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.

Abstract Reactive nitrogen emissions into the atmosphere are increasing as a result of human activities, affecting nitrogen deposition to the surface and impacting the productivity of terrestrial and marine ecosystems. An atmospheric chemistry–transport model [Tracer Model 4 of the Environmental Chemical Processes Laboratory (TM4-ECPL)] is here used to calculate the global distribution of total nitrogen deposition, accounting for the first time for both its inorganic and organic fractions in gaseous and particulate phases and past and projected changes due to anthropogenic activities. The anthropogenic and biomass-burning Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project (ACCMIP) historical and RCP6.0 and RCP8.5 emissions scenarios are used. Accounting for organic nitrogen (ON) primary emissions, the present-day global nitrogen atmospheric source is about 60% anthropogenic, while total N deposition increases by about 20% relative to simulations without ON primary emissions. About 20%–25% of total deposited N is ON. About 10% of the emitted nitrogen oxides are deposited as ON instead of inorganic nitrogen (IN), as is considered in most global models. Almost a threefold increase over land (twofold over the ocean) has been calculated for soluble N deposition due to human activities from 1850 to present. The investigated projections indicate significant changes in the regional distribution of N deposition and chemical composition, with reduced compounds gaining importance relative to oxidized ones, but very small changes in the global total flux. Sensitivity simulations quantify uncertainties due to the investigated model parameterizations of IN partitioning onto aerosols and of N chemically fixed on organics to be within 10% for the total soluble N deposition and between 25% and 35% for the dissolved ON deposition. Larger uncertainties are associated with N emissions.

Abstract. We introduce and evaluate aerosol simulations with the global aerosol–climate model ECHAM6.3–HAM2.3, which is the aerosol component of the fully coupled aerosol–chemistry–climate model ECHAM–HAMMOZ. Both the host atmospheric climate model ECHAM6.3 and the aerosol model HAM2.3 were updated from previous versions. The updated version of the HAM aerosol model contains improved parameterizations of aerosol processes such as cloud activation, as well as updated emission fields for anthropogenic aerosol species and modifications in the online computation of sea salt and mineral dust aerosol emissions. Aerosol results from nudged and free-running simulations for the 10-year period 2003 to 2012 are compared to various measurements of aerosol properties. While there are regional deviations between the model and observations, the model performs well overall in terms of aerosol optical thickness, but may underestimate coarse-mode aerosol concentrations to some extent so that the modeled particles are smaller than indicated by the observations. Sulfate aerosol measurements in the US and Europe are reproduced well by the model, while carbonaceous aerosol species are biased low. Both mineral dust and sea salt aerosol concentrations are improved compared to previous versions of ECHAM–HAM. The evaluation of the simulated aerosol distributions serves as a basis for the suitability of the model for simulating aerosol–climate interactions in a changing climate.