Studies of global environmental change make extensive use of scenarios to explore how the future can evolve under a consistent set of assumptions. The recently developed Shared Socioeconomic Pathways (SSPs) create a framework for the study of climate-related scenario outcomes. Their five narratives span a wide range of worlds that vary in their challenges for climate change mitigation and adaptation. Here we provide background on the quantification that has been selected to serve as the reference, or ‘marker’, implementation for SSP2. The SSP2 narrative describes a middle-of-the-road development in the mitigation and adaptation challenges space. We explain how the narrative has been translated into quantitative assumptions in the IIASA Integrated Assessment Modelling Framework. We show that our SSP2 marker implementation occupies a central position for key metrics along the mitigation and adaptation challenge dimensions. For many dimensions the SSP2 marker implementation also reflects an extension of the historical experience, particularly in terms of carbon and energy intensity improvements in its baseline. This leads to a steady emissions increase over the 21st century, with projected end-of-century warming nearing 4 °C relative to preindustrial levels. On the other hand, SSP2 also shows that global-mean temperature increase can be limited to below 2 °C, pending stringent climate policies throughout the world. The added value of the SSP2 marker implementation for the wider scientific community is that it can serve as a starting point to further explore integrated solutions for achieving multiple societal objectives in light of the climate adaptation and mitigation challenges that society could face over the 21st century.

Environmental policies in Europe have successfully eliminated the most visible and immediate harmful effects of air pollution in the last decades. However, there is ample and robust scientific evidence that even at present rates Europe’s emissions to the atmosphere pose a significant threat to human health, ecosystems and the global climate, though in a less visible and immediate way. As many of the ‘low hanging fruits’ have been harvested by now, further action will place higher demands on economic resources, especially at a time when resources are strained by an economic crisis. In addition, interactions and interdependencies of the various measures could even lead to counter-productive outcomes of strategies if they are ignored. Integrated assessment models, such as the GAINS (Greenhouse gas – Air pollution Interactions and Synergies) model, have been developed to identify portfolios of measures that improve air quality and reduce greenhouse gas emissions at least cost. Such models bring together scientific knowledge and quality-controlled data on future socio-economic driving forces of emissions, on the technical and economic features of the available emission control options, on the chemical transformation and dispersion of pollutants in the atmosphere, and the resulting impacts on human health and the environment. The GAINS model and its predecessor have been used to inform the key negotiations on air pollution control agreements in Europe during the last two decades. This paper describes the methodological approach of the GAINS model and its components. It presents a recent policy analysis that explores the likely future development of emissions and air quality in Europe in the absence of further policy measures, and assesses the potential and costs for further environmental improvements. To inform the forthcoming negotiations on the revision of the Gothenburg Protocol of the Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, the paper discusses the implications of alternative formulations of environmental policy targets on a cost-effective allocation of further mitigation measures.

Abstract In recent years, marine, freshwater and terrestrial pollution with microplastics has been discussed extensively, whereas atmospheric microplastic transport has been largely overlooked. Here, we present global simulations of atmospheric transport of microplastic particles produced by road traffic (TWPs – tire wear particles and BWPs – brake wear particles), a major source that can be quantified relatively well. We find a high transport efficiencies of these particles to remote regions. About 34% of the emitted coarse TWPs and 30% of the emitted coarse BWPs (100 kt yr −1 and 40 kt yr −1 respectively) were deposited in the World Ocean. These amounts are of similar magnitude as the total estimated direct and riverine transport of TWPs and fibres to the ocean (64 kt yr −1 ). We suggest that the Arctic may be a particularly sensitive receptor region, where the light-absorbing properties of TWPs and BWPs may also cause accelerated warming and melting of the cryosphere.

Vehicle emissions contribute to fine particulate matter (PM2.5) and tropospheric ozone air pollution, affecting human health, crop yields and climate worldwide. On-road diesel vehicles produce approximately 20 per cent of global anthropogenic emissions of nitrogen oxides (NOx), which are key PM2.5 and ozone precursors. Regulated NOx emission limits in leading markets have been progressively tightened, but current diesel vehicles emit far more NOx under real-world operating conditions than during laboratory certification testing. Here we show that across 11 markets, representing approximately 80 per cent of global diesel vehicle sales, nearly one-third of on-road heavy-duty diesel vehicle emissions and over half of on-road light-duty diesel vehicle emissions are in excess of certification limits. These excess emissions (totalling 4.6 million tons) are associated with about 38,000 PM2.5- and ozone-related premature deaths globally in 2015, including about 10 per cent of all ozone-related premature deaths in the 28 European Union member states. Heavy-duty vehicles are the dominant contributor to excess diesel NOx emissions and associated health impacts in almost all regions. Adopting and enforcing next-generation standards (more stringent than Euro 6/VI) could nearly eliminate real-world diesel-related NOx emissions in these markets, avoiding approximately 174,000 global PM2.5- and ozone-related premature deaths in 2040. Most of these benefits can be achieved by implementing Euro VI standards where they have not yet been adopted for heavy-duty vehicles.

