The intensity of the heaviest extreme precipitation events is known to increase with global warming. How often such events occur in a warmer world is however less well established, and the combined effect of changes in frequency and intensity on the total amount of rain falling as extreme precipitation is much less explored, in spite of potentially large societal impacts. Here, we employ observations and climate model simulations to document strong increases in the frequencies of extreme precipitation events occurring on decadal timescales. Based on observations we find that the total precipitation from these intense events almost doubles per degree of warming, mainly due to changes in frequency, while the intensity changes are relatively weak, in accordance to previous studies. This shift towards stronger total precipitation from extreme events is seen in observations and climate models, and increases with the strength - and hence the rareness - of the event. Based on these results, we project that if historical trends continue, the most intense precipitation events observed today are likely to almost double in occurrence for each degree of further global warming. Changes to extreme precipitation of this magnitude are dramatically stronger than the more widely communicated changes to global mean precipitation.

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.

The GEISA database (Gestion et Etude des Informations Spectroscopiques Atmosphériques: Management and Study of Atmospheric Spectroscopic Information) has been developed and maintained by the ARA/ABC(t) group at LMD since 1974. GEISA is constantly evolving, taking into account the best available spectroscopic data. This paper presents the 2015 release of GEISA (GEISA-2015), which updates the last edition of 2011 and celebrates the 40th anniversary of the database. Significant updates and additions have been implemented in the three following independent databases of GEISA. The “line parameters database” contains 52 molecular species (118 isotopologues) and transitions in the spectral range from 10−6 to 35,877.031 cm−1, representing 5,067,351 entries, against 3,794,297 in GEISA-2011. Among the previously existing molecules, 20 molecular species have been updated. A new molecule (SO3) has been added. HDO, isotopologue of H2O, is now identified as an independent molecular species. Seven new isotopologues have been added to the GEISA-2015 database. The “cross section sub-database” has been enriched by the addition of 43 new molecular species in its infrared part, 4 molecules (ethane, propane, acetone, acetonitrile) are also updated; they represent 3% of the update. A new section is added, in the near-infrared spectral region, involving 7 molecular species: CH3CN, CH3I, CH3O2, H2CO, HO2, HONO, NH3. The “microphysical and optical properties of atmospheric aerosols sub-database” has been updated for the first time since 2003. It contains more than 40 species originating from NCAR and 20 from the ARIA archive of Oxford University. As for the previous versions, this new release of GEISA and associated management software facilities are implemented and freely accessible on the AERIS/ESPRI atmospheric chemistry data center website.

Abstract Precipitation is expected to respond differently to various drivers of anthropogenic climate change. We present the first results from the Precipitation Driver and Response Model Intercomparison Project (PDRMIP), where nine global climate models have perturbed CO 2 , CH 4 , black carbon, sulfate, and solar insolation. We divide the resulting changes to global mean and regional precipitation into fast responses that scale with changes in atmospheric absorption and slow responses scaling with surface temperature change. While the overall features are broadly similar between models, we find significant regional intermodel variability, especially over land. Black carbon stands out as a component that may cause significant model diversity in predicted precipitation change. Processes linked to atmospheric absorption are less consistently modeled than those linked to top‐of‐atmosphere radiative forcing. We identify a number of land regions where the model ensemble consistently predicts that fast precipitation responses to climate perturbations dominate over the slow, temperature‐driven responses.

Rapid adjustments are responses to forcing agents that cause a perturbation to the top of atmosphere energy budget but are uncoupled to changes in surface warming. Different mechanisms are responsible for these adjustments for a variety of climate drivers. These remain to be quantified in detail. It is shown that rapid adjustments reduce the effective radiative forcing (ERF) of black carbon by half of the instantaneous forcing, but for CO2 forcing, rapid adjustments increase ERF. Competing tropospheric adjustments for CO2 forcing are individually significant but sum to zero, such that the ERF equals the stratospherically adjusted radiative forcing, but this is not true for other forcing agents. Additional experiments of increase in the solar constant and increase in CH4 are used to show that a key factor of the rapid adjustment for an individual climate driver is changes in temperature in the upper troposphere and lower stratosphere.

