Abstract Black carbon aerosol plays a unique and important role in Earth's climate system. Black carbon is a type of carbonaceous material with a unique combination of physical properties. This assessment provides an evaluation of black‐carbon climate forcing that is comprehensive in its inclusion of all known and relevant processes and that is quantitative in providing best estimates and uncertainties of the main forcing terms: direct solar absorption; influence on liquid, mixed phase, and ice clouds; and deposition on snow and ice. These effects are calculated with climate models, but when possible, they are evaluated with both microphysical measurements and field observations. Predominant sources are combustion related, namely, fossil fuels for transportation, solid fuels for industrial and residential uses, and open burning of biomass. Total global emissions of black carbon using bottom‐up inventory methods are 7500 Gg yr −1 in the year 2000 with an uncertainty range of 2000 to 29000. However, global atmospheric absorption attributable to black carbon is too low in many models and should be increased by a factor of almost 3. After this scaling, the best estimate for the industrial‐era (1750 to 2005) direct radiative forcing of atmospheric black carbon is +0.71 W m −2 with 90% uncertainty bounds of (+0.08, +1.27) W m −2 . Total direct forcing by all black carbon sources, without subtracting the preindustrial background, is estimated as +0.88 (+0.17, +1.48) W m −2 . Direct radiative forcing alone does not capture important rapid adjustment mechanisms. A framework is described and used for quantifying climate forcings, including rapid adjustments. The best estimate of industrial‐era climate forcing of black carbon through all forcing mechanisms, including clouds and cryosphere forcing, is +1.1 W m −2 with 90% uncertainty bounds of +0.17 to +2.1 W m −2 . Thus, there is a very high probability that black carbon emissions, independent of co‐emitted species, have a positive forcing and warm the climate. We estimate that black carbon, with a total climate forcing of +1.1 W m −2 , is the second most important human emission in terms of its climate forcing in the present‐day atmosphere; only carbon dioxide is estimated to have a greater forcing. Sources that emit black carbon also emit other short‐lived species that may either cool or warm climate. Climate forcings from co‐emitted species are estimated and used in the framework described herein. When the principal effects of short‐lived co‐emissions, including cooling agents such as sulfur dioxide, are included in net forcing, energy‐related sources (fossil fuel and biofuel) have an industrial‐era climate forcing of +0.22 (−0.50 to +1.08) W m −2 during the first year after emission. For a few of these sources, such as diesel engines and possibly residential biofuels, warming is strong enough that eliminating all short‐lived emissions from these sources would reduce net climate forcing (i.e., produce cooling). When open burning emissions, which emit high levels of organic matter, are included in the total, the best estimate of net industrial‐era climate forcing by all short‐lived species from black‐carbon‐rich sources becomes slightly negative (−0.06 W m −2 with 90% uncertainty bounds of −1.45 to +1.29 W m −2 ). The uncertainties in net climate forcing from black‐carbon‐rich sources are substantial, largely due to lack of knowledge about cloud interactions with both black carbon and co‐emitted organic carbon. In prioritizing potential black‐carbon mitigation actions, non‐science factors, such as technical feasibility, costs, policy design, and implementation feasibility play important roles. The major sources of black carbon are presently in different stages with regard to the feasibility for near‐term mitigation. This assessment, by evaluating the large number and complexity of the associated physical and radiative processes in black‐carbon climate forcing, sets a baseline from which to improve future climate forcing estimates.

