The Community Earth System Model (CESM) is a flexible and extensible community tool used to investigate a diverse set of Earth system interactions across multiple time and space scales. This global coupled model significantly extends its predecessor, the Community Climate System Model, by incorporating new Earth system simulation capabilities. These comprise the ability to simulate biogeochemical cycles, including those of carbon and nitrogen, a variety of atmospheric chemistry options, the Greenland Ice Sheet, and an atmosphere that extends to the lower thermosphere. These and other new model capabilities are enabling investigations into a wide range of pressing scientific questions, providing new foresight into possible future climates and increasing our collective knowledge about the behavior and interactions of the Earth system. Simulations with numerous configurations of the CESM have been provided to phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) and are being analyzed by the broad community of scientists. Additionally, the model source code and associated documentation are freely available to the scientific community to use for Earth system studies, making it a true community tool. This article describes this Earth system model and its various possible configurations, and highlights a number of its scientific capabilities.

An overview of the Community Earth System Model Version 2 (CESM2) is provided, including a discussion of the challenges encountered during its development and how they were addressed. In addition, an evaluation of a pair of CESM2 long preindustrial control and historical ensemble simulations is presented. These simulations were performed using the nominal 1° horizontal resolution configuration of the coupled model with both the "low-top" (40 km, with limited chemistry) and "high-top" (130 km, with comprehensive chemistry) versions of the atmospheric component. CESM2 contains many substantial science and infrastructure improvements and new capabilities since its previous major release, CESM1, resulting in improved historical simulations in comparison to CESM1 and available observations. These include major reductions in low-latitude precipitation and shortwave cloud forcing biases; better representation of the Madden-Julian Oscillation; better El Niño-Southern Oscillation-related teleconnections; and a global land carbon accumulation trend that agrees well with observationally based estimates. Most tropospheric and surface features of the low- and high-top simulations are very similar to each other, so these improvements are present in both configurations. CESM2 has an equilibrium climate sensitivity of 5.1–5.3 °C, larger than in CESM1, primarily due to a combination of relatively small changes to cloud microphysics and boundary layer parameters. In contrast, CESM2's transient climate response of 1.9–2.0 °C is comparable to that of CESM1. The model outputs from these and many other simulations are available to the research community, and they represent CESM2's contributions to the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6.

The Community Land Model (CLM) is the land component of the Community Earth System Model (CESM) and is used in several global and regional modeling systems. In this paper, we introduce model developments included in CLM version 5 (CLM5), which is the default land component for CESM2. We assess an ensemble of simulations, including prescribed and prognostic vegetation state, multiple forcing data sets, and CLM4, CLM4.5, and CLM5, against a range of metrics including from the International Land Model Benchmarking (ILAMBv2) package. CLM5 includes new and updated processes and parameterizations: (1) dynamic land units, (2) updated parameterizations and structure for hydrology and snow (spatially explicit soil depth, dry surface layer, revised groundwater scheme, revised canopy interception and canopy snow processes, updated fresh snow density, simple firn model, and Model for Scale Adaptive River Transport), (3) plant hydraulics and hydraulic redistribution, (4) revised nitrogen cycling (flexible leaf stoichiometry, leaf N optimization for photosynthesis, and carbon costs for plant nitrogen uptake), (5) global crop model with six crop types and time-evolving irrigated areas and fertilization rates, (6) updated urban building energy, (7) carbon isotopes, and (8) updated stomatal physiology. New optional features include demographically structured dynamic vegetation model (Functionally Assembled Terrestrial Ecosystem Simulator), ozone damage to plants, and fire trace gas emissions coupling to the atmosphere. Conclusive establishment of improvement or degradation of individual variables or metrics is challenged by forcing uncertainty, parametric uncertainty, and model structural complexity, but the multivariate metrics presented here suggest a general broad improvement from CLM4 to CLM5.

This work documents the first version of the U.S. Department of Energy (DOE) new Energy Exascale Earth System Model (E3SMv1). We focus on the standard resolution of the fully coupled physical model designed to address DOE mission-relevant water cycle questions. Its components include atmosphere and land (110-km grid spacing), ocean and sea ice (60 km in the midlatitudes and 30 km at the equator and poles), and river transport (55 km) models. This base configuration will also serve as a foundation for additional configurations exploring higher horizontal resolution as well as augmented capabilities in the form of biogeochemistry and cryosphere configurations. The performance of E3SMv1 is evaluated by means of a standard set of Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) Diagnosis, Evaluation, and Characterization of Klima simulations consisting of a long preindustrial control, historical simulations (ensembles of fully coupled and prescribed SSTs) as well as idealized CO2 forcing simulations. The model performs well overall with biases typical of other CMIP-class models, although the simulated Atlantic Meridional Overturning Circulation is weaker than many CMIP-class models. While the E3SMv1 historical ensemble captures the bulk of the observed warming between preindustrial (1850) and present day, the trajectory of the warming diverges from observations in the second half of the twentieth century with a period of delayed warming followed by an excessive warming trend. Using a two-layer energy balance model, we attribute this divergence to the model's strong aerosol-related effective radiative forcing (ERFari+aci = −1.65 W/m2) and high equilibrium climate sensitivity (ECS = 5.3 K).

