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.

A method is described for rapidly computing the amount of solar energy absorbed at the earth's surface and in the atmosphere as a function of altitude. The method is a parametric treatment, but the form of the solution and the coefficients involved are based on accurate multiple-scattering computations. In this treatment the absorption varies with the amount and type of clouds, the humidity, the zenith angle of the sun, and the albedo of the earth's surface. Within the stratosphere the absorption also depends on the vertical distribution of ozone. This parameterization for solar radiation is being used in current versions of the global atmospheric circulation model developed at the Goddard Institute for Space Studies.

We continue reconstructing Earth's radiation budget from global observations in as much detail as possible to allow diagnosis of the effects of cloud (and surface and other atmospheric constituents) variations on it. This new study was undertaken to reduce the most noticeable systematic errors in our previous results (flux data set calculated mainly using International Satellite Cloud Climatology Project–C1 input data (ISCCP‐FC)) by exploiting the availability of a more advanced NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS) radiative transfer model and improved ISCCP cloud climatology and ancillary data sets. The most important changes are the introduction of a better treatment of ice clouds, revision of the aerosol climatology, accounting for diurnal variations of surface skin/air temperatures and the cloud‐radiative effects on them, revision of the water vapor profiles used, and refinement of the land surface albedos and emissivities. We also extend our previous flux results, limited to the top of atmosphere (TOA) and surface (SRF), to also include three levels within the atmosphere, forming one integrated vertical atmospheric flux profile from SRF to TOA, inclusive, by combining a new climatology of cloud vertical structure with the ISCCP cloud product. Using the new radiative transfer model and new input data sets, we have produced an 18‐year at 3‐hour time steps, global at 280‐km intervals, radiative flux profile data set (called ISCCP‐FD) that provides full‐ and clear‐sky, shortwave and longwave, upwelling and downwelling fluxes at five levels (SRF, 680 mbar, 440 mbar, 100 mbar, and TOA). Evaluation is still only possible for TOA and SRF fluxes: Comparisons of monthly, regional mean values from FD with Earth Radiation Budget Experiment, Clouds and the Earth's Radiant Energy System and Baseline Surface Radiation Network values suggest that we have been able to reduce the overall uncertainties from 10–15 to 5–10 W/m 2 at TOA and from 20–25 to 10–15 W/m 2 at SRF. Annual mean pressure‐latitude cross sections of the cloud effects on atmospheric net radiative fluxes show that clouds shift the longwave cooling downward in the Intertropical Convergence Zone, acting to stabilize the tropical atmosphere while increasing the horizontal heating gradient forcing the Hadley circulation, and shift the longwave cooling upward in the midlatitude storm zones, acting to destabilize the baroclinic zones while decreasing the horizontal heating gradient there.

A global atmospheric model is developed with a computational efficiency which allows long-range climate experiments. The model solves the simultaneous equations for conservation of mass, energy and momentum, and the equation of state on a grid. Differencing schemes for the dynamics are based on work of Arakawa; the schemes do not need any viscosity for numerical stability, and can thus yield good results with coarse resolution. Radiation is computed with a semi-implicit spectral integration, including all significant atmospheric gases, aerosols and cloud particles. Cloud cover and vertical distribution are computed. Convection mixes moisture, heat and momentum, with buoyant air allowed to penetrate to a height determined by its buoyancy. Ground temperature calculations include diurnal variation and seasonal heat storage. Ground hydrology incorporates a water-holding capacity appropriate for the root zone of local vegetation. Snow depth is computed. Snow albedo includes effects of snow age and masking by vegetation. Surface fluxes are obtained from a drag-law formulation and parameterization of the Monin-Obukhov similarity relations. The initial Model I is used for 60 climate sensitivity experiments with integration times from 3 months to 5 years. These experiments determine the dependence of model simulation on various physical assumptions and model parameters. Several modifications are incorporated to produce Model II, the greatest changes arising from more realistic parameterization of the effect of boundary layer stratification on surface fluxes and the addition of friction in the top stratospheric layer to minimize effects of wave reflection from the rigid model top. The model's climate simulations are compared to observations and a brief study is made of effects of horizontal resolution. It is verified that the major features of global climate can be realistically simulated with a resolution as coarse as 1000 km, which requires an order of magnitude less computation time than used by most general circulation models.

A common view is that the current global warming rate will continue or accelerate. But we argue that rapid warming in recent decades has been driven mainly by non-CO 2 greenhouse gases (GHGs), such as chlorofluorocarbons, CH 4 , and N 2 O, not by the products of fossil fuel burning, CO 2 and aerosols, the positive and negative climate forcings of which are partially offsetting. The growth rate of non-CO 2 GHGs has declined in the past decade. If sources of CH 4 and O 3 precursors were reduced in the future, the change in climate forcing by non-CO 2 GHGs in the next 50 years could be near zero. Combined with a reduction of black carbon emissions and plausible success in slowing CO 2 emissions, this reduction of non-CO 2 GHGs could lead to a decline in the rate of global warming, reducing the danger of dramatic climate change. Such a focus on air pollution has practical benefits that unite the interests of developed and developing countries. However, assessment of ongoing and future climate change requires composition-specific long-term global monitoring of aerosol properties.