Emissions of air pollutants such as sulfur and nitrogen oxides and particulates have significant health impacts as well as effects on natural and anthropogenic ecosystems. These same emissions also can change atmospheric chemistry and the planetary energy balance, thereby impacting global and regional climate. Long-term scenarios for air pollutant emissions are needed as inputs to global climate and chemistry models, and for analysis linking air pollutant impacts across sectors. In this paper we present methodology and results for air pollutant emissions in Shared Socioeconomic Pathways (SSP) scenarios. We first present a set of three air pollution narratives that describe high, central, and low pollution control ambitions over the 21st century. These narratives are then translated into quantitative guidance for use in integrated assessment models. The resulting pollutant emission trajectories under the SSP scenarios cover a wider range than the scenarios used in previous international climate model comparisons. In the SSP3 and SSP4 scenarios, where economic, institutional and technological limitations slow air quality improvements, global pollutant emissions over the 21st century can be comparable to current levels. Pollutant emissions in the SSP1 scenarios fall to low levels due to the assumption of technological advances and successful global action to control emissions.

Abstract. This paper presents a summary of the work done within the European Union's Seventh Framework Programme project ECLIPSE (Evaluating the Climate and Air Quality Impacts of Short-Lived Pollutants). ECLIPSE had a unique systematic concept for designing a realistic and effective mitigation scenario for short-lived climate pollutants (SLCPs; methane, aerosols and ozone, and their precursor species) and quantifying its climate and air quality impacts, and this paper presents the results in the context of this overarching strategy. The first step in ECLIPSE was to create a new emission inventory based on current legislation (CLE) for the recent past and until 2050. Substantial progress compared to previous work was made by including previously unaccounted types of sources such as flaring of gas associated with oil production, and wick lamps. These emission data were used for present-day reference simulations with four advanced Earth system models (ESMs) and six chemistry transport models (CTMs). The model simulations were compared with a variety of ground-based and satellite observational data sets from Asia, Europe and the Arctic. It was found that the models still underestimate the measured seasonality of aerosols in the Arctic but to a lesser extent than in previous studies. Problems likely related to the emissions were identified for northern Russia and India, in particular. To estimate the climate impacts of SLCPs, ECLIPSE followed two paths of research: the first path calculated radiative forcing (RF) values for a large matrix of SLCP species emissions, for different seasons and regions independently. Based on these RF calculations, the Global Temperature change Potential metric for a time horizon of 20 years (GTP20) was calculated for each SLCP emission type. This climate metric was then used in an integrated assessment model to identify all emission mitigation measures with a beneficial air quality and short-term (20-year) climate impact. These measures together defined a SLCP mitigation (MIT) scenario. Compared to CLE, the MIT scenario would reduce global methane (CH4) and black carbon (BC) emissions by about 50 and 80 %, respectively. For CH4, measures on shale gas production, waste management and coal mines were most important. For non-CH4 SLCPs, elimination of high-emitting vehicles and wick lamps, as well as reducing emissions from gas flaring, coal and biomass stoves, agricultural waste, solvents and diesel engines were most important. These measures lead to large reductions in calculated surface concentrations of ozone and particulate matter. We estimate that in the EU, the loss of statistical life expectancy due to air pollution was 7.5 months in 2010, which will be reduced to 5.2 months by 2030 in the CLE scenario. The MIT scenario would reduce this value by another 0.9 to 4.3 months. Substantially larger reductions due to the mitigation are found for China (1.8 months) and India (11–12 months). The climate metrics cannot fully quantify the climate response. Therefore, a second research path was taken. Transient climate ensemble simulations with the four ESMs were run for the CLE and MIT scenarios, to determine the climate impacts of the mitigation. In these simulations, the CLE scenario resulted in a surface temperature increase of 0.70 ± 0.14 K between the years 2006 and 2050. For the decade 2041–2050, the warming was reduced by 0.22 ± 0.07 K in the MIT scenario, and this result was in almost exact agreement with the response calculated based on the emission metrics (reduced warming of 0.22 ± 0.09 K). The metrics calculations suggest that non-CH4 SLCPs contribute ~ 22 % to this response and CH4 78 %. This could not be fully confirmed by the transient simulations, which attributed about 90 % of the temperature response to CH4 reductions. Attribution of the observed temperature response to non-CH4 SLCP emission reductions and BC specifically is hampered in the transient simulations by small forcing and co-emitted species of the emission basket chosen. Nevertheless, an important conclusion is that our mitigation basket as a whole would lead to clear benefits for both air quality and climate. The climate response from BC reductions in our study is smaller than reported previously, possibly because our study is one of the first to use fully coupled climate models, where unforced variability and sea ice responses cause relatively strong temperature fluctuations that may counteract (and, thus, mask) the impacts of small emission reductions. The temperature responses to the mitigation were generally stronger over the continents than over the oceans, and with a warming reduction of 0.44 K (0.39–0.49) K the largest over the Arctic. Our calculations suggest particularly beneficial climate responses in southern Europe, where surface warming was reduced by about 0.3 K and precipitation rates were increased by about 15 (6–21) mm yr−1 (more than 4 % of total precipitation) from spring to autumn. Thus, the mitigation could help to alleviate expected future drought and water shortages in the Mediterranean area. We also report other important results of the ECLIPSE project.