We introduce an energy‐conserving sea ice model for climate study that accounts for the effect of internal brine‐pocket melting on surface ablation. Sea ice models that parameterize latent heat storage in brine pockets often fail to reduce the energy required for surface ablation in proportion to the internal melting that has already occurred. These models do not conserve energy during the summer melt season. Compared with our energy‐conserving model, a nonconserving model underestimates top‐surface ablation of multiyear ice by 12–22% and overestimates the equilibrium ice thickness by 50–124 cm. In addition, a nonconserving model is less sensitive to perturbative forcing than our energy‐conserving model is: The equilibrium thickness changes 22–44% less owing to surface albedo perturbations and 13–31% less owing to downward longwave radiation perturbations. The smaller differences are associated with a model that has a time‐independent, vertically varying salinity profile, and the larger differences are associated with a model that assumes the ice is isosaline with a salinity of 3.2‰. Simulations with a vertically varying salinity profile have low salinity at the top surface compared to isosaline cases, which leads to reduced heat conduction, less internal brine‐pocket melting, and more surface ablation.

The land ice contribution to global mean sea level rise has not yet been predicted1 using ice sheet and glacier models for the latest set of socio-economic scenarios, nor using coordinated exploration of uncertainties arising from the various computer models involved. Two recent international projects generated a large suite of projections using multiple models2–8, but primarily used previous-generation scenarios9 and climate models10, and could not fully explore known uncertainties. Here we estimate probability distributions for these projections under the new scenarios11,12 using statistical emulation of the ice sheet and glacier models. We find that limiting global warming to 1.5 degrees Celsius would halve the land ice contribution to twenty-first-century sea level rise, relative to current emissions pledges. The median decreases from 25 to 13 centimetres sea level equivalent (SLE) by 2100, with glaciers responsible for half the sea level contribution. The projected Antarctic contribution does not show a clear response to the emissions scenario, owing to uncertainties in the competing processes of increasing ice loss and snowfall accumulation in a warming climate. However, under risk-averse (pessimistic) assumptions, Antarctic ice loss could be five times higher, increasing the median land ice contribution to 42 centimetres SLE under current policies and pledges, with the 95th percentile projection exceeding half a metre even under 1.5 degrees Celsius warming. This would severely limit the possibility of mitigating future coastal flooding. Given this large range (between 13 centimetres SLE using the main projections under 1.5 degrees Celsius warming and 42 centimetres SLE using risk-averse projections under current pledges), adaptation planning for twenty-first-century sea level rise must account for a factor-of-three uncertainty in the land ice contribution until climate policies and the Antarctic response are further constrained. Efficient statistical emulation of melting land ice under various climate scenarios to 2100 indicates a contribution from melting land ice to sea level increase of at least 13 centimetres sea level equivalent.

Abstract. Ice flow models of the Antarctic ice sheet are commonly used to simulate its future evolution in response to different climate scenarios and assess the mass loss that would contribute to future sea level rise. However, there is currently no consensus on estimates of the future mass balance of the ice sheet, primarily because of differences in the representation of physical processes, forcings employed and initial states of ice sheet models. This study presents results from ice flow model simulations from 13 international groups focusing on the evolution of the Antarctic ice sheet during the period 2015–2100 as part of the Ice Sheet Model Intercomparison for CMIP6 (ISMIP6). They are forced with outputs from a subset of models from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), representative of the spread in climate model results. Simulations of the Antarctic ice sheet contribution to sea level rise in response to increased warming during this period varies between −7.8 and 30.0 cm of sea level equivalent (SLE) under Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5 scenario forcing. These numbers are relative to a control experiment with constant climate conditions and should therefore be added to the mass loss contribution under climate conditions similar to present-day conditions over the same period. The simulated evolution of the West Antarctic ice sheet varies widely among models, with an overall mass loss, up to 18.0 cm SLE, in response to changes in oceanic conditions. East Antarctica mass change varies between −6.1 and 8.3 cm SLE in the simulations, with a significant increase in surface mass balance outweighing the increased ice discharge under most RCP 8.5 scenario forcings. The inclusion of ice shelf collapse, here assumed to be caused by large amounts of liquid water ponding at the surface of ice shelves, yields an additional simulated mass loss of 28 mm compared to simulations without ice shelf collapse. The largest sources of uncertainty come from the climate forcing, the ocean-induced melt rates, the calibration of these melt rates based on oceanic conditions taken outside of ice shelf cavities and the ice sheet dynamic response to these oceanic changes. Results under RCP 2.6 scenario based on two CMIP5 climate models show an additional mass loss of 0 and 3 cm of SLE on average compared to simulations done under present-day conditions for the two CMIP5 forcings used and display limited mass gain in East Antarctica.

Reducing the uncertainty in the past, present and future contribution of ice sheets to sea-level change requires a coordinated effort between the climate and glaciology communities. The Ice Sheet Model Intercomparison Project for CMIP6 (ISMIP6) is the primary activity within the Coupled Model Intercomparison Project - phase 6 (CMIP6) focusing on the Greenland and Antarctic Ice Sheets. In this paper, we describe the framework for ISMIP6 and its relationship to other activities within CMIP6. The ISMIP6 experimental design relies on CMIP6 climate models and includes, for the first time within CMIP, coupled ice sheet - climate models as well as standalone ice sheet models. To facilitate analysis of the multi-model ensemble and to generate a set of standard climate inputs for standalone ice sheet models, ISMIP6 defines a protocol for all variables related to ice sheets. ISMIP6 will provide a basis for investigating the feedbacks, impacts, and sea-level changes associated with dynamic ice sheets and for quantifying the uncertainty in ice-sheet-sourced global sea-level change.