Abstract. By coordinating the design and distribution of global climate model simulations of the past, current, and future climate, the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) has become one of the foundational elements of climate science. However, the need to address an ever-expanding range of scientific questions arising from more and more research communities has made it necessary to revise the organization of CMIP. After a long and wide community consultation, a new and more federated structure has been put in place. It consists of three major elements: (1) a handful of common experiments, the DECK (Diagnostic, Evaluation and Characterization of Klima) and CMIP historical simulations (1850–near present) that will maintain continuity and help document basic characteristics of models across different phases of CMIP; (2) common standards, coordination, infrastructure, and documentation that will facilitate the distribution of model outputs and the characterization of the model ensemble; and (3) an ensemble of CMIP-Endorsed Model Intercomparison Projects (MIPs) that will be specific to a particular phase of CMIP (now CMIP6) and that will build on the DECK and CMIP historical simulations to address a large range of specific questions and fill the scientific gaps of the previous CMIP phases. The DECK and CMIP historical simulations, together with the use of CMIP data standards, will be the entry cards for models participating in CMIP. Participation in CMIP6-Endorsed MIPs by individual modelling groups will be at their own discretion and will depend on their scientific interests and priorities. With the Grand Science Challenges of the World Climate Research Programme (WCRP) as its scientific backdrop, CMIP6 will address three broad questions: – How does the Earth system respond to forcing? – What are the origins and consequences of systematic model biases? – How can we assess future climate changes given internal climate variability, predictability, and uncertainties in scenarios? This CMIP6 overview paper presents the background and rationale for the new structure of CMIP, provides a detailed description of the DECK and CMIP6 historical simulations, and includes a brief introduction to the 21 CMIP6-Endorsed MIPs.

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.

ECHAM6, the sixth generation of the atmospheric general circulation model ECHAM, is described. Major changes with respect to its predecessor affect the representation of shortwave radiative transfer, the height of the model top. Minor changes have been made to model tuning and convective triggering. Several model configurations, differing in horizontal and vertical resolution, are compared. As horizontal resolution is increased beyond T63, the simulated climate improves but changes are incremental; major biases appear to be limited by the parameterization of small‐scale physical processes, such as clouds and convection. Higher vertical resolution in the middle atmosphere leads to a systematic reduction in temperature biases in the upper troposphere, and a better representation of the middle atmosphere and its modes of variability. ECHAM6 represents the present climate as well as, or better than, its predecessor. The most marked improvements are evident in the circulation of the extratropics. ECHAM6 continues to have a good representation of tropical variability. A number of biases, however, remain. These include a poor representation of low‐level clouds, systematic shifts in major precipitation features, biases in the partitioning of precipitation between land and sea (particularly in the tropics), and midlatitude jets that appear to be insufficiently poleward. The response of ECHAM6 to increasing concentrations of greenhouse gases is similar to that of ECHAM5. The equilibrium climate sensitivity of the mixed‐resolution (T63L95) configuration is between 2.9 and 3.4 K and is somewhat larger for the 47 level model. Cloud feedbacks and adjustments contribute positively to warming from increasing greenhouse gases.

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

Our understanding of the interactions between clouds, circulation and climate is limited. Four central research questions — now tractable through advances in models, concepts and observations — are proposed to accelerate future progress. Fundamental puzzles of climate science remain unsolved because of our limited understanding of how clouds, circulation and climate interact. One example is our inability to provide robust assessments of future global and regional climate changes. However, ongoing advances in our capacity to observe, simulate and conceptualize the climate system now make it possible to fill gaps in our knowledge. We argue that progress can be accelerated by focusing research on a handful of important scientific questions that have become tractable as a result of recent advances. We propose four such questions below; they involve understanding the role of cloud feedbacks and convective organization in climate, and the factors that control the position, the strength and the variability of the tropical rain belts and the extratropical storm tracks.

This paper reports an intercomparison study on undisturbed trade wind cumulus convection under steady-state conditions as observed during the Barbados Oceanographic and Meteorological Experiment (BOMEX) with 10 large eddy simulation (LES) models. A main objective of this study is to obtain a quantitative assessment of the quality of the turbulent dynamics for this type of boundary layer clouds as produced by the different LES codes. A 6-h simulation shows excellent model-to-model agreement of the observed vertical thermodynamical structure, reasonable agreement of variances and turbulent fluxes, and good agreement of quantities conditionally sampled within the model clouds, such as cloud cover, liquid water, and cloud updraft strength. In the second part of this paper the LES dataset is used to evaluate simple models that are used in parameterizations of current general circulation models (GCMs). Finally, the relation of this work to subsequent LES studies of more complicated regimes is discussed, and guidance is given for the design of future observational studies of shallow cumulus boundary layers.

Abstract Data from the first research flight (RF01) of the second Dynamics and Chemistry of Marine Stratocumulus (DYCOMS-II) field study are used to evaluate the fidelity with which large-eddy simulations (LESs) can represent the turbulent structure of stratocumulus-topped boundary layers. The initial data and forcings for this case placed it in an interesting part of parameter space, near the boundary where cloud-top mixing is thought to render the cloud layer unstable on the one hand, or tending toward a decoupled structure on the other hand. The basis of this evaluation consists of sixteen 4-h simulations from 10 modeling centers over grids whose vertical spacing was 5 m at the cloud-top interface and whose horizontal spacing was 35 m. Extensive sensitivity studies of both the configuration of the case and the numerical setup also enhanced the analysis. Overall it was found that (i) if efforts are made to reduce spurious mixing at cloud top, either by refining the vertical grid or limiting the effects of the subgrid model in this region, then the observed turbulent and thermodynamic structure of the layer can be reproduced with some fidelity; (ii) the base, or native configuration of most simulations greatly overestimated mixing at cloud top, tending toward a decoupled layer in which cloud liquid water path and turbulent intensities were grossly underestimated; (iii) the sensitivity of the simulations to the representation of mixing at cloud top is, to a certain extent, amplified by particulars of this case. Overall the results suggest that the use of LESs to map out the behavior of the stratocumulus-topped boundary layer in this interesting region of parameter space requires a more compelling representation of processes at cloud top. In the absence of significant leaps in the understanding of subgrid-scale (SGS) physics, such a representation can only be achieved by a significant refinement in resolution—a refinement that, while conceivable given existing resources, is probably still beyond the reach of most centers.

During a development stage global climate models have their properties adjusted or tuned in various ways to best match the known state of the Earth's climate system. These desired properties are observables, such as the radiation balance at the top of the atmosphere, the global mean temperature, sea ice, clouds and wind fields. The tuning is typically performed by adjusting uncertain, or even non‐observable, parameters related to processes not explicitly represented at the model grid resolution. The practice of climate model tuning has seen an increasing level of attention because key model properties, such as climate sensitivity, have been shown to depend on frequently used tuning parameters. Here we provide insights into how climate model tuning is practically done in the case of closing the radiation balance and adjusting the global mean temperature for the Max Planck Institute Earth System Model (MPI‐ESM). We demonstrate that considerable ambiguity exists in the choice of parameters, and present and compare three alternatively tuned, yet plausible configurations of the climate model. The impacts of parameter tuning on climate sensitivity was less than anticipated.

A better representation of the coupling between atmospheric water and circulation is necessary to reduce imprecision in climate model projections.