarid environment. Such large past changes raise the question of whether the near future might hold in store similar environmental transformations, particularly in view of the growing human-induced climate, land-use, and land-cover changes. In the last decades, geoengineering initiatives (in the form of active re-greening projects of the Sahara and Sahel) have been proposed and could have significant effects on the climate of the region. Here, we synthesize the literature on past and projected changes in the hydroclimate of the Sahelian-Saharan region and the associated feedbacks. We further address the current state of knowledge concerning Saharan and Sahelian afforestation projects and their consequences. Our review underscores the importance of vegetation in land-atmosphere-ocean feedback processes and the far-field impacts of northern African ecosystem changes.

Abstract This review article provides a synthesis and perspective on how weather and climate extreme events can play a role in influencing tipping elements and triggering tipping points in the Earth System. An example of a potential critical global tipping point, induced by climate extremes in an increasingly warmer climate, is Amazon rainforest dieback that could be driven by regional increases in droughts and exacerbated by fires, in addition to deforestation. A tipping element associated with the boreal forest might also be vulnerable to heat, drought and fire. An oceanic example is the potential collapse of the Atlantic meridional overturning circulation due to extreme variability in freshwater inputs, while marine heatwaves and high acidity extremes can lead to coral reef collapse. Extreme heat events may furthermore play an important role in ice sheet, glacier and permafrost stability. Regional severe extreme events could also lead to tipping in ecosystems, as well as in human systems, in response to climate drivers. However, substantial scientific uncertainty remains on mechanistic links between extreme events and tipping points. Earth observations are of high relevance to evaluate and constrain those links between extreme events and tipping elements, by determining conditions leading to delayed recovery with a potential for tipping in the atmosphere, on land, in vegetation, and in the ocean. In the subsurface ocean, there is a lack of consistent, synoptic and high frequency observations of changes in both ocean physics and biogeochemistry. This review article shows the importance of considering the interface between extreme events and tipping points, two topics usually addressed in isolation, and the need for continued monitoring to observe early warning signs and to evaluate Earth system response to extreme events as well as improving model skill in simulating extremes, compound extremes and tipping elements.

Abstract. During the first half of the Holocene (11 000 to 5000 years ago), the Northern Hemisphere experienced a strengthening of the monsoonal regime, with climate reconstructions robustly suggesting a greening of the Sahara region. Palaeoclimate archives also show that this so-called African humid period (AHP) was accompanied by changes in climate conditions at middle to high latitudes. However, inconsistencies still exist in reconstructions of the mid-Holocene (MH) climate at mid-latitudes, and model simulations provide limited support in reducing these discrepancies. In this paper, a set of simulations performed using a climate model are used to investigate the hitherto unexplored impact of Saharan greening on mid-latitude atmospheric circulation during the MH. Numerical simulations show Saharan greening has a year-round impact on the main circulation features in the Northern Hemisphere, especially during boreal summer (when the African monsoon develops). Key findings include a westward shift in the global Walker Circulation, leading to modifications in the North Atlantic jet stream in summer and the North Pacific jet stream in winter. Furthermore, Saharan greening modifies atmospheric synoptic circulation over the North Atlantic, enhancing the effect of orbital forcing on the transition of the North Atlantic Oscillation phase from predominantly positive to negative in winter and summer. Although the prescription of vegetation in the Sahara does not improve the proxy–model agreement, this study provides the first constraint on the influence of Saharan greening on northern mid-latitudes, opening new opportunities for understanding MH climate anomalies in regions such as North America and Eurasia.