This study provides an overview of projected changes in climate extremes indices defined by the Expert Team on Climate Change Detection and Indices (ETCCDI). The temperature‐ and precipitation‐based indices are computed with a consistent methodology for climate change simulations using different emission scenarios in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 3 (CMIP3) and Phase 5 (CMIP5) multimodel ensembles. We analyze changes in the indices on global and regional scales over the 21st century relative to the reference period 1981–2000. In general, changes in indices based on daily minimum temperatures are found to be more pronounced than in indices based on daily maximum temperatures. Extreme precipitation generally increases faster than total wet‐day precipitation. In regions, such as Australia, Central America, South Africa, and the Mediterranean, increases in consecutive dry days coincide with decreases in heavy precipitation days and maximum consecutive 5 day precipitation, which indicates future intensification of dry conditions. Particularly for the precipitation‐based indices, there can be a wide disagreement about the sign of change between the models in some regions. Changes in temperature and precipitation indices are most pronounced under RCP8.5, with projected changes exceeding those discussed in previous studies based on SRES scenarios. The complete set of indices is made available via the ETCCDI indices archive to encourage further studies on the various aspects of changes in extremes.

Abstract Temperature and precipitation extremes and their potential future changes are evaluated in an ensemble of global coupled climate models participating in the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) diagnostic exercise for the Fourth Assessment Report (AR4). Climate extremes are expressed in terms of 20-yr return values of annual extremes of near-surface temperature and 24-h precipitation amounts. The simulated changes in extremes are documented for years 2046–65 and 2081–2100 relative to 1981–2000 in experiments with the Special Report on Emissions Scenarios (SRES) B1, A1B, and A2 emission scenarios. Overall, the climate models simulate present-day warm extremes reasonably well on the global scale, as compared to estimates from reanalyses. The model discrepancies in simulating cold extremes are generally larger than those for warm extremes, especially in sea ice–covered areas. Simulated present-day precipitation extremes are plausible in the extratropics, but uncertainties in extreme precipitation in the Tropics are very large, both in the models and the available observationally based datasets. Changes in warm extremes generally follow changes in the mean summertime temperature. Cold extremes warm faster than warm extremes by about 30%–40%, globally averaged. The excessive warming of cold extremes is generally confined to regions where snow and sea ice retreat with global warming. With the exception of northern polar latitudes, relative changes in the intensity of precipitation extremes generally exceed relative changes in annual mean precipitation, particularly in tropical and subtropical regions. Consistent with the increased intensity of precipitation extremes, waiting times for late-twentieth-century extreme precipitation events are reduced almost everywhere, with the exception of a few subtropical regions. The multimodel multiscenario consensus on the projected change in the globally averaged 20-yr return values of annual extremes of 24-h precipitation amounts is that there will be an increase of about 6% with each kelvin of global warming, with the bulk of models simulating values in the range of 4%–10% K−1. The very large intermodel disagreements in the Tropics suggest that some physical processes associated with extreme precipitation are not well represented in models. This reduces confidence in the projected changes in extreme precipitation.

[1] The response of the second-generation Canadian earth system model (CanESM2) to historical (1850–2005) and future (2006–2100) natural and anthropogenic forcing is assessed using the newly-developed representative concentration pathways (RCPs) of greenhouse gases (GHGs) and aerosols. Allowable emissions required to achieve the future atmospheric CO2 concentration pathways, are reported for the RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios. For the historical 1850–2005 period, cumulative land plus ocean carbon uptake and, consequently, cumulative diagnosed emissions compare well with observation-based estimates. The simulated historical carbon uptake is somewhat weaker for the ocean and stronger for the land relative to their observation-based estimates. The simulated historical warming of 0.9°C compares well with the observation-based estimate of 0.76 ± 0.19°C. The RCP 2.6, 4.5 and 8.5 scenarios respectively yield warmings of 1.4, 2.3, and 4.9°C and cumulative diagnosed fossil fuel emissions of 182, 643 and 1617 Pg C over the 2006–2100 period. The simulated warming of 2.3°C over the 1850–2100 period in the RCP 2.6 scenario, with the lowest concentration of GHGs, is slightly larger than the 2°C warming target set to avoid dangerous climate change by the 2009 UN Copenhagen Accord. The results of this study suggest that limiting warming to roughly 2°C by the end of this century is unlikely since it requires an immediate ramp down of emissions followed by ongoing carbon sequestration in the second half of this century.

