This work documents the first version of the U.S. Department of Energy (DOE) new Energy Exascale Earth System Model (E3SMv1). We focus on the standard resolution of the fully coupled physical model designed to address DOE mission-relevant water cycle questions. Its components include atmosphere and land (110-km grid spacing), ocean and sea ice (60 km in the midlatitudes and 30 km at the equator and poles), and river transport (55 km) models. This base configuration will also serve as a foundation for additional configurations exploring higher horizontal resolution as well as augmented capabilities in the form of biogeochemistry and cryosphere configurations. The performance of E3SMv1 is evaluated by means of a standard set of Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) Diagnosis, Evaluation, and Characterization of Klima simulations consisting of a long preindustrial control, historical simulations (ensembles of fully coupled and prescribed SSTs) as well as idealized CO2 forcing simulations. The model performs well overall with biases typical of other CMIP-class models, although the simulated Atlantic Meridional Overturning Circulation is weaker than many CMIP-class models. While the E3SMv1 historical ensemble captures the bulk of the observed warming between preindustrial (1850) and present day, the trajectory of the warming diverges from observations in the second half of the twentieth century with a period of delayed warming followed by an excessive warming trend. Using a two-layer energy balance model, we attribute this divergence to the model's strong aerosol-related effective radiative forcing (ERFari+aci = −1.65 W/m2) and high equilibrium climate sensitivity (ECS = 5.3 K).

Abstract. Atmospheric carbonaceous aerosols play an important role in the climate system by influencing the Earth's radiation budgets and modifying the cloud properties. Despite the importance, their representations in large-scale atmospheric models are still crude, which can influence model simulated burden, lifetime, physical, chemical and optical properties, and the climate forcing of carbonaceous aerosols. In this study, we improve the current three-mode version of the Modal Aerosol Module (MAM3) in the Community Atmosphere Model version 5 (CAM5) by introducing an additional primary carbon mode to explicitly account for the microphysical ageing of primary carbonaceous aerosols in the atmosphere. Compared to MAM3, the four-mode version of MAM (MAM4) significantly increases the column burdens of primary particulate organic matter (POM) and black carbon (BC) by up to 40 % in many remote regions, where in-cloud scavenging plays an important role in determining the aerosol concentrations. Differences in the column burdens for other types of aerosol (e.g., sulfate, secondary organic aerosols, mineral dust, sea salt) are less than 1 %. Evaluating the MAM4 simulation against in situ surface and aircraft observations, we find that MAM4 significantly improves the simulation of seasonal variation of near-surface BC concentrations in the polar regions, by increasing the BC concentrations in all seasons and particularly in cold seasons. However, it exacerbates the overestimation of modeled BC concentrations in the upper troposphere in the Pacific regions. The comparisons suggest that, to address the remaining model POM and BC biases, future improvements are required related to (1) in-cloud scavenging and vertical transport in convective clouds and (2) emissions of anthropogenic and biomass burning aerosols.

Abstract The Energy Exascale Earth System Model Atmosphere Model version 1, the atmospheric component of the Department of Energy's Energy Exascale Earth System Model is described. The model began as a fork of the well‐known Community Atmosphere Model, but it has evolved in new ways, and coding, performance, resolution, physical processes (primarily cloud and aerosols formulations), testing and development procedures now differ significantly. Vertical resolution was increased (from 30 to 72 layers), and the model top extended to 60 km (~0.1 hPa). A simple ozone photochemistry predicts stratospheric ozone, and the model now supports increased and more realistic variability in the upper troposphere and stratosphere. An optional improved treatment of light‐absorbing particle deposition to snowpack and ice is available, and stronger connections with Earth system biogeochemistry can be used for some science problems. Satellite and ground‐based cloud and aerosol simulators were implemented to facilitate evaluation of clouds, aerosols, and aerosol‐cloud interactions. Higher horizontal and vertical resolution, increased complexity, and more predicted and transported variables have increased the model computational cost and changed the simulations considerably. These changes required development of alternate strategies for tuning and evaluation as it was not feasible to “brute force” tune the high‐resolution configurations, so short‐term hindcasts, perturbed parameter ensemble simulations, and regionally refined simulations provided guidance on tuning and parameterization sensitivity to higher resolution. A brief overview of the model and model climate is provided. Model fidelity has generally improved compared to its predecessors and the CMIP5 generation of climate models.

Abstract This study provides an overview of the coupled high‐resolution Version 1 of the Energy Exascale Earth System Model (E3SMv1) and documents the characteristics of a 50‐year‐long high‐resolution control simulation with time‐invariant 1950 forcings following the HighResMIP protocol. In terms of global root‐mean‐squared error metrics, this high‐resolution simulation is generally superior to results from the low‐resolution configuration of E3SMv1 (due to resolution, tuning changes, and possibly initialization procedure) and compares favorably to models in the CMIP5 ensemble. Ocean and sea ice simulation is particularly improved, due to better resolution of bathymetry, the ability to capture more variability and extremes in winds and currents, and the ability to resolve mesoscale ocean eddies. The largest improvement in this regard is an ice‐free Labrador Sea, which is a major problem at low resolution. Interestingly, several features found to improve with resolution in previous studies are insensitive to resolution or even degrade in E3SMv1. Most notable in this regard are warm bias and associated stratocumulus deficiency in eastern subtropical oceans and lack of improvement in El Niño. Another major finding of this study is that resolution increase had negligible impact on climate sensitivity (measured by net feedback determined through uniform +4K prescribed sea surface temperature increase) and aerosol sensitivity. Cloud response to resolution increase consisted of very minor decrease at all levels. Large‐scale patterns of precipitation bias were also relatively unaffected by grid spacing.

