Global surface temperature has increased ≈0.2°C per decade in the past 30 years, similar to the warming rate predicted in the 1980s in initial global climate model simulations with transient greenhouse gas changes. Warming is larger in the Western Equatorial Pacific than in the Eastern Equatorial Pacific over the past century, and we suggest that the increased West–East temperature gradient may have increased the likelihood of strong El Niños, such as those of 1983 and 1998. Comparison of measured sea surface temperatures in the Western Pacific with paleoclimate data suggests that this critical ocean region, and probably the planet as a whole, is approximately as warm now as at the Holocene maximum and within ≈1°C of the maximum temperature of the past million years. We conclude that global warming of more than ≈1°C, relative to 2000, will constitute “dangerous” climate change as judged from likely effects on sea level and extermination of species.

"Climate dice", describing the chance of unusually warm or cool seasons relative to climatology, have become progressively "loaded" in the past 30 years, coincident with rapid global warming. The distribution of seasonal mean temperature anomalies has shifted toward higher temperatures and the range of anomalies has increased. An important change is the emergence of a category of summertime extremely hot outliers, more than three standard deviations (3{\sigma}) warmer than climatology. This hot extreme, which covered much less than 1% of Earth's surface in the period of climatology, now typically covers about 10% of the land area. It follows that we can state, with a high degree of confidence, that extreme anomalies such as those in Texas and Oklahoma in 2011 and Moscow in 2010 were a consequence of global warming, because their likelihood in the absence of global warming was exceedingly small. We discuss practical implications of this substantial, growing, climate change.

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.

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.

A global stratospheric aerosol database employed for climate simulations is described. For the period 1883–1990, aerosol optical depths are estimated from optical extinction data, whose quality increases with time over that period. For the period 1850–1882, aerosol optical depths are more crudely estimated from volcanological evidence for the volume of ejecta from major known volcanoes. The data set is available over Internet.

Our climate model, driven mainly by increasing human-made greenhouse gases and aerosols, among other forcings, calculates that Earth is now absorbing 0.85 +/- 0.15 watts per square meter more energy from the Sun than it is emitting to space. This imbalance is confirmed by precise measurements of increasing ocean heat content over the past 10 years. Implications include (i) the expectation of additional global warming of about 0.6 degrees C without further change of atmospheric composition; (ii) the confirmation of the climate system's lag in responding to forcings, implying the need for anticipatory actions to avoid any specified level of climate change; and (iii) the likelihood of acceleration of ice sheet disintegration and sea level rise.

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.

Paleoclimate data show that climate sensitivity is ~3°C for doubled CO 2 , including only fast feedback processes. Equilibrium sensitivity, including slower surface albedo feedbacks, is ~6°C for doubled CO 2 for the range of climate states between glacial conditions and ice-free Antarctica. Decreasing CO was the main cause of a cooling trend that began 50 million years ago, the planet being nearly ice-free until CO fell to 450 ± 100 ppm; barring prompt policy changes, that critical level will be passed, in the opposite direction, within decades. If humanity wishes to preserve a planet similar to that on which civilization developed and to which life on Earth is adapted, paleoclimate evidence and ongoing climate change suggest that CO 2 will need to be reduced from its current 385 ppm to at most 350 ppm, but likely less than that. The largest uncertainty in the target arises from possible changes of non-CO 2 forcings. An initial 350 ppm CO 2 target may be achievable by phasing out coal use except where CO 2 is captured and adopting agricultural and forestry practices that sequester carbon. If the present overshoot of this target CO 2 is not brief, there is a possibility of seeding irreversible catastrophic effects.

Cenozoic temperature, sea level and CO2 covariations provide insights into climate sensitivity to external forcings and sea-level sensitivity to climate change. Climate sensitivity depends on the initial climate state, but potentially can be accurately inferred from precise palaeoclimate data. Pleistocene climate oscillations yield a fast-feedback climate sensitivity of 3±1(°)C for a 4 W m(-2) CO2 forcing if Holocene warming relative to the Last Glacial Maximum (LGM) is used as calibration, but the error (uncertainty) is substantial and partly subjective because of poorly defined LGM global temperature and possible human influences in the Holocene. Glacial-to-interglacial climate change leading to the prior (Eemian) interglacial is less ambiguous and implies a sensitivity in the upper part of the above range, i.e. 3-4(°)C for a 4 W m(-2) CO2 forcing. Slow feedbacks, especially change of ice sheet size and atmospheric CO2, amplify the total Earth system sensitivity by an amount that depends on the time scale considered. Ice sheet response time is poorly defined, but we show that the slow response and hysteresis in prevailing ice sheet models are exaggerated. We use a global model, simplified to essential processes, to investigate state dependence of climate sensitivity, finding an increased sensitivity towards warmer climates, as low cloud cover is diminished and increased water vapour elevates the tropopause. Burning all fossil fuels, we conclude, would make most of the planet uninhabitable by humans, thus calling into question strategies that emphasize adaptation to climate change.

We use numerical climate simulations, paleoclimate data, and modern observations to study the effect of growing ice melt from Antarctica and Greenland. Meltwater tends to stabilize the ocean column, inducing amplifying feedbacks that increase subsurface ocean warming and ice shelf melting. Cold meltwater and induced dynamical effects cause ocean surface cooling in the Southern Ocean and North Atlantic, thus increasing Earth's energy imbalance and heat flux into most of the global ocean's surface. Southern Ocean surface cooling, while lower latitudes are warming, increases precipitation on the Southern Ocean, increasing ocean stratification, slowing deepwater formation, and increasing ice sheet mass loss. These feedbacks make ice sheets in contact with the ocean vulnerable to accelerating disintegration. We hypothesize that ice mass loss from the most vulnerable ice, sufficient to raise sea level several meters, is better approximated as exponential than by a more linear response. Doubling times of 10, 20 or 40 years yield multi-meter sea level rise in about 50, 100 or 200 years. Recent ice melt doubling times are near the lower end of the 10-40 year range, but the record is too short to confirm the nature of the response. The feedbacks, including subsurface ocean warming, help explain paleoclimate data and point to a dominant Southern Ocean role in controlling atmospheric CO2, which in turn exercised tight control on global temperature and sea level. The millennial (500-2000 year) time scale of deep ocean ventilation affects the time scale for natural CO2 change and thus the time scale for paleo global climate, ice sheet, and sea level changes, but this paleo millennial time scale should not be misinterpreted as the time scale for ice sheet response to a rapid large human-made climate forcing.