This paper describes the Stratospheric Aerosol Geoengineering Large Ensemble (GLENS) project, which promotes the use of a unique model dataset, performed with the Community Earth System Model, with the Whole Atmosphere Community Climate Model as its atmospheric component [CESM1(WACCM)], to investigate global and regional impacts of geoengineering. The performed simulations were designed to achieve multiple simultaneous climate goals, by strategically placing sulfur injections at four different locations in the stratosphere, unlike many earlier studies that targeted globally averaged surface temperature by placing injections in regions at or around the equator. This advanced approach reduces some of the previously found adverse effects of stratospheric aerosol geoengineering, including uneven cooling between the poles and the equator and shifts in tropical precipitation. The 20-member ensemble increases the ability to distinguish between forced changes and changes due to climate variability in global and regional climate variables in the coupled atmosphere, land, sea ice, and ocean system. We invite the broader community to perform in-depth analyses of climate-related impacts and to identify processes that lead to changes in the climate system as the result of a strategic application of stratospheric aerosol geoengineering.

We describe the first simulations of stratospheric sulfate aerosol geoengineering using multiple injection locations to meet multiple simultaneous surface temperature objectives. Simulations were performed using CESM1(WACCM), a coupled atmosphere-ocean general circulation model with fully interactive stratospheric chemistry, dynamics (including an internally generated quasi-biennial oscillation), and a sophisticated treatment of sulfate aerosol formation, microphysical growth, and deposition. The objectives are defined as maintaining three temperature features at their 2020 levels against a background of the RCP8.5 scenario over the period 2020–2099. These objectives are met using a feedback mechanism in which the rate of sulfur dioxide injection at each of the four locations is adjusted independently every year of simulation. Even in the presence of uncertainties, nonlinearities, and variability, the objectives are met, predominantly by SO2 injection at 30°N and 30°S. By the last year of simulation, the feedback algorithm calls for a total injection rate of 51 Tg SO2 per year. The injections are not in the tropics, which results in a greater degree of linearity of the surface climate response with injection amount than has been found in many previous studies using injection at the equator. Because the objectives are defined in terms of annual mean temperature, the required geongineering results in "overcooling" during summer and "undercooling" during winter. The hydrological cycle is also suppressed as compared to the reference values corresponding to the year 2020. The demonstration we describe in this study is an important step toward understanding what geoengineering can do and what it cannot do.

Abstract We present new insights into the evolution and interactions of stratospheric aerosol using an updated version of the Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM). Improved horizontal resolution, dynamics, and chemistry now produce an internally generated quasi‐biennial oscillation and significant improvements to stratospheric temperatures and ozone compared to observations. We present a validation of WACCM column ozone and climate calculations against observations. The prognostic treatment of stratospheric sulfate aerosols accurately represents the evolution of stratospheric aerosol optical depth and perturbations to solar and longwave radiation following the June 1991 eruption of Mount Pinatubo. We confirm the inclusion of interactive OH chemistry as an important factor in the formation and initial distribution of aerosol following large inputs of sulfur dioxide (SO 2 ) to the stratosphere. We calculate that depletion of OH levels within the dense SO 2 cloud in the first weeks following the Pinatubo eruption significantly prolonged the average initial e ‐folding decay time for SO 2 oxidation to 47 days. Previous observational and model studies showing a 30 day decay time have not accounted for the large (30–55%) losses of SO 2 on ash and ice within 7–9 days posteruption and have not correctly accounted for OH depletion. We examine the variability of aerosol evolution in free‐running climate simulations due to meteorology, with comparison to simulations nudged with specified dynamics. We assess calculated impacts of volcanic aerosols on ozone loss with comparisons to observations. The completeness of the chemistry, dynamics, and aerosol microphysics in WACCM qualify it for studies of stratospheric sulfate aerosol geoengineering.

Abstract Geoengineering methods could potentially offset aspects of greenhouse gas‐driven climate change. However, before embarking on any such strategy, a comprehensive understanding of its impacts must be obtained. Here, a 20‐member ensemble of simulations with the Community Earth System Model with the Whole Atmosphere Community Climate Model as its atmospheric component is used to investigate the projected hydroclimate changes that occur when greenhouse gas‐driven warming, under a high emissions scenario, is offset with stratospheric aerosol geoengineering. Notable features of the late 21st century hydroclimate response, relative to present day, include a reduction in precipitation in the Indian summer monsoon, over much of Africa, Amazonia and southern Chile and a wintertime precipitation reduction over the Mediterranean. Over most of these regions, the soil desiccation that occurs with global warming is, however, largely offset by the geoengineering. A notable exception is India, where soil desiccation and an approximate doubling of the likelihood of monsoon failures occurs. The role of stratospheric heating in the simulated hydroclimate change is determined through additional experiments where the aerosol‐induced stratospheric heating is imposed as a temperature tendency, within the same model, under present day conditions. Stratospheric heating is found to play a key role in many aspects of projected hydroclimate change, resulting in a general wet‐get‐drier, dry‐get‐wetter pattern in the tropics and extratropical precipitation changes through midlatitude circulation shifts. While a rather extreme geoengineering scenario has been considered, many, but not all, of the precipitation features scale linearly with the offset global warming.