Abstract. Many global aerosol and climate models, including the widely used Community Atmosphere Model version 5 (CAM5), have large biases in predicting aerosols in remote regions such as the upper troposphere and high latitudes. In this study, we conduct CAM5 sensitivity simulations to understand the role of key processes associated with aerosol transformation and wet removal affecting the vertical and horizontal long-range transport of aerosols to the remote regions. Improvements are made to processes that are currently not well represented in CAM5, which are guided by surface and aircraft measurements together with results from a multi-scale aerosol–climate model that explicitly represents convection and aerosol–cloud interactions at cloud-resolving scales. We pay particular attention to black carbon (BC) due to its importance in the Earth system and the availability of measurements. We introduce into CAM5 a new unified scheme for convective transport and aerosol wet removal with explicit aerosol activation above convective cloud base. This new implementation reduces the excessive BC aloft to better simulate observed BC profiles that show decreasing mixing ratios in the mid- to upper-troposphere. After implementing this new unified convective scheme, we examine wet removal of submicron aerosols that occurs primarily through cloud processes. The wet removal depends strongly on the subgrid-scale liquid cloud fraction and the rate of conversion of liquid water to precipitation. These processes lead to very strong wet removal of BC and other aerosols over mid- to high latitudes during winter months. With our improvements, the Arctic BC burden has a 10-fold (5-fold) increase in the winter (summer) months, resulting in a much-better simulation of the BC seasonal cycle as well. Arctic sulphate and other aerosol species also increase but to a lesser extent. An explicit treatment of BC aging with slower aging assumptions produces an additional 30-fold (5-fold) increase in the Arctic winter (summer) BC burden. This BC aging treatment, however, has minimal effect on other underpredicted species. Interestingly, our modifications to CAM5 that aim at improving prediction of high-latitude and upper-tropospheric aerosols also produce much-better aerosol optical depth (AOD) over various other regions globally when compared to multi-year AERONET retrievals. The improved aerosol distributions have impacts on other aspects of CAM5, improving the simulation of global mean liquid water path and cloud forcing.

Abstract The new Energy Exascale Earth System Model Version 1 (E3SMv1) developed for the U.S. Department of Energy has significant new treatments of aerosols and light‐absorbing snow impurities as well as their interactions with clouds and radiation. This study describes seven sets of new aerosol‐related treatments (involving emissions, new particle formation, aerosol transport, wet scavenging and resuspension, and snow radiative transfer) and examines how they affect global aerosols and radiative forcing in E3SMv1. Altogether, they give a reduced total aerosol radiative forcing (−1.6 W/m 2 ) and sensitivity in cloud liquid water to aerosols, but an increased sensitivity in cloud droplet size to aerosols. A new approach for H 2 SO 4 production and loss largely reduces a low bias in small particles concentrations and leads to substantial increases in cloud condensation nuclei concentrations and cloud radiative cooling. Emitting secondary organic aerosol precursor gases from elevated sources increases the column burden of secondary organic aerosol, contributing substantially to global clear‐sky aerosol radiative cooling (−0.15 out of −0.5 W/m 2 ). A new treatment of aerosol resuspension from evaporating precipitation, developed to remedy two shortcomings of the original treatment, produces a modest reduction in aerosols and cloud droplets; its impact depends strongly on the model physics and is much stronger in E3SM Version 0. New treatments of the mixing state and optical properties of snow impurities and snow grains introduce a positive present‐day shortwave radiative forcing (0.26 W/m 2 ), but changes in aerosol transport and wet removal processes also affect the concentration and radiative forcing of light‐absorbing impurities in snow/ice.

A large number of processes are involved in the chain from emissions of aerosol precursor gases and primary particles to impacts on cloud radiative forcing. Those processes are manifest in a number of relationships that can be expressed as factors dlnX/dlnY driving aerosol effects on cloud radiative forcing. These factors include the relationships between cloud condensation nuclei (CCN) concentration and emissions, droplet number and CCN concentration, cloud fraction and droplet number, cloud optical depth and droplet number, and cloud radiative forcing and cloud optical depth. The relationship between cloud optical depth and droplet number can be further decomposed into the sum of two terms involving the relationship of droplet effective radius and cloud liquid water path with droplet number. These relationships can be constrained using observations of recent spatial and temporal variability of these quantities. However, we are most interested in the radiative forcing since the preindustrial era. Because few relevant measurements are available from that era, relationships from recent variability have been assumed to be applicable to the preindustrial to present-day change. Our analysis of Aerosol Comparisons between Observations and Models (AeroCom) model simulations suggests that estimates of relationships from recent variability are poor constraints on relationships from anthropogenic change for some terms, with even the sign of some relationships differing in many regions. Proxies connecting recent spatial/temporal variability to anthropogenic change, or sustained measurements in regions where emissions have changed, are needed to constrain estimates of anthropogenic aerosol impacts on cloud radiative forcing.