Abstract. Simulations of climate over the Last Millennium (850–1850 CE) have been incorporated into the third phase of the Paleoclimate Modelling Intercomparison Project (PMIP3). The drivers of climate over this period are chiefly orbital, solar, volcanic, changes in land use/land cover and some variation in greenhouse gas levels. While some of these effects can be easily defined, the reconstructions of solar, volcanic and land use-related forcing are more uncertain. We describe here the approach taken in defining the scenarios used in PMIP3, document the forcing reconstructions and discuss likely implications.

PLATO 2.0 has recently been selected for ESA's M3 launch opportunity (2022/24). Providing accurate key planet parameters (radius, mass, density and age) in statistical numbers, it addresses fundamental questions such as: How do planetary systems form and evolve? Are there other systems with planets like ours, including potentially habitable planets? The PLATO 2.0 instrument consists of 34 small aperture telescopes (32 with 25 sec readout cadence and 2 with 2.5 sec candence) providing a wide field-of-view (2232 deg2) and a large photometric magnitude range (4-16 mag). It focusses on bright (4-11 mag) stars in wide fields to detect and characterize planets down to Earth-size by photometric transits, whose masses can then be determined by ground-based radial-velocity follow-up measurements. Asteroseismology will be performed for these bright stars to obtain highly accurate stellar parameters, including masses and ages. The combination of bright targets and asteroseismology results in high accuracy for the bulk planet parameters: 2%, 4-10% and 10% for planet radii, masses and ages, respectively. The planned baseline observing strategy includes two long pointings (2-3 years) to detect and bulk characterize planets reaching into the habitable zone (HZ) of solar-like stars and an additional step-and-stare phase to cover in total about 50% of the sky. PLATO 2.0 will observe up to 1,000,000 stars and detect and characterize hundreds of small planets, and thousands of planets in the Neptune to gas giant regime out to the HZ. It will therefore provide the first large-scale catalogue of bulk characterized planets with accurate radii, masses, mean densities and ages. This catalogue will include terrestrial planets at intermediate orbital distances, where surface temperatures are moderate. Coverage of this parameter range with statistical numbers of bulk characterized planets is unique to PLATO 2.0.

Aims. We present a physically consistent reconstruction of the total solar irradiance for the Holocene. Methods. We extend the SATIRE models to estimate the evolution of the total (and partly spectral) solar irradiance over the Holocene. The basic assumption is that the variations of the solar irradiance are due to the evolution of the dark and bright magnetic features on the solar surface. The evolution of the decadally averaged magnetic flux is computed from decadal values of cosmogenic isotope concentrations recorded in natural archives employing a series of physics-based models connecting the processes from the modulation of the cosmic ray flux in the heliosphere to their record in natural archives. We then compute the total solar irradiance (TSI) as a linear combination of the jth and jth + 1 decadal values of the open magnetic flux. Results. Reconstructions of the TSI over the Holocene, each valid for a di_erent paleomagnetic time series, are presented. Our analysis suggests that major sources of uncertainty in the TSI in this model are the heritage of the uncertainty of the TSI since 1610 reconstructed from sunspot data and the uncertainty of the evolution of the Earth's magnetic dipole moment. The analysis of the distribution functions of the reconstructed irradiance for the last 3000 years indicates that the estimates based on the virtual axial dipole moment are significantly lower at earlier times than the reconstructions based on the virtual dipole moment. Conclusions. We present the first physics-based reconstruction of the total solar irradiance over the Holocene, which will be of interest for studies of climate change over the last 11500 years. The reconstruction indicates that the decadally averaged total solar irradiance ranges over approximately 1.5 W/m2 from grand maxima to grand minima.

Abstract. A long-standing task in climate research has been to distinguish between anthropogenic climate change and natural climate variability. A prerequisite for fulfilling this task is the understanding of the relative roles of external drivers and internal variability of climate and the carbon cycle. Here, we present the first ensemble simulations over the last 1200 years with a comprehensive Earth system model including a fully interactive carbon cycle. Applying up-to-date reconstructions of external forcing including the recent low-amplitude estimates of solar variations, the ensemble simulations reproduce temperature evolutions consistent with the range of reconstructions. The 20th-century warming trend stands out against all pre-industrial trends within the ensemble. Volcanic eruptions are necessary to explain variations in pre-industrial climate such as the Little Ice Age; yet only the strongest, repeated eruptions lead to cooling trends that differ significantly from the internal variability across all ensemble members. The simulated atmospheric CO2 concentrations exhibit a stable carbon cycle over the pre-industrial era with multi-centennial variations somewhat smaller than in the observational records. Early land-cover changes have modulated atmospheric CO2 concentrations only slightly. We provide a model-based quantification of the sensitivity (termed γ) of the global carbon cycle to temperature for a variety of climate and forcing conditions. We diagnose a distinct dependence of γ on the forcing strength and time-scales involved, thus providing a possible explanation for the systematic difference in the observational estimates for different segments of the last millennium.