We present the global general circulation model IPSL-CM5 developed to study the long-term response of the climate system to natural and anthropogenic forcings as part of the 5th Phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5). This model includes an interactive carbon cycle, a representation of tropospheric and stratospheric chemistry, and a comprehensive representation of aerosols. As it represents the principal dynamical, physical, and bio-geochemical processes relevant to the climate system, it may be referred to as an Earth System Model. However, the IPSL-CM5 model may be used in a multitude of configurations associated with different boundary conditions and with a range of complexities in terms of processes and interactions. This paper presents an overview of the different model components and explains how they were coupled and used to simulate historical climate changes over the past 150 years and different scenarios of future climate change. A single version of the IPSL-CM5 model (IPSL-CM5A-LR) was used to provide climate projections associated with different socio-economic scenarios, including the different Representative Concentration Pathways considered by CMIP5 and several scenarios from the Special Report on Emission Scenarios considered by CMIP3. Results suggest that the magnitude of global warming projections primarily depends on the socio-economic scenario considered, that there is potential for an aggressive mitigation policy to limit global warming to about two degrees, and that the behavior of some components of the climate system such as the Arctic sea ice and the Atlantic Meridional Overturning Circulation may change drastically by the end of the twenty-first century in the case of a no climate policy scenario. Although the magnitude of regional temperature and precipitation changes depends fairly linearly on the magnitude of the projected global warming (and thus on the scenario considered), the geographical pattern of these changes is strikingly similar for the different scenarios. The representation of atmospheric physical processes in the model is shown to strongly influence the simulated climate variability and both the magnitude and pattern of the projected climate changes.

Abstract. Simulation results of global aerosol models have been assembled in the framework of the AeroCom intercomparison exercise. In this paper, we analyze the life cycles of dust, sea salt, sulfate, black carbon and particulate organic matter as simulated by sixteen global aerosol models. The differences among the results (model diversities) for sources and sinks, burdens, particle sizes, water uptakes, and spatial dispersals have been established. These diversities have large consequences for the calculated radiative forcing and the aerosol concentrations at the surface. Processes and parameters are identified which deserve further research. The AeroCom all-models-average emissions are dominated by the mass of sea salt (SS), followed by dust (DU), sulfate (SO4), particulate organic matter (POM), and finally black carbon (BC). Interactive parameterizations of the emissions and contrasting particles sizes of SS and DU lead generally to higher diversities of these species, and for total aerosol. The lower diversity of the emissions of the fine aerosols, BC, POM, and SO4, is due to the use of similar emission inventories, and does therefore not necessarily indicate a better understanding of their sources. The diversity of SO4-sources is mainly caused by the disagreement on depositional loss of precursor gases and on chemical production. The diversities of the emissions are passed on to the burdens, but the latter are also strongly affected by the model-specific treatments of transport and aerosol processes. The burdens of dry masses decrease from largest to smallest: DU, SS, SO4, POM, and BC. The all-models-average residence time is shortest for SS with about half a day, followed by SO4 and DU with four days, and POM and BC with six and seven days, respectively. The wet deposition rate is controlled by the solubility and increases from DU, BC, POM to SO4 and SS. It is the dominant sink for SO4, BC, and POM, and contributes about one third to the total removal of SS and DU species. For SS and DU we find high diversities for the removal rate coefficients and deposition pathways. Models do neither agree on the split between wet and dry deposition, nor on that between sedimentation and other dry deposition processes. We diagnose an extremely high diversity for the uptake of ambient water vapor that influences the particle size and thus the sink rate coefficients. Furthermore, we find little agreement among the model results for the partitioning of wet removal into scavenging by convective and stratiform rain. Large differences exist for aerosol dispersal both in the vertical and in the horizontal direction. In some models, a minimum of total aerosol concentration is simulated at the surface. Aerosol dispersal is most pronounced for SO4 and BC and lowest for SS. Diversities are higher for meridional than for vertical dispersal, they are similar for the individual species and highest for SS and DU. For these two components we do not find a correlation between vertical and meridional aerosol dispersal. In addition the degree of dispersals of SS and DU is not related to their residence times. SO4, BC, and POM, however, show increased meridional dispersal in models with larger vertical dispersal, and dispersal is larger for longer simulated residence times.

