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.

Abstract. The Ocean Model Intercomparison Project (OMIP) focuses on the physics and biogeochemistry of the ocean component of Earth system models participating in the sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). OMIP aims to provide standard protocols and diagnostics for ocean models, while offering a forum to promote their common assessment and improvement. It also offers to compare solutions of the same ocean models when forced with reanalysis data (OMIP simulations) vs. when integrated within fully coupled Earth system models (CMIP6). Here we detail simulation protocols and diagnostics for OMIP's biogeochemical and inert chemical tracers. These passive-tracer simulations will be coupled to ocean circulation models, initialized with observational data or output from a model spin-up, and forced by repeating the 1948–2009 surface fluxes of heat, fresh water, and momentum. These so-called OMIP-BGC simulations include three inert chemical tracers (CFC-11, CFC-12, SF6) and biogeochemical tracers (e.g., dissolved inorganic carbon, carbon isotopes, alkalinity, nutrients, and oxygen). Modelers will use their preferred prognostic BGC model but should follow common guidelines for gas exchange and carbonate chemistry. Simulations include both natural and total carbon tracers. The required forced simulation (omip1) will be initialized with gridded observational climatologies. An optional forced simulation (omip1-spunup) will be initialized instead with BGC fields from a long model spin-up, preferably for 2000 years or more, and forced by repeating the same 62-year meteorological forcing. That optional run will also include abiotic tracers of total dissolved inorganic carbon and radiocarbon, CTabio and 14CTabio, to assess deep-ocean ventilation and distinguish the role of physics vs. biology. These simulations will be forced by observed atmospheric histories of the three inert gases and CO2 as well as carbon isotope ratios of CO2. OMIP-BGC simulation protocols are founded on those from previous phases of the Ocean Carbon-Cycle Model Intercomparison Project. They have been merged and updated to reflect improvements concerning gas exchange, carbonate chemistry, and new data for initial conditions and atmospheric gas histories. Code is provided to facilitate their implementation.

Abstract. This paper reviews progress on understanding biological carbon sequestration in the ocean with special reference to the microbial formation and transformation of recalcitrant dissolved organic carbon (RDOC), the microbial carbon pump (MCP). We propose that RDOC is a concept with a wide continuum of recalcitrance. Most RDOC compounds maintain their levels of recalcitrance only in a specific environmental context (RDOCt). The ocean RDOC pool also contains compounds that may be inaccessible to microbes due to their extremely low concentration (RDOCc). This differentiation allows us to appreciate the linkage between microbial source and RDOC composition on a range of temporal and spatial scales. Analyses of biomarkers and isotopic records show intensive MCP processes in the Proterozoic oceans when the MCP could have played a significant role in regulating climate. Understanding the dynamics of the MCP in conjunction with the better constrained biological pump (BP) over geological timescales could help to predict future climate trends. Integration of the MCP and the BP will require new research approaches and opportunities. Major goals include understanding the interactions between particulate organic carbon (POC) and RDOC that contribute to sequestration efficiency, and the concurrent determination of the chemical composition of organic carbon, microbial community composition and enzymatic activity. Molecular biomarkers and isotopic tracers should be employed to link water column processes to sediment records, as well as to link present-day observations to paleo-evolution. Ecosystem models need to be developed based on empirical relationships derived from bioassay experiments and field investigations in order to predict the dynamics of carbon cycling along the stability continuum of POC and RDOC under potential global change scenarios. We propose that inorganic nutrient input to coastal waters may reduce the capacity for carbon sequestration as RDOC. The nutrient regime enabling maximum carbon storage from combined POC flux and RDOC formation should therefore be sought.

We study the role of the ocean in setting the patterns and timescale of the transient response of the climate to anthropogenic greenhouse gas forcing. A novel framework is set out which involves integration of an ocean-only model in which the anthropogenic temperature signal is forced from the surface by anomalous downwelling heat fluxes and damped at a rate controlled by a ‘climate feedback’ parameter. We observe a broad correspondence between the evolution of the anthropogenic temperature ( $$T_{anthro}$$ ) in our simplified ocean-only model and that of coupled climate models perturbed by a quadrupling of $$\hbox {CO}_{2}$$ . This suggests that many of the mechanisms at work in fully coupled models are captured by our idealized ocean-only system. The framework allows us to probe the role of the ocean in delaying warming signals in the Southern Ocean and in the northern North Atlantic, and in amplifying the warming signal in the Arctic. By comparing active and passive temperature-like tracers we assess the degree to which changes in ocean circulation play a role in setting the distribution and evolution of $$T_{anthro}$$ . The background ocean circulation strongly influences the large-scale patterns of ocean heat uptake and storage, such that $$T_{anthro}$$ is governed by an advection/diffusion equation and weakly damped to the atmosphere at a rate set by climate feedbacks. Where warming is sufficiently small, for example in the Southern Ocean, changes in ocean circulation play a secondary role. In other regions, most noticeably in the North Atlantic, changes in ocean circulation induced by $$T_{anthro}$$ are central in shaping the response.

Abstract This review article provides a synthesis and perspective on how weather and climate extreme events can play a role in influencing tipping elements and triggering tipping points in the Earth System. An example of a potential critical global tipping point, induced by climate extremes in an increasingly warmer climate, is Amazon rainforest dieback that could be driven by regional increases in droughts and exacerbated by fires, in addition to deforestation. A tipping element associated with the boreal forest might also be vulnerable to heat, drought and fire. An oceanic example is the potential collapse of the Atlantic meridional overturning circulation due to extreme variability in freshwater inputs, while marine heatwaves and high acidity extremes can lead to coral reef collapse. Extreme heat events may furthermore play an important role in ice sheet, glacier and permafrost stability. Regional severe extreme events could also lead to tipping in ecosystems, as well as in human systems, in response to climate drivers. However, substantial scientific uncertainty remains on mechanistic links between extreme events and tipping points. Earth observations are of high relevance to evaluate and constrain those links between extreme events and tipping elements, by determining conditions leading to delayed recovery with a potential for tipping in the atmosphere, on land, in vegetation, and in the ocean. In the subsurface ocean, there is a lack of consistent, synoptic and high frequency observations of changes in both ocean physics and biogeochemistry. This review article shows the importance of considering the interface between extreme events and tipping points, two topics usually addressed in isolation, and the need for continued monitoring to observe early warning signs and to evaluate Earth system response to extreme events as well as improving model skill in simulating extremes, compound extremes and tipping elements.

Abstract As climate change continues, the likelihood of passing critical thresholds or tipping points increases. Hence, there is a need to advance the science for detecting such thresholds. In this paper, we assess the needs and opportunities for Earth Observation (EO, here understood to refer to satellite observations) to inform society in responding to the risks associated with ten potential large-scale ocean tipping elements: Atlantic Meridional Overturning Circulation; Atlantic Subpolar Gyre; Beaufort Gyre; Arctic halocline; Kuroshio Large Meander; deoxygenation; phytoplankton; zooplankton; higher level ecosystems (including fisheries); and marine biodiversity. We review current scientific understanding and identify specific EO and related modelling needs for each of these tipping elements. We draw out some generic points that apply across several of the elements. These common points include the importance of maintaining long-term, consistent time series; the need to combine EO data consistently with in situ data types (including subsurface), for example through data assimilation; and the need to reduce or work with current mismatches in resolution (in both directions) between climate models and EO datasets. Our analysis shows that developing EO, modelling and prediction systems together, with understanding of the strengths and limitations of each, provides many promising paths towards monitoring and early warning systems for tipping, and towards the development of the next generation of climate models.