The lack of long and reliable time series of solar spectral irradiance (SSI) measurements makes an accurate quantification of solar contributions to recent climate change difficult. Whereas earlier SSI observations and models provided a qualitatively consistent picture of the SSI variability, recent measurements by the SORCE satellite suggest a significantly stronger variability in the ultraviolet (UV) spectral range and changes in the visible and near-infrared (NIR) bands in anti-phase with the solar cycle. A number of recent chemistry-climate model (CCM) simulations have shown that this might have significant implications on the Earth's atmosphere. Motivated by these results, we summarize here our current knowledge of SSI variability and its impact on Earth's climate. We present a detailed overview of existing SSI measurements and provide thorough comparison of models available to date. SSI changes influence the Earth's atmosphere, both directly, through changes in shortwave (SW) heating and therefore, temperature and ozone distributions in the stratosphere, and indirectly, through dynamical feedbacks. We investigate these direct and indirect effects using several state-of-the art CCM simulations forced with measured and modeled SSI changes. A unique asset of this study is the use of a common comprehensive approach for an issue that is usually addressed separately by different communities. Omissis. Finally, we discuss the reliability of the available data and we propose additional coordinated work, first to build composite SSI datasets out of scattered observations and to refine current SSI models, and second, to run coordinated CCM experiments.

The brightness of the Sun varies on all timescales on which it has been observed, and there is increasing evidence that this has an influence on climate. The amplitudes of such variations depend on the wavelength and possibly the timescale. Although many aspects of this variability are well established, the exact magnitude of secular variations (going beyond a solar cycle) and the spectral dependence of variations are under discussion. The main drivers of solar variability are thought to be magnetic features at the solar surface. The climate response can be, on a global scale, largely accounted for by simple energetic considerations, but understanding the regional climate effects is more difficult. Promising mechanisms for such a driving have been identified, including through the influence of UV irradiance on the stratosphere and dynamical coupling to the surface. Here, we provide an overview of the current state of our knowledge, as well as of the main open questions.

Context.Total solar irradiance changes by about 0.1% between solar activity maximum and minimum. Accurate measurements of this quantity are only available since 1978 and do not provide information on longer-term secular trends.

Abstract. We update the forcings for the PMIP3 experiments for the Last Millennium to include new assessments of historical land use changes and discuss new suggestions for calibrating solar activity proxies to total solar irradiance.

Abstract. The pre-industrial millennium is among the periods selected by the Paleoclimate Model Intercomparison Project (PMIP) for experiments contributing to the sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) and the fourth phase of the PMIP (PMIP4). The past1000 transient simulations serve to investigate the response to (mainly) natural forcing under background conditions not too different from today, and to discriminate between forced and internally generated variability on interannual to centennial timescales. This paper describes the motivation and the experimental set-ups for the PMIP4-CMIP6 past1000 simulations, and discusses the forcing agents orbital, solar, volcanic, and land use/land cover changes, and variations in greenhouse gas concentrations. The past1000 simulations covering the pre-industrial millennium from 850 Common Era (CE) to 1849 CE have to be complemented by historical simulations (1850 to 2014 CE) following the CMIP6 protocol. The external forcings for the past1000 experiments have been adapted to provide a seamless transition across these time periods. Protocols for the past1000 simulations have been divided into three tiers. A default forcing data set has been defined for the Tier 1 (the CMIP6 past1000) experiment. However, the PMIP community has maintained the flexibility to conduct coordinated sensitivity experiments to explore uncertainty in forcing reconstructions as well as parameter uncertainty in dedicated Tier 2 simulations. Additional experiments (Tier 3) are defined to foster collaborative model experiments focusing on the early instrumental period and to extend the temporal range and the scope of the simulations. This paper outlines current and future research foci and common analyses for collaborative work between the PMIP and the observational communities (reconstructions, instrumental data).

Context. The utility of full solar disc magnetograms as a long-term record of the photospheric magnetic field requires an understanding of how stable these observations are with time and the systematic differences between the various instruments. Aims. We compared magnetograms from the KPVT/SPM, SoHO/MDI, SOLIS/VSM, and SDO/HMI with the aim of probing the effect on measured solar magnetism of the variation in instrument response with time, magnetogram signal level, and position on the solar disc. Methods. Taking near-simultaneous observations from the various instruments, we examined the surface coverage by magnetic activity and the effect of cross-calibrating the various instruments under different assumptions. Results. By comparing the surface coverage by magnetic activity in the observations from the various instruments, we traced the effect of the time variation in instrument response on the longitudinal magnetogram signal and disc-integrated unsigned magnetic flux. This yielded evidence of acute changes in the response of MDI and VSM with certain events such as the SoHO vacation in 1998 and the upgrade of the VSM CCD camera in 2009. Excluding these changes, the effect of instrument instability on the magnetogram signal and disc-integrated magnetic flux appears to be rather benign, with an associated uncertainty of less than 2%. We determined the magnetogram signal ratio between each instrument pairing as a function of magnetogram signal level and distance from disc centre and with it cross-calibrated the various instruments. We compared the result with that from repeating the cross-calibration with the overall magnetogram signal ratio. This allowed us to estimate the uncertainty in the magnetogram signal associated with the variation in instrument response with magnetogram signal level and distance from disc centre to be about 8%–14%. The corresponding uncertainty in the disc-integrated magnetic flux is about 7%–23%. Conclusions. To the best of our knowledge, this is the first study of its kind to quantify the uncertainty in measured magnetism from the variation in instrument response with time, magnetogram signal level, and disc position. The results here will be useful to the interpretation of SPM, MDI, VSM, and HMI magnetograms. As examples, we applied our findings to selected results from earlier studies based on such data.