The global temperature rose by 0.2 degrees C between the middle 1960's and 1980, yielding a warming of 0.4 degrees C in the past century. This temperature increase is consistent with the calculated greenhouse effect due to measured increases of atmospheric carbon dioxide. Variations of volcanic aerosols and possibly solar luminosity appear to be primary causes of observed fluctuations about the mean trend of increasing temperature. It is shown that the anthropogenic carbon dioxide warming should emerge from the noise level of natural climate variability by the end of the century, and there is a high probability of warming in the 1980's. Potential effects on climate in the 21st century include the creation of drought-prone regions in North America and central Asia as part of a shifting of climatic zones, erosion of the West Antarctic ice sheet with a consequent worldwide rise in sea level, and opening of the fabled Northwest Passage.

We describe a radiative transfer method for treating nongray gaseous absorption and thermal emission in vertically inhomogeneous multiple scattering atmospheres. We derive probability density distributions of absorption coefficient strength from line‐by‐line calculations to construct line‐by‐line and band model based k distributions. The monotonic ordering of absorption coefficient strengths in these k distributions implicitly preserves the monochromatic structure of the atmosphere at different pressure levels, thus simulating monochromatic spectral integration at a fraction of the line‐by‐line computing cost. The k distribution approach also permits accurate modeling of overlapping absorption by different atmospheric gases and accurate treatment of nongray absorption in multiple scattering media. To help verify the accuracy of the correlated k distribution method, we compare radiative cooling rates by atmospheric water vapor, CO 2 , and ozone against line‐by‐line calculations. The results show the correlated k distribution method is capable of achieving numerical accuracy to within 1% of cooling rates obtained with line‐by‐line calculations throughout the troposphere and most of the stratosphere.

We use a three‐dimensional climate model, the Goddard Institute for Space Studies (GISS) model II with 8° by 10° horizontal resolution, to simulate the global climate effects of time‐dependent variations of atmospheric trace gases and aerosols. Horizontal heat transport by the ocean is fixed at values estimated for today's climate, and the uptake of heat perturbations by the ocean beneath the mixed layer is approximated as vertical diffusion. We make a 100‐year control run and perform experiments for three scenarios of atmospheric composition. These experiments begin in 1958 and include measured or estimated changes in atmospheric CO 2 , CH 4 , N 2 O, chlorofluorocarbons (CFCs) and stratospheric aerosols for the period from 1958 to the present. Scenario A assumes continued exponential trace gas growth, scenario B assumes a reduced linear growth of trace gases, and scenario C assumes a rapid curtailment of trace gas emissions such that the net climate forcing ceases to increase after the year 2000. Principal results from the experiments are as follows: (1) Global warming to the level attained at the peak of the current interglacial and the previous interglacial occurs in all three scenarios; however, there are dramatic differences in the levels of future warming, depending on trace gas growth. (2) The greenhouse warming should be clearly identifiable in the 1990s; the global warming within the next several years is predicted to reach and maintain a level at least three standard deviations above the climatology of the 1950s. (3) Regions where an unambiguous warming appears earliest are low‐latitude oceans, China and interior areas in Asia, and ocean areas near Antarctica and the north pole; aspects of the spatial and temporal distribution of predicted warming are clearly model‐dependent, implying the possibility of model discrimination by the 1990s and thus improved predictions, if appropriate observations are acquired. (4) The temperature changes are sufficiently large to have major impacts on people and other parts of the biosphere, as shown by computed changes in the frequency of extreme events and by comparison with previous climate trends. (5) The model results suggest some near‐term regional climate variations, despite the fixed ocean heat transport which suppresses many possible regional climate fluctuations; for example, during Hie late 1980s and in the 1990s there is a tendency for greater than average warming in the southeastern and central United States and relatively cooler conditions or less than average warming in the western United States and much of Europe. Principal uncertainties in the predictions involve the equilibrium sensitivity of the model to climate forcing, the assumptions regarding heat uptake and transport by the ocean, and the omission of other less‐certain climate forcings.

The need to understand differences among general circulation model projections of CO 2 ‐induced climatic change has motivated the present study, which provides an intercomparison and interpretation of climate feedback processes in 19 atmospheric general circulation models. This intercomparison uses sea surface temperature change as a surrogate for climate change. The interpretation of cloud‐climate interactions is given special attention. A roughly threefold variation in one measure of global climate sensitivity is found among the 19 models. The important conclusion is that most of this variation is attributable to differences in the models' depiction of cloud feedback, a result that emphasizes the need for improvements in the treatment of clouds in these models if they are ultimately to be used as reliable climate predictors. It is further emphasized that cloud feedback is the consequence of all interacting physical and dynamical processes in a general circulation model. The result of these processes is to produce changes in temperature, moisture distribution, and clouds which are integrated into the radiative response termed cloud feedback.