Abstract The physical climate formulation and simulation characteristics of two new global coupled carbon–climate Earth System Models, ESM2M and ESM2G, are described. These models demonstrate similar climate fidelity as the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory’s previous Climate Model version 2.1 (CM2.1) while incorporating explicit and consistent carbon dynamics. The two models differ exclusively in the physical ocean component; ESM2M uses Modular Ocean Model version 4p1 with vertical pressure layers while ESM2G uses Generalized Ocean Layer Dynamics with a bulk mixed layer and interior isopycnal layers. Differences in the ocean mean state include the thermocline depth being relatively deep in ESM2M and relatively shallow in ESM2G compared to observations. The crucial role of ocean dynamics on climate variability is highlighted in El Niño–Southern Oscillation being overly strong in ESM2M and overly weak in ESM2G relative to observations. Thus, while ESM2G might better represent climate changes relating to total heat content variability given its lack of long-term drift, gyre circulation, and ventilation in the North Pacific, tropical Atlantic, and Indian Oceans, and depth structure in the overturning and abyssal flows, ESM2M might better represent climate changes relating to surface circulation given its superior surface temperature, salinity, and height patterns, tropical Pacific circulation and variability, and Southern Ocean dynamics. The overall assessment is that neither model is fundamentally superior to the other, and that both models achieve sufficient fidelity to allow meaningful climate and earth system modeling applications. This affords the ability to assess the role of ocean configuration on earth system interactions in the context of two state-of-the-art coupled carbon–climate models.

Abstract The authors describe carbon system formulation and simulation characteristics of two new global coupled carbon–climate Earth System Models (ESM), ESM2M and ESM2G. These models demonstrate good climate fidelity as described in part I of this study while incorporating explicit and consistent carbon dynamics. The two models differ almost exclusively in the physical ocean component; ESM2M uses the Modular Ocean Model version 4.1 with vertical pressure layers, whereas ESM2G uses generalized ocean layer dynamics with a bulk mixed layer and interior isopycnal layers. On land, both ESMs include a revised land model to simulate competitive vegetation distributions and functioning, including carbon cycling among vegetation, soil, and atmosphere. In the ocean, both models include new biogeochemical algorithms including phytoplankton functional group dynamics with flexible stoichiometry. Preindustrial simulations are spun up to give stable, realistic carbon cycle means and variability. Significant differences in simulation characteristics of these two models are described. Because of differences in oceanic ventilation rates, ESM2M has a stronger biological carbon pump but weaker northward implied atmospheric CO 2 transport than ESM2G. The major advantages of ESM2G over ESM2M are improved representation of surface chlorophyll in the Atlantic and Indian Oceans and thermocline nutrients and oxygen in the North Pacific. Improved tree mortality parameters in ESM2G produced more realistic carbon accumulation in vegetation pools. The major advantages of ESM2M over ESM2G are reduced nutrient and oxygen biases in the southern and tropical oceans.

Abstract We describe the baseline coupled model configuration and simulation characteristics of GFDL's Earth System Model Version 4.1 (ESM4.1), which builds on component and coupled model developments at GFDL over 2013–2018 for coupled carbon‐chemistry‐climate simulation contributing to the sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project. In contrast with GFDL's CM4.0 development effort that focuses on ocean resolution for physical climate, ESM4.1 focuses on comprehensiveness of Earth system interactions. ESM4.1 features doubled horizontal resolution of both atmosphere (2° to 1°) and ocean (1° to 0.5°) relative to GFDL's previous‐generation coupled ESM2‐carbon and CM3‐chemistry models. ESM4.1 brings together key representational advances in CM4.0 dynamics and physics along with those in aerosols and their precursor emissions, land ecosystem vegetation and canopy competition, and multiday fire; ocean ecological and biogeochemical interactions, comprehensive land‐atmosphere‐ocean cycling of CO 2 , dust and iron, and interactive ocean‐atmosphere nitrogen cycling are described in detail across this volume of JAMES and presented here in terms of the overall coupling and resulting fidelity. ESM4.1 provides much improved fidelity in CO 2 and chemistry over ESM2 and CM3, captures most of CM4.0's baseline simulations characteristics, and notably improves on CM4.0 in (1) Southern Ocean mode and intermediate water ventilation, (2) Southern Ocean aerosols, and (3) reduced spurious ocean heat uptake. ESM4.1 has reduced transient and equilibrium climate sensitivity compared to CM4.0. Fidelity concerns include (1) moderate degradation in sea surface temperature biases, (2) degradation in aerosols in some regions, and (3) strong centennial scale climate modulation by Southern Ocean convection.

Abstract The authors assess the uptake, transport, and storage of oceanic anthropogenic carbon and heat over the period 1861–2005 in a new set of coupled carbon–climate Earth system models conducted for the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5), with a particular focus on the Southern Ocean. Simulations show that the Southern Ocean south of 30°S, occupying 30% of global surface ocean area, accounts for 43% ± 3% (42 ± 5 Pg C) of anthropogenic CO2 and 75% ± 22% (23 ± 9 × 1022 J) of heat uptake by the ocean over the historical period. Northward transport out of the Southern Ocean is vigorous, reducing the storage to 33 ± 6 Pg anthropogenic carbon and 12 ± 7 × 1022 J heat in the region. The CMIP5 models, as a class, tend to underestimate the observation-based global anthropogenic carbon storage but simulate trends in global ocean heat storage over the last 50 years within uncertainties of observation-based estimates. CMIP5 models suggest global and Southern Ocean CO2 uptake have been largely unaffected by recent climate variability and change. Anthropogenic carbon and heat storage show a common broad-scale pattern of change, but ocean heat storage is more structured than ocean carbon storage. The results highlight the significance of the Southern Ocean for the global climate and as the region where models differ the most in representation of anthropogenic CO2 and, in particular, heat uptake.