Abstract. The aerosol-climate modelling system ECHAM5-HAM is introduced. It is based on a flexible microphysical approach and, as the number of externally imposed parameters is minimised, allows the application in a wide range of climate regimes. ECHAM5-HAM predicts the evolution of an ensemble of microphysically interacting internally- and externally-mixed aerosol populations as well as their size-distribution and composition. The size-distribution is represented by a superposition of log-normal modes. In the current setup, the major global aerosol compounds sulfate (SU), black carbon (BC), particulate organic matter (POM), sea salt (SS), and mineral dust (DU) are included. The simulated global annual mean aerosol burdens (lifetimes) for the year 2000 are for SU: 0.80 Tg(S) (3.9 days), for BC: 0.11 Tg (5.4 days), for POM: 0.99 Tg (5.4 days), for SS: 10.5 Tg (0.8 days), and for DU: 8.28 Tg (4.6 days). An extensive evaluation with in-situ and remote sensing measurements underscores that the model results are generally in good agreement with observations of the global aerosol system. The simulated global annual mean aerosol optical depth (AOD) is with 0.14 in excellent agreement with an estimate derived from AERONET measurements (0.14) and a composite derived from MODIS-MISR satellite retrievals (0.16). Regionally, the deviations are not negligible. However, the main patterns of AOD attributable to anthropogenic activity are reproduced.

Abstract. This study presents the results of a broad intercomparison of a total of 15 global aerosol models within the AeroCom project. Each model is compared to observations related to desert dust aerosols, their direct radiative effect, and their impact on the biogeochemical cycle, i.e., aerosol optical depth (AOD) and dust deposition. Additional comparisons to Angström exponent (AE), coarse mode AOD and dust surface concentrations are included to extend the assessment of model performance and to identify common biases present in models. These data comprise a benchmark dataset that is proposed for model inspection and future dust model development. There are large differences among the global models that simulate the dust cycle and its impact on climate. In general, models simulate the climatology of vertically integrated parameters (AOD and AE) within a factor of two whereas the total deposition and surface concentration are reproduced within a factor of 10. In addition, smaller mean normalized bias and root mean square errors are obtained for the climatology of AOD and AE than for total deposition and surface concentration. Characteristics of the datasets used and their uncertainties may influence these differences. Large uncertainties still exist with respect to the deposition fluxes in the southern oceans. Further measurements and model studies are necessary to assess the general model performance to reproduce dust deposition in ocean regions sensible to iron contributions. Models overestimate the wet deposition in regions dominated by dry deposition. They generally simulate more realistic surface concentration at stations downwind of the main sources than at remote ones. Most models simulate the gradient in AOD and AE between the different dusty regions. However the seasonality and magnitude of both variables is better simulated at African stations than Middle East ones. The models simulate the offshore transport of West Africa throughout the year but they overestimate the AOD and they transport too fine particles. The models also reproduce the dust transport across the Atlantic in the summer in terms of both AOD and AE but not so well in winter-spring nor the southward displacement of the dust cloud that is responsible of the dust transport into South America. Based on the dependency of AOD on aerosol burden and size distribution we use model bias with respect to AOD and AE to infer the bias of the dust emissions in Africa and the Middle East. According to this analysis we suggest that a range of possible emissions for North Africa is 400 to 2200 Tg yr−1 and in the Middle East 26 to 526 Tg yr−1.

Abstract. Inventories for global aerosol and aerosol precursor emissions have been collected (based on published inventories and published simulations), assessed and prepared for the year 2000 (present-day conditions) and for the year 1750 (pre-industrial conditions). These global datasets establish a comprehensive source for emission input to global modeling, when simulating the aerosol impact on climate with state-of-the-art aerosol component modules. As these modules stratify aerosol into dust, sea-salt, sulfate, organic matter and soot, for all these aerosol types global fields on emission strength and recommendations for injection altitude and particulate size are provided. Temporal resolution varies between daily (dust and sea-salt), monthly (wild-land fires) and annual (all other emissions). These datasets benchmark aerosol emissions according to the knowledge in the year 2004. They are intended to serve as systematic constraints in sensitivity studies of the AeroCom initiative, which seeks to quantify (actual) uncertainties in aerosol global modeling.

