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Climate Dynamics

, Volume 40, Issue 9, pp 2123-2165

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Climate change projections using the IPSL-CM5 Earth System Model: from CMIP3 to CMIP5

  • J.-L. DufresneAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC) Email author 
  • , M.-A. FoujolsAffiliated withInstitut Pierre Simon Laplace (IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Denis Diderot, Université Paris-Est Créteil
  • , S. DenvilAffiliated withInstitut Pierre Simon Laplace (IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Denis Diderot, Université Paris-Est Créteil
  • , A. CaubelAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
  • , O. MartiAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
  • , O. AumontAffiliated withLaboratoire de Physique des Océans (LPO), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer (Ifremer), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Université de Bretagne Occidentale (UBO)
  • , Y. BalkanskiAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
  • , S. BekkiAffiliated withLaboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
  • , H. BellengerAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , R. BenshilaAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , S. BonyAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , L. BoppAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , P. BraconnotAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , P. BrockmannAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , P. CaduleAffiliated withInstitut Pierre Simon Laplace (IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Denis Diderot, Université Paris-Est Créteil
    • , F. CheruyAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , F. CodronAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , A. CozicAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , D. CugnetAffiliated withLaboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , N. de NobletAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , J.-P. DuvelAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , C. EthéAffiliated withInstitut Pierre Simon Laplace (IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Denis Diderot, Université Paris-Est Créteil
    • , L. FairheadAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , T. FichefetAffiliated withGeorges Lemaître Centre for Earth and Climate Research, Earth and Life Institute, Université Catholique de Louvain
    • , S. FlavoniAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , P. FriedlingsteinAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)College of Engineering, Mathematics and Physical Sciences, University of Exeter
    • , J.-Y. GrandpeixAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , L. GuezAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , E. GuilyardiAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , D. HauglustaineAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , F. HourdinAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , A. IdelkadiAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , J. GhattasAffiliated withInstitut Pierre Simon Laplace (IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Denis Diderot, Université Paris-Est Créteil
    • , S. JoussaumeAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , M. KageyamaAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , G. KrinnerAffiliated withLaboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement (LGGE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Joseph Fourier (UJF)
    • , S. LabetoulleAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , A. LahellecAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , M.-P. LefebvreAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , F. LefevreAffiliated withLaboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , C. LevyAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , Z. X. LiAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , J. LloydAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , F. LottAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , G. MadecAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , M. MancipAffiliated withInstitut Pierre Simon Laplace (IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Denis Diderot, Université Paris-Est Créteil
    • , M. MarchandAffiliated withLaboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , S. MassonAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , Y. MeurdesoifAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , J. MignotAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , I. MusatAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , S. ParoutyAffiliated withLaboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement (LGGE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Joseph Fourier (UJF)
    • , J. PolcherAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , C. RioAffiliated withLaboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Ecole Normale Supérieure (ENS), Ecole Polytechnique (EP), Université Pierre et Marie Curie (UPMC)
    • , M. SchulzAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , D. SwingedouwAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , S. SzopaAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , C. TalandierAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)Laboratoire de Physique des Océans (LPO), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer (Ifremer), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Université de Bretagne Occidentale (UBO)
    • , P. TerrayAffiliated withLaboratoire d’Océanographie et du Climat: Expérimentation et Approches Numériques (LOCEAN/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Museum National d’Histoire Naturelle (MNHM)
    • , N. ViovyAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)
    • , N. VuichardAffiliated withLaboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Université de Versailles Saint-Quentin (UVSQ)

Abstract

We present the global general circulation model IPSL-CM5 developed to study the long-term response of the climate system to natural and anthropogenic forcings as part of the 5th Phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5). This model includes an interactive carbon cycle, a representation of tropospheric and stratospheric chemistry, and a comprehensive representation of aerosols. As it represents the principal dynamical, physical, and bio-geochemical processes relevant to the climate system, it may be referred to as an Earth System Model. However, the IPSL-CM5 model may be used in a multitude of configurations associated with different boundary conditions and with a range of complexities in terms of processes and interactions. This paper presents an overview of the different model components and explains how they were coupled and used to simulate historical climate changes over the past 150 years and different scenarios of future climate change. A single version of the IPSL-CM5 model (IPSL-CM5A-LR) was used to provide climate projections associated with different socio-economic scenarios, including the different Representative Concentration Pathways considered by CMIP5 and several scenarios from the Special Report on Emission Scenarios considered by CMIP3. Results suggest that the magnitude of global warming projections primarily depends on the socio-economic scenario considered, that there is potential for an aggressive mitigation policy to limit global warming to about two degrees, and that the behavior of some components of the climate system such as the Arctic sea ice and the Atlantic Meridional Overturning Circulation may change drastically by the end of the twenty-first century in the case of a no climate policy scenario. Although the magnitude of regional temperature and precipitation changes depends fairly linearly on the magnitude of the projected global warming (and thus on the scenario considered), the geographical pattern of these changes is strikingly similar for the different scenarios. The representation of atmospheric physical processes in the model is shown to strongly influence the simulated climate variability and both the magnitude and pattern of the projected climate changes.

Keywords

Climate Climate change Climate projections Earth System Model CMIP5 CMIP3 Greenhouse gases Aerosols Carbon cycle Allowable emissions RCP scenarios Land use changes