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.

Abstract A full description of the ModelE version of the Goddard Institute for Space Studies (GISS) atmospheric general circulation model (GCM) and results are presented for present-day climate simulations (ca. 1979). This version is a complete rewrite of previous models incorporating numerous improvements in basic physics, the stratospheric circulation, and forcing fields. Notable changes include the following: the model top is now above the stratopause, the number of vertical layers has increased, a new cloud microphysical scheme is used, vegetation biophysics now incorporates a sensitivity to humidity, atmospheric turbulence is calculated over the whole column, and new land snow and lake schemes are introduced. The performance of the model using three configurations with different horizontal and vertical resolutions is compared to quality-controlled in situ data, remotely sensed and reanalysis products. Overall, significant improvements over previous models are seen, particularly in upper-atmosphere temperatures and winds, cloud heights, precipitation, and sea level pressure. Data–model comparisons continue, however, to highlight persistent problems in the marine stratocumulus regions.

Abstract We present a description of the ModelE2 version of the Goddard Institute for Space Studies (GISS) General Circulation Model (GCM) and the configurations used in the simulations performed for the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5). We use six variations related to the treatment of the atmospheric composition, the calculation of aerosol indirect effects, and ocean model component. Specifically, we test the difference between atmospheric models that have noninteractive composition, where radiatively important aerosols and ozone are prescribed from precomputed decadal averages, and interactive versions where atmospheric chemistry and aerosols are calculated given decadally varying emissions. The impact of the first aerosol indirect effect on clouds is either specified using a simple tuning, or parameterized using a cloud microphysics scheme. We also use two dynamic ocean components: the Russell and HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) which differ significantly in their basic formulations and grid. Results are presented for the climatological means over the satellite era (1980–2004) taken from transient simulations starting from the preindustrial (1850) driven by estimates of appropriate forcings over the 20th Century. Differences in base climate and variability related to the choice of ocean model are large, indicating an important structural uncertainty. The impact of interactive atmospheric composition on the climatology is relatively small except in regions such as the lower stratosphere, where ozone plays an important role, and the tropics, where aerosol changes affect the hydrological cycle and cloud cover. While key improvements over previous versions of the model are evident, these are not uniform across all metrics.

This paper describes the GISS-E2.1 contribution to the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 6 (CMIP6). This model version differs from the predecessor model (GISS-E2) chiefly due to parameterization improvements to the atmospheric and ocean model components, while keeping atmospheric resolution the same. Model skill when compared to modern era climatologies is significantly higher than in previous versions. Additionally, updates in forcings have a material impact on the results. In particular, there have been specific improvements in representations of modes of variability (such as the Madden-Julian Oscillation and other modes in the Pacific) and significant improvements in the simulation of the climate of the Southern Oceans, including sea ice. The effective climate sensitivity to 2 × CO2 is slightly higher than previously at 2.7-3.1°C (depending on version) and is a result of lower CO2 radiative forcing and stronger positive feedbacks.

Abstract. We investigate the issue of "dangerous human-made interference with climate" using simulations with GISS modelE driven by measured or estimated forcings for 1880–2003 and extended to 2100 for IPCC greenhouse gas scenarios as well as the "alternative" scenario of Hansen and Sato (2004). Identification of "dangerous" effects is partly subjective, but we find evidence that added global warming of more than 1°C above the level in 2000 has effects that may be highly disruptive. The alternative scenario, with peak added forcing ~1.5 W/m2 in 2100, keeps further global warming under 1°C if climate sensitivity is ~3°C or less for doubled CO2. The alternative scenario keeps mean regional seasonal warming within 2σ (standard deviations) of 20th century variability, but other scenarios yield regional changes of 5–10σ, i.e. mean conditions outside the range of local experience. We conclude that a CO2 level exceeding about 450 ppm is "dangerous", but reduction of non-CO2 forcings can provide modest relief on the CO2 constraint. We discuss three specific sub-global topics: Arctic climate change, tropical storm intensification, and ice sheet stability. We suggest that Arctic climate change has been driven as much by pollutants (O3, its precursor CH4, and soot) as by CO2, offering hope that dual efforts to reduce pollutants and slow CO2 growth could minimize Arctic change. Simulated recent ocean warming in the region of Atlantic hurricane formation is comparable to observations, suggesting that greenhouse gases (GHGs) may have contributed to a trend toward greater hurricane intensities. Increasing GHGs cause significant warming in our model in submarine regions of ice shelves and shallow methane hydrates, raising concern about the potential for accelerating sea level rise and future positive feedback from methane release. Growth of non-CO2 forcings has slowed in recent years, but CO2 emissions are now surging well above the alternative scenario. Prompt actions to slow CO2 emissions and decrease non-CO2 forcings are required to achieve the low forcing of the alternative scenario.