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.

Abstract. The Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) reanalysis is the latest global reanalysis dataset of atmospheric composition produced by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), consisting of three-dimensional time-consistent atmospheric composition fields, including aerosols and chemical species. The dataset currently covers the period 2003–2016 and will be extended in the future by adding 1 year each year. A reanalysis for greenhouse gases is being produced separately. The CAMS reanalysis builds on the experience gained during the production of the earlier Monitoring Atmospheric Composition and Climate (MACC) reanalysis and CAMS interim reanalysis. Satellite retrievals of total column CO; tropospheric column NO2; aerosol optical depth (AOD); and total column, partial column and profile ozone retrievals were assimilated for the CAMS reanalysis with ECMWF's Integrated Forecasting System. The new reanalysis has an increased horizontal resolution of about 80 km and provides more chemical species at a better temporal resolution (3-hourly analysis fields, 3-hourly forecast fields and hourly surface forecast fields) than the previously produced CAMS interim reanalysis. The CAMS reanalysis has smaller biases compared with most of the independent ozone, carbon monoxide, nitrogen dioxide and aerosol optical depth observations used for validation in this paper than the previous two reanalyses and is much improved and more consistent in time, especially compared to the MACC reanalysis. The CAMS reanalysis is a dataset that can be used to compute climatologies, study trends, evaluate models, benchmark other reanalyses or serve as boundary conditions for regional models for past periods.

A single‐particle soot photometer (SP2) was flown on a NASA WB‐57F high‐altitude research aircraft in November 2004 from Houston, Texas. The SP2 uses laser‐induced incandescence to detect individual black carbon (BC) particles in an air sample in the mass range of ∼3–300 fg (∼0.15–0.7 μm volume equivalent diameter). Scattered light is used to size the remaining non‐BC aerosols in the range of ∼0.17–0.7 μm diameter. We present profiles of both aerosol types from the boundary layer to the lower stratosphere from two midlatitude flights. Results for total aerosol amounts in the size range detected by the SP2 are in good agreement with typical particle spectrometer measurements in the same region. All ambient incandescing particles were identified as BC because their incandescence properties matched those of laboratory‐generated BC aerosol. Approximately 40% of these BC particles showed evidence of internal mixing (e.g., coating). Throughout profiles between 5 and 18.7 km, BC particles were less than a few percent of total aerosol number, and black carbon aerosol (BCA) mass mixing ratio showed a constant gradient with altitude above 5 km. SP2 data was compared to results from the ECHAM4/MADE and LmDzT‐INCA global aerosol models. The comparison will help resolve the important systematic differences in model aerosol processes that determine BCA loadings. Further intercomparisons of models and measurements as presented here will improve the accuracy of the radiative forcing contribution from BCA.

Abstract. The AeroCom exercise diagnoses multi-component aerosol modules in global modeling. In an initial assessment simulated global distributions for mass and mid-visible aerosol optical thickness (aot) were compared among 20 different modules. Model diversity was also explored in the context of previous comparisons. For the component combined aot general agreement has improved for the annual global mean. At 0.11 to 0.14, simulated aot values are at the lower end of global averages suggested by remote sensing from ground (AERONET ca. 0.135) and space (satellite composite ca. 0.15). More detailed comparisons, however, reveal that larger differences in regional distribution and significant differences in compositional mixture remain. Of particular concern are large model diversities for contributions by dust and carbonaceous aerosol, because they lead to significant uncertainty in aerosol absorption (aab). Since aot and aab, both, influence the aerosol impact on the radiative energy-balance, the aerosol (direct) forcing uncertainty in modeling is larger than differences in aot might suggest. New diagnostic approaches are proposed to trace model differences in terms of aerosol processing and transport: These include the prescription of common input (e.g. amount, size and injection of aerosol component emissions) and the use of observational capabilities from ground (e.g. measurements networks) or space (e.g. correlations between aerosol and clouds).