Earth system models are complex and represent a large number of processes, resulting in a persistent spread across climate projections for a given future scenario. Owing to different model performances against observations and the lack of independence among models, there is now evidence that giving equal weight to each available model projection is suboptimal. This Perspective discusses newly developed tools that facilitate a more rapid and comprehensive evaluation of model simulations with observations, process-based emergent constraints that are a promising way to focus evaluation on the observations most relevant to climate projections, and advanced methods for model weighting. These approaches are needed to distil the most credible information on regional climate changes, impacts, and risks for stakeholders and policy-makers. Earth system models project likely future climates, however, evaluation of their output is challenging. This Perspective discusses new evaluation approaches, considering both simulations and observations, to ensure credible information for decision-making.

Abstract. Results from the fully and biogeochemically coupled simulations in which CO2 increases at a rate of 1 % yr−1 (1pctCO2) from its preindustrial value are analyzed to quantify the magnitude of carbon–concentration and carbon–climate feedback parameters which measure the response of ocean and terrestrial carbon pools to changes in atmospheric CO2 concentration and the resulting change in global climate, respectively. The results are based on 11 comprehensive Earth system models from the most recent (sixth) Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) and compared with eight models from the fifth CMIP (CMIP5). The strength of the carbon–concentration feedback is of comparable magnitudes over land (mean ± standard deviation = 0.97 ± 0.40 PgC ppm−1) and ocean (0.79 ± 0.07 PgC ppm−1), while the carbon–climate feedback over land (−45.1 ± 50.6 PgC ∘C−1) is about 3 times larger than over ocean (−17.2 ± 5.0 PgC ∘C−1). The strength of both feedbacks is an order of magnitude more uncertain over land than over ocean as has been seen in existing studies. These values and their spread from 11 CMIP6 models have not changed significantly compared to CMIP5 models. The absolute values of feedback parameters are lower for land with models that include a representation of nitrogen cycle. The transient climate response to cumulative emissions (TCRE) from the 11 CMIP6 models considered here is 1.77 ± 0.37 ∘C EgC−1 and is similar to that found in CMIP5 models (1.63 ± 0.48 ∘C EgC−1) but with somewhat reduced model spread. The expressions for feedback parameters based on the fully and biogeochemically coupled configurations of the 1pctCO2 simulation are simplified when the small temperature change in the biogeochemically coupled simulation is ignored. Decomposition of the terms of these simplified expressions for the feedback parameters is used to gain insight into the reasons for differing responses among ocean and land carbon cycle models.

Abstract We describe the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory's CM4.0 physical climate model, with emphasis on those aspects that may be of particular importance to users of this model and its simulations. The model is built with the AM4.0/LM4.0 atmosphere/land model and OM4.0 ocean model. Topics include the rationale for key choices made in the model formulation, the stability as well as drift of the preindustrial control simulation, and comparison of key aspects of the historical simulations with observations from recent decades. Notable achievements include the relatively small biases in seasonal spatial patterns of top‐of‐atmosphere fluxes, surface temperature, and precipitation; reduced double Intertropical Convergence Zone bias; dramatically improved representation of ocean boundary currents; a high‐quality simulation of climatological Arctic sea ice extent and its recent decline; and excellent simulation of the El Niño‐Southern Oscillation spectrum and structure. Areas of concern include inadequate deep convection in the Nordic Seas; an inaccurate Antarctic sea ice simulation; precipitation and wind composites still affected by the equatorial cold tongue bias; muted variability in the Atlantic Meridional Overturning Circulation; strong 100 year quasiperiodicity in Southern Ocean ventilation; and a lack of historical warming before 1990 and too rapid warming thereafter due to high climate sensitivity and strong aerosol forcing, in contrast to the observational record. Overall, CM4.0 scores very well in its fidelity against observations compared to the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 generation in terms of both mean state and modes of variability and should prove a valuable new addition for analysis across a broad array of applications.

Abstract. The Ocean Model Intercomparison Project (OMIP) is an endorsed project in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). OMIP addresses CMIP6 science questions, investigating the origins and consequences of systematic model biases. It does so by providing a framework for evaluating (including assessment of systematic biases), understanding, and improving ocean, sea-ice, tracer, and biogeochemical components of climate and earth system models contributing to CMIP6. Among the WCRP Grand Challenges in climate science (GCs), OMIP primarily contributes to the regional sea level change and near-term (climate/decadal) prediction GCs.OMIP provides (a) an experimental protocol for global ocean/sea-ice models run with a prescribed atmospheric forcing; and (b) a protocol for ocean diagnostics to be saved as part of CMIP6. We focus here on the physical component of OMIP, with a companion paper (Orr et al., 2016) detailing methods for the inert chemistry and interactive biogeochemistry. The physical portion of the OMIP experimental protocol follows the interannual Coordinated Ocean-ice Reference Experiments (CORE-II). Since 2009, CORE-I (Normal Year Forcing) and CORE-II (Interannual Forcing) have become the standard methods to evaluate global ocean/sea-ice simulations and to examine mechanisms for forced ocean climate variability. The OMIP diagnostic protocol is relevant for any ocean model component of CMIP6, including the DECK (Diagnostic, Evaluation and Characterization of Klima experiments), historical simulations, FAFMIP (Flux Anomaly Forced MIP), C4MIP (Coupled Carbon Cycle Climate MIP), DAMIP (Detection and Attribution MIP), DCPP (Decadal Climate Prediction Project), ScenarioMIP, HighResMIP (High Resolution MIP), as well as the ocean/sea-ice OMIP simulations.