Abstract Changes in temperature and precipitation extremes are examined in transient climate change simulations performed with the second-generation coupled global climate model of the Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis. Three-member ensembles were produced for the time period 1990–2100 using the IS92a, A2, and B2 emission scenarios of the Intergovernmental Panel on Climate Change. The return values of annual extremes are estimated from a fitted generalized extreme value distribution with time-dependent location and scale parameters by the method of maximum likelihood. The L-moment return value estimates are revisited and found to be somewhat biased in the context of transient climate change simulations. The climate response is of similar magnitude in the integrations with the IS92a and A2 emission scenarios but more modest for the B2 scenario. Changes in temperature extremes are largely associated with changes in the location of the distribution of annual extremes without substantial changes in its shape over most of the globe. Exceptions are regions where land and ocean surface properties change drastically, such as the regions that experience sea ice and snow cover retreat. Globally averaged changes in warm extremes are comparable to the corresponding changes in annual mean daily maximum temperature, while globally averaged cold extremes warm up faster than annual mean daily minimum temperature. There are considerable regional differences between the magnitudes of changes in temperature extremes and the corresponding annual means. Changes in precipitation extremes are due to changes in both the location and scale of the extreme value distribution and exceed substantially the corresponding changes in the annual mean precipitation. Generally speaking, the warmer model climate becomes wetter and hydrologically more variable. The probability of precipitation events that are considered extreme at the beginning of the simulations is increased by a factor of about 2 by the end of the twenty-first century.

The extremes of surface temperature, precipitation, and wind speed and their changes under projected changes in radiative forcing are examined in an ensemble of three transient climate change simulations for the years 1900–2100 conducted with the global coupled model of the Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis. The evolution of the greenhouse gases and aerosols in these simulations is consistent with the Intergovernmental Panel on Climate Change 1992 scenario A. The extremes are analyzed in three 21-yr time periods centered at years 1985, 2050, and 2090. The model simulates reasonably well the extremes of the contemporary near-surface climate. Changes in extremes of daily maximum and daily minimum temperature are distinctively different and are related to changes in the mean screen temperature, soil moisture, and snow and sea-ice cover. Extreme precipitation increases almost everywhere on the globe. Relative change in extreme precipitation is larger than change in total precipitation. Extreme wind speed in the extratropics changes only modestly. Changes in duration of extended wet and dry periods are consistent with changes in total precipitation. There are temperature-related changes in cooling and heating degree days.

Abstract. The Scenario Model Intercomparison Project (ScenarioMIP) defines and coordinates the main set of future climate projections, based on concentration-driven simulations, within the Coupled Model Intercomparison Project phase 6 (CMIP6). This paper presents a range of its outcomes by synthesizing results from the participating global coupled Earth system models. We limit our scope to the analysis of strictly geophysical outcomes: mainly global averages and spatial patterns of change for surface air temperature and precipitation. We also compare CMIP6 projections to CMIP5 results, especially for those scenarios that were designed to provide continuity across the CMIP phases, at the same time highlighting important differences in forcing composition, as well as in results. The range of future temperature and precipitation changes by the end of the century (2081–2100) encompassing the Tier 1 experiments based on the Shared Socioeconomic Pathway (SSP) scenarios (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0 and SSP5-8.5) and SSP1-1.9 spans a larger range of outcomes compared to CMIP5, due to higher warming (by close to 1.5 ∘C) reached at the upper end of the 5 %–95 % envelope of the highest scenario (SSP5-8.5). This is due to both the wider range of radiative forcing that the new scenarios cover and the higher climate sensitivities in some of the new models compared to their CMIP5 predecessors. Spatial patterns of change for temperature and precipitation averaged over models and scenarios have familiar features, and an analysis of their variations confirms model structural differences to be the dominant source of uncertainty. Models also differ with respect to the size and evolution of internal variability as measured by individual models' initial condition ensemble spreads, according to a set of initial condition ensemble simulations available under SSP3-7.0. These experiments suggest a tendency for internal variability to decrease along the course of the century in this scenario, a result that will benefit from further analysis over a larger set of models. Benefits of mitigation, all else being equal in terms of societal drivers, appear clearly when comparing scenarios developed under the same SSP but to which different degrees of mitigation have been applied. It is also found that a mild overshoot in temperature of a few decades around mid-century, as represented in SSP5-3.4OS, does not affect the end outcome of temperature and precipitation changes by 2100, which return to the same levels as those reached by the gradually increasing SSP4-3.4 (not erasing the possibility, however, that other aspects of the system may not be as easily reversible). Central estimates of the time at which the ensemble means of the different scenarios reach a given warming level might be biased by the inclusion of models that have shown faster warming in the historical period than the observed. Those estimates show all scenarios reaching 1.5 ∘C of warming compared to the 1850–1900 baseline in the second half of the current decade, with the time span between slow and fast warming covering between 20 and 27 years from present. The warming level of 2 ∘C of warming is reached as early as 2039 by the ensemble mean under SSP5-8.5 but as late as the mid-2060s under SSP1-2.6. The highest warming level considered (5 ∘C) is reached by the ensemble mean only under SSP5-8.5 and not until the mid-2090s.