Abstract Stratospheric aerosol injection (SAI) would involve the addition of sulfate aerosols in the stratosphere to reflect part of the incoming solar radiation, thereby cooling the climate. Studies trying to explore the impacts of SAI have often focused on idealized scenarios without explicitly introducing what we call ‘inconsistencies’ in a deployment. A concern often discussed is what would happen to the climate system after an abrupt termination of its deployment, whether inadvertent or deliberate. However, there is a much wider range of plausible inconsistencies in deployment than termination that should be evaluated to better understand associated risks. In this work, we simulate a few representative inconsistencies in a pre-existing SAI scenario: an abrupt termination, a decade-long gradual phase-out, and 1 year and 2 year temporary interruptions of deployment. After examining their climate impacts, we use these simulations to train an emulator, and use this to project global mean temperature response for a broader set of inconsistencies in deployment. Our work highlights the capacity of a finite set of explicitly simulated scenarios that include inconsistencies to inform an emulator that is capable of expanding the space of scenarios that one might want to explore far more quickly and efficiently.

Abstract Climate change is a prevalent threat, and it is unlikely that current mitigation efforts will be enough to avoid unwanted impacts. One potential option to reduce climate change impacts is the use of stratospheric aerosol injection (SAI). Even if SAI is ultimately deployed, it might be initiated only after some temperature target is exceeded. The consequences of such a delay are assessed herein. This study compares two cases, with the same target global mean temperature of ∼1.5° C above preindustrial, but start dates of 2035 or a ‘delayed’ start in 2045. We make use of simulations in the Community Earth System Model version 2 with the Whole Atmosphere Coupled Chemistry Model version 6 (CESM2-WACCM6), using SAI under the SSP2-4.5 emissions pathway. We find that delaying the start of deployment (relative to the target temperature) necessitates lower net radiative forcing (−30%) and thus larger sulfur dioxide injection rates (+20%), even after surface temperatures converge, to compensate for the extra energy absorbed by the Earth system. Southern hemisphere ozone is higher from 2035 to 2050 in the delayed start scenario, but converges to the same value later in the century. However, many of the surface climate differences between the 2035 and 2045 start simulations appear to be small during the 10–25 years following the delayed SAI start, although longer simulations would be needed to assess any longer-term impacts in this model. In addition, irreversibilities and tipping points that might be triggered during the period of increased warming may not be adequately represented in the model but could change this conclusion in the real world.

Abstract We analyze the global carbon cycle response to a set of stratospheric aerosol injection (SAI) simulations performed by the CESM2(WACCM6‐MA) model. The simulations are performed under the specified SSP2‐4.5 CO 2 concentration pathway. It is found that both the temperature stabilization target and the SO 2 injection strategy have important effects on the global carbon sink. Relative to the SSP2‐4.5 scenario, averaged over the last 20 years of our simulations (year 2050–2069), simultaneous multi‐location SO 2 injection causes an increase in cumulative land carbon uptake of 45 and 23 PgC, and an increase in cumulative ocean carbon uptake of 6 and 2 PgC for temperature stabilization targets of 0.5°C and 1.5°C respectively. For a temperature stabilization target of 1.0°C, SO 2 injections increase land and ocean carbon sinks by 22–42 PgC and 4–7 PgC, respectively, depending on the strategies of SO 2 injections (low latitude, mid‐to‐high latitude, and multi‐objective injection). Relative to SSP2‐4.5, by year 2069, SAI increases diagnosed cumulative CO 2 emissions by 25–53 PgC (3%–6%), implying a decrease in atmospheric CO 2 if SO 2 injections were performed under a prescribed CO 2 emission pathway. Stratospheric SO 2 injections slow permafrost thaw, but do not restore permafrost to the previous extent at the same warming level for all injection strategies. An abrupt termination of SO 2 injection weakens both the ocean and land carbon sink, and causes a rapid decline of permafrost extent. A gradual phaseout of SO 2 injection slows sharp decline of permafrost and delays the rebound of carbon sink.

Abstract Previous modeling studies indicate that even though marine cloud brightening under a susceptibility‐based strategy is effective in reducing the global average surface temperature, it triggers a La Niña‐like sea‐surface temperature response with cooling mostly confined within lower latitudes. Here we explore a different cloud seeding strategy involving seeding of regions with low susceptibility, primarily over the ocean in midlatitudes during the winter. Simulations with the Community Earth System Model, version 2 reveal that because the regional forcing is weaker and more widespread, cooling is more evenly distributed over the globe. This new strategy also does not result in the La Niña‐like state seen in the other strategies.

Abstract Stratospheric aerosol injection (SAI) has been proposed as a potential supplement to mitigate some climate impacts of anthropogenic warming. Using Community Earth System Model ensemble simulation results, we analyze the response of temperature and precipitation extremes to two different SAI strategies: one injects SO 2 at the equator to stabilize global mean temperature and the other injects SO 2 at multiple locations to stabilize global mean temperature as well as the interhemispheric and equator‐to‐pole temperature gradients. Our analysis shows that in the late 21st century, compared with the present‐day climate, both equatorial and multi‐location injection lead to reduced hot extremes in the tropics, corresponding to overcooling of the mean climate state. In mid‐to‐high latitude regions, in comparison to the present‐day climate, substantial decreases in cold extremes are observed under both equatorial and multi‐location injection, corresponding to residual winter warming of the mean climate state. Both equatorial and multi‐location injection reduce precipitation extremes in the tropics below the present‐day level, associated with the decrease in mean precipitation. Overall, for most regions, temperature and precipitation extremes show reduced change in response to multi‐location injection than to equatorial injection, corresponding to reduced mean climate change for multi‐location injection. In comparison with equatorial injection, in response to multi‐location injection, most land regions experience fewer years with significant change in cold extremes from the present‐day level, and most tropical regions experience fewer years with significant change in hot extremes. The design of SAI strategies to mitigate anthropogenic climate extremes merits further study.