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 detailed description of the fourth-generation ECHAM model is presented. Compared to the previous version, ECHAM3, a number of substantial changes have been introduced in both the numerics and physics of the model. These include a semi-Lagrangian transport scheme for water vapour, cloud water and trace substances, a new radiation scheme (ECMWF) with modifications concerning the water vapour continuum, cloud optical properties and greenhouse gases, a new formulation of the vertical diffusion coefficients as functions of turbulent kinetic energy, and a new closure for deep convection based on convective instability instead of moisture convergence. Minor changes concern the parameterizations of horizontal diffusion, stratiform clouds and land surface processes. Also, a new dataset of land surface parameters have been compiled for the new model. The climatology of the model, derived from two extended AMIP simulations at T42L19 resolution, is documented and compared with ECMWF operational analyses. Some of the biases noted for the previous model version remain virtually unchanged. For example, the polar upper troposphere and lower stratosphere is much too cold, and the zonal wind errors become very large above the 200 hPa level. Furthermore, the low-frequency variability is still too small but the errors are reduced by about 50% compared to ECHAM3.

Abstract The most recent version of the Max Planck Institute for Meteorology atmospheric general circulation model, ECHAM5, is used to study the impact of changes in horizontal and vertical resolution on seasonal mean climate. In a series of Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP)-style experiments with resolutions ranging between T21L19 and T159L31, the systematic errors and convergence properties are assessed for two vertical resolutions. At low vertical resolution (L19) there is no evidence for convergence to a more realistic climate state for horizontal resolutions higher than T42. At higher vertical resolution (L31), on the other hand, the root-mean-square errors decrease monotonically with increasing horizontal resolution. Furthermore, except for T42, the L31 versions are superior to their L19 counterparts, and the improvements become more evident at increasingly higher horizontal resolutions. This applies, in particular, to the zonal mean climate state and to the stationary wave patterns in boreal winter. As in previous studies, increasing horizontal resolution leads to a warming of the troposphere, most prominently at midlatitudes, and to a poleward shift and intensification of the midlatitude westerlies. Increasing the vertical resolution has the opposite effect, almost independent of horizontal resolution. Whereas the atmosphere is colder at low and middle latitudes, it is warmer at high latitudes and close to the surface. In addition, increased vertical resolution results in a pronounced warming in the polar upper troposphere and lower stratosphere, where the cold bias is reduced by up to 50% compared to L19 simulations. Consistent with these temperature changes is a decrease and equatorward shift of the midlatitude westerlies. The substantial benefits in refining both horizontal and vertical resolution give some support to scaling arguments deduced from quasigeostrophic theory implying that horizontal and vertical resolution ought to be chosen consistently.

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

Abstract The MPI‐ESM1.2 is the latest version of the Max Planck Institute Earth System Model and is the baseline for the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 and current seasonal and decadal climate predictions. This paper evaluates a coupled higher‐resolution version (MPI‐ESM1.2‐HR) in comparison with its lower‐resolved version (MPI‐ESM1.2‐LR). We focus on basic oceanic and atmospheric mean states and selected modes of variability, the El Niño/Southern Oscillation and the North Atlantic Oscillation. The increase in atmospheric resolution in MPI‐ESM1.2‐HR reduces the biases of upper‐level zonal wind and atmospheric jet stream position in the northern extratropics. This results in a decrease of the storm track bias over the northern North Atlantic, for both winter and summer season. The blocking frequency over the European region is improved in summer, and North Atlantic Oscillation and related storm track variations improve in winter. Stable Atlantic meridional overturning circulations are found with magnitudes of ~16 Sv for MPI‐ESM1.2‐HR and ~20 Sv for MPI‐ESM1.2‐LR at 26°N. A strong sea surface temperature bias of ~5°C along with a too zonal North Atlantic current is present in both versions. The sea surface temperature bias in the eastern tropical Atlantic is reduced by ~1°C due to higher‐resolved orography in MPI‐ESM‐HR, and the region of the cold‐tongue bias is reduced in the tropical Pacific. MPI‐ESM1.2‐HR has a well‐balanced radiation budget and its climate sensitivity is explicitly tuned to 3 K. Although the obtained reductions in long‐standing biases are modest, the improvements in atmospheric dynamics make this model well suited for prediction and impact studies.

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.

Tropical cyclones (TC) under different climate conditions in the Northern Hemisphere have been investigated with the Max Planck Institute (MPI) coupled (ECHAM5/MPI-OM) and atmosphere (ECHAM5) climate models. The intensity and size of the TC depend crucially on resolution with higher wind speed and smaller scales at the higher resolutions. The typical size of the TC is reduced by a factor of 2.3 from T63 to T319 using the distance of the maximum wind speed from the centre of the storm as a measure. The full three-dimensional structure of the storms becomes increasingly more realistic as the resolution is increased.For the T63 resolution, three ensemble runs are explored for the period 1860 until 2100 using the IPCC SRES scenario A1B and evaluated for three 30 yr periods at the end of the 19th, 20th and 21st century, respectively. While there is no significant change between the 19th and the 20th century, there is a considerable reduction in the number of the TC by some 20% in the 21st century, but no change in the number of the more intense storms. Reduction in the number of storms occurs in all regions. A single additional experiment at T213 resolution was run for the two latter 30-yr periods. The T213 is an atmospheric only experiment using the transient sea surface temperatures (SST) of the T63 resolution experiment. Also in this case, there is a reduction by some 10% in the number of simulated TC in the 21st century compared to the 20th century but a marked increase in the number of intense storms. The number of storms with maximum wind speeds greater than 50 m s−1 increases by a third. Most of the intensification takes place in the Eastern Pacific and in the Atlantic where also the number of storms more or less stays the same.We identify two competing processes effecting TC in a warmer climate. First, the increase in the static stability and the reduced vertical circulation is suggested to contribute to the reduction in the number of storms. Second, the increase in temperature and water vapour provide more energy for the storms so that when favourable conditions occur, the higher SST and higher specific humidity will contribute to more intense storms. As the maximum intensity depends crucially on resolution, this will require higher resolution to have its full effect. The distribution of storms between different regions does not, at first approximation, depend on the temperature itself but on the distribution of the SST anomalies and their influence on the atmospheric circulation.Two additional transient experiments at T319 resolution where run for 20 yr at the end of the 20th and 21st century, respectively, using the same conditions as in the T213 experiments. The results are consistent with the T213 study. The total number of TC were similar to the T213 experiment but were generally more intense. The change from the 20th to the 21st century was also similar with fewer TC in total but with more intense cyclones.