Air pollution is linked with many of the United Nations Sustainable Development Goals. Strategies aiming at the improved air quality interact directly with climate mitigation targets, access to clean energy services, waste management, and other aspects of socio-economic development. Continuation of current policies in the key emitting sectors implies that a number of sustainability goals will likely not be met within the next two decades: emissions of air pollutants would cause 40% more premature deaths from outdoor air pollution than today, carbon emissions would rise globally by 0.4% per year, while nearly two billion people would not have access to clean cooking. This paper examines integrated policies to put the world on track towards three interlinked goals of achieving universal energy access, limiting climate change and reducing air pollution. Scenario analysis suggests that these goals can be attained simultaneously with substantial benefits. By 2040, emissions of main pollutants are projected to drop by 60–80% relative to today, and associated health impacts are quantified at two million avoided deaths from ambient and household air pollution combined. In comparison to costs needed for the decarbonization of global economy, additional investments in air pollution control and access to clean fuels are very modest against major societal gains. However, holistic and systemic policy assessment is required to avoid potential trade-offs.

The Gothenburg Protocol (Protocol to Abate Acidification, Eutrophication and Ground-level Ozone) was first established in 1999 to support the enactment of the 1979 Convention on Long-range Transboundary Air Pollution. The Executive Body launched a review in December 2019 which was concluded in December 2022. In order to support the review and contribute to the assessment of the remaining risks for health, ecosystems and crops, model calculations have been performed on 2015, 2030 and 2050 emission scenarios which include both baseline and maximum technical feasible reduction (MFR) scenarios. The uEMEP/EMEP MSC-W modelling system has been applied for these calculations. uEMEP is a downscaling module for the EMEP MSC-W model that allows high resolution calculations, at 250 m for exposure, to be made. In this paper we document the input data, the model setup and present the calculated concentrations, exposure and source contributions based on emission scenario input from CIAM (Center for Integrated Assessment Modelling). The focus of this paper is on annual mean PM2.5 and NO2 at both existing monitoring sites and for population exposure in general. A comparison between three regions, namely the EU27+EFTA+UK, the Western Balkan, and EECCA countries is made. Comparison of current and future exposure to the WHO Guideline and Interim Target levels is also made. These 3 regions showed different exposure levels and different future trends. By 2030 the Baseline scenario indicates that 75% of the EU population will still be exposed to PM2.5 levels above 5μgm−3. However, this number is reduced to 40% in the 2050 Baseline calculation. The additional implementation of MFR in 2050 will reduce this further to just 14% of the population with exposure in excess of 5μgm−3. In this scenario, there is less than 1% of the population exposed to PM2.5 levels above 10μgm−3. For the Western Balkan and EECCA countries, the baseline scenario shows much less improvement in the PM2.5 levels. It is only with the implementation of MFR that significant improvement in these countries can be attained. The EECCA countries are limited in achieving lower concentration levels by high source contributions from wind blown dust. For NO2, all scenarios in 2050 showed that less than 2% of the EU population are still exposed above the WHO Guideline of 10μgm−3, while this share is 21% for the Western Balkan. For the 2050 baseline, the EECCA countries showed an increase in NO2 concentrations compared to 2015, with about 50% of the population being exposed to above 10μgm−3 and still with 13% of the population (33 million inhabitants) above 40μgm−3. It is only with the implementation of MFR that NO2 concentrations approach, but do not achieve, the WHO Guideline levels.

Abstract Air pollution poses a critical environmental challenge to sustainability, environmental health and public well-being in the South Asia Region (SAR). This study identifies hotspots of fine particulate matter (PM2.5) across SAR, analyzing both concentration levels and exposure. Moreover, it aims at a comprehensive understanding of the various sources of air pollution in these critical areas and a systematic evaluation of the costs and benefits of relevant policy actions, utilizing the GAINS modeling framework. A wide variety of sources contribute to PM2.5 levels in ambient air, and effective air quality management requires a balance of measures across these sources. Current environmental policies, while effective in decoupling emissions from economic growth in SAR, are insufficient to achieve significant reductions in ambient PM2.5 concentrations. However, considerable scope exists for further measures beyond current policies that could help to bring the WHO Interim Targets (IT-1) for PM2.5 closer. Finally, it is shown that cost-optimal strategies for air quality management can achieve significant cost savings compared to conventional approaches; however, they require collaboration between states, regions and countries in South Asia.