Abstract Here we present the first multi-model ensemble of regional climate simulations at kilometer-scale horizontal grid spacing over a decade long period. A total of 23 simulations run with a horizontal grid spacing of $$\sim $$ ∼ 3 km, driven by ERA-Interim reanalysis, and performed by 22 European research groups are analysed. Six different regional climate models (RCMs) are represented in the ensemble. The simulations are compared against available high-resolution precipitation observations and coarse resolution ( $$\sim $$ ∼ 12 km) RCMs with parameterized convection. The model simulations and observations are compared with respect to mean precipitation, precipitation intensity and frequency, and heavy precipitation on daily and hourly timescales in different seasons. The results show that kilometer-scale models produce a more realistic representation of precipitation than the coarse resolution RCMs. The most significant improvements are found for heavy precipitation and precipitation frequency on both daily and hourly time scales in the summer season. In general, kilometer-scale models tend to produce more intense precipitation and reduced wet-hour frequency compared to coarse resolution models. On average, the multi-model mean shows a reduction of bias from $$\sim \,$$ ∼  −40% at 12 km to $$\sim \,$$ ∼  −3% at 3 km for heavy hourly precipitation in summer. Furthermore, the uncertainty ranges i.e. the variability between the models for wet hour frequency is reduced by half with the use of kilometer-scale models. Although differences between the model simulations at the kilometer-scale and observations still exist, it is evident that these simulations are superior to the coarse-resolution RCM simulations in the representing precipitation in the present-day climate, and thus offer a promising way forward for investigations of climate and climate change at local to regional scales.

Abstract We investigate the climate response to increased concentrations of black carbon (BC), as part of the Precipitation Driver Response Model Intercomparison Project (PDRMIP). A tenfold increase in BC is simulated by nine global coupled‐climate models, producing a model median effective radiative forcing of 0.82 (ranging from 0.41 to 2.91) W m −2 , and a warming of 0.67 (0.16 to 1.66) K globally and 1.24 (0.26 to 4.31) K in the Arctic. A strong positive instantaneous radiative forcing (median of 2.10 W m −2 based on five of the models) is countered by negative rapid adjustments (−0.64 W m −2 for the same five models), which dampen the total surface temperature signal. Unlike other drivers of climate change, the response of temperature and cloud profiles to the BC forcing is dominated by rapid adjustments. Low‐level cloud amounts increase for all models, while higher‐level clouds are diminished. The rapid temperature response is particularly strong above 400 hPa, where increased atmospheric stabilization and reduced cloud cover contrast the response pattern of the other drivers. In conclusion, we find that this substantial increase in BC concentrations does have considerable impacts on important aspects of the climate system. However, some of these effects tend to offset one another, leaving a relatively small median global warming of 0.47 K per W m −2 —about 20% lower than the response to a doubling of CO 2 . Translating the tenfold increase in BC to the present‐day impact of anthropogenic BC (given the emissions used in this work) would leave a warming of merely 0.07 K.

As the global temperature increases with changing climate, precipitation rates and patterns are affected through a wide range of physical mechanisms. The globally averaged intensity of extreme precipitation also changes more rapidly than the globally averaged precipitation rate. While some aspects of the regional variation in precipitation predicted by climate models appear robust, there is still a large degree of inter-model differences unaccounted for. Individual drivers of climate change initially alter the energy budget of the atmosphere leading to distinct rapid adjustments involving changes in precipitation. Differences in how these rapid adjustment processes manifest themselves within models are likely to explain a large fraction of the present model spread and needs better quantifications to improve precipitation predictions. Here, we introduce the Precipitation Driver and Response Model Intercomparison Project (PDRMIP), where a set of idealized experiments designed to understand the role of different climate forcing mechanisms were performed by a large set of climate models. PDRMIP focuses on understanding how precipitation changes relating to rapid adjustments and slower responses to climate forcings are represented across models. Initial results show that rapid adjustments account for large regional differences in hydrological sensitivity across multiple drivers. The PDRMIP results are expected to dramatically improve our understanding of the causes of the present diversity in future climate projections.

Abstract. New regulations of sulfur emissions from shipping were introduced in 2020, reducing emissions of SO2 from international shipping by ∼ 80 %. As SO2 is an aerosol precursor, this drop in emissions over the ocean will weaken the total aerosol effective radiative forcing (ERF) that has historically masked an uncertain fraction of the warming due to the increased concentration of greenhouse gases in the atmosphere. Here, we use four global climate models and a chemical transport model to calculate the ERF resulting from an 80 % reduction in SO2 emissions from international shipping relative to 2019 emission estimates. The individual model means range from 0.06 to 0.09 W m−2, corresponding to the ERF resulting from the increase in CO2 concentration over the last 2 to 3 years. The full uncertainty in the ERF due to the new regulation is not quantified but will very likely be high considering the contribution of uncertainties in shipping SO2 emissions, the sulfur cycle, the modelling of cloud adjustments and the impact of interannual variability on the method for calculating radiative forcing.