A modal aerosol module (MAM) has been developed for the Community Atmosphere Model version 5 (CAM5), the atmospheric component of the Community Earth System Model version 1 (CESM1). MAM is capable of simulating the aerosol size distribution and both internal and external mixing between aerosol components, treating numerous complicated aerosol processes and aerosol physical, chemical and optical properties in a physically-based manner. Two MAM versions were developed: a more complete version with seven lognormal modes (MAM7), and a version with three lognormal modes (MAM3) for the purpose of long-term (decades to centuries) simulations. In this paper a description and evaluation of the aerosol module and its two representations are provided. Sensitivity of the aerosol lifecycle to simplifications in the representation of aerosol is discussed. Simulated sulfate and secondary organic aerosol (SOA) mass concentrations are remarkably similar between MAM3 and MAM7. Differences in primary organic matter (POM) and black carbon (BC) concentrations between MAM3 and MAM7 are also small (mostly within 10%). The mineral dust global burden differs by 10% and sea salt burden by 30–40% between MAM3 and MAM7, mainly due to the different size ranges for dust and sea salt modes and different standard deviations of the log-normal size distribution for sea salt modes between MAM3 and MAM7. The model is able to qualitatively capture the observed geographical and temporal variations of aerosol mass and number concentrations, size distributions, and aerosol optical properties. However, there are noticeable biases; e.g., simulated BC concentrations are significantly lower than measurements in the Arctic. There is a low bias in modeled aerosol optical depth on the global scale, especially in the developing countries. These biases in aerosol simulations clearly indicate the need for improvements of aerosol processes (e.g., emission fluxes of anthropogenic aerosols and precursor gases in developing countries, boundary layer nucleation) and properties (e.g., primary aerosol emission size, POM hygroscopicity). In addition, the critical role of cloud properties (e.g., liquid water content, cloud fraction) responsible for the wet scavenging of aerosol is highlighted.

Abstract. We discuss and evaluate the representation of atmospheric chemistry in the global Community Atmosphere Model (CAM) version 4, the atmospheric component of the Community Earth System Model (CESM). We present a variety of configurations for the representation of tropospheric and stratospheric chemistry, wet removal, and online and offline meteorology. Results from simulations illustrating these configurations are compared with surface, aircraft and satellite observations. Major biases include a negative bias in the high-latitude CO distribution, a positive bias in upper-tropospheric/lower-stratospheric ozone, and a positive bias in summertime surface ozone (over the United States and Europe). The tropospheric net chemical ozone production varies significantly between configurations, partly related to variations in stratosphere-troposphere exchange. Aerosol optical depth tends to be underestimated over most regions, while comparison with aerosol surface measurements over the United States indicate reasonable results for sulfate , especially in the online simulation. Other aerosol species exhibit significant biases. Overall, the model-data comparison indicates that the offline simulation driven by GEOS5 meteorological analyses provides the best simulation, possibly due in part to the increased vertical resolution (52 levels instead of 26 for online dynamics). The CAM-chem code as described in this paper, along with all the necessary datasets needed to perform the simulations described here, are available for download at www.cesm.ucar.edu.

Abstract The Whole Atmosphere Community Climate Model version 6 (WACCM6) is a major update of the whole atmosphere modeling capability in the Community Earth System Model (CESM), featuring enhanced physical, chemical and aerosol parameterizations. This work describes WACCM6 and some of the important features of the model. WACCM6 can reproduce many modes of variability and trends in the middle atmosphere, including the quasi‐biennial oscillation, stratospheric sudden warmings, and the evolution of Southern Hemisphere springtime ozone depletion over the twentieth century. WACCM6 can also reproduce the climate and temperature trends of the 20th century throughout the atmospheric column. The representation of the climate has improved in WACCM6, relative to WACCM4. In addition, there are improvements in high‐latitude climate variability at the surface and sea ice extent in WACCM6 over the lower top version of the model (CAM6) that comes from the extended vertical domain and expanded aerosol chemistry in WACCM6, highlighting the importance of the stratosphere and tropospheric chemistry for high‐latitude climate variability.

In this paper, we discuss the results of 2000–2100 simulations following the emissions associated with the Representative Concentration Pathways (RCPs) with a chemistry-climate model, focusing on the changes in 1) atmospheric composition (troposphere and stratosphere) and 2) associated environmental parameters (such as nitrogen deposition). In particular, we find that tropospheric ozone is projected to decrease (RCP2.6, RCP4.5 and RCP6) or increase (RCP8.5) between 2000 and 2100, with variations in methane a strong contributor to this spread. The associated tropospheric ozone global radiative forcing is shown to be in agreement with the estimate used in the RCPs, except for RCP8.5. Surface ozone in 2100 is projected to change little compared from its 2000 distribution, a much-reduced impact from previous projections based on the A2 high-emission scenario. In addition, globally-averaged stratospheric ozone is projected to recover at or beyond pre-1980 levels. Anthropogenic aerosols are projected to strongly decrease in the 21st century, a reflection of their projected decrease in emissions. Consequently, sulfate deposition is projected to strongly decrease. However, nitrogen deposition is projected to increase over certain regions because of the projected increase in NH3 emissions.

The sensitivity of secondary organic aerosol (SOA) concentration to changes in climate and emissions is investigated using a coupled global atmosphere‐land model driven by the year 2100 IPCC A1B scenario predictions. The Community Atmosphere Model (CAM3) is updated with recent laboratory determined yields for SOA formation from monoterpene oxidation, isoprene photooxidation and aromatic photooxidation. Biogenic emissions of isoprene and monoterpenes are simulated interactively using the Model of Emissions of Gases and Aerosols (MEGAN2) within the Community Land Model (CLM3). The global mean SOA burden is predicted to increase by 36% in 2100, primarily the result of rising biogenic and anthropogenic emissions which independently increase the burden by 26% and 7%. The later includes enhanced biogenic SOA formation due to increased emissions of primary organic aerosol (5–25% increases in surface SOA concentrations in 2100). Climate change alone (via temperature, removal rates, and oxidative capacity) does not change the global mean SOA production, but the global burden increases by 6%. The global burden of anthropogenic SOA experiences proportionally more growth than biogenic SOA in 2100 from the net effect of climate and emissions (67% increase predicted). Projected anthropogenic land use change for 2100 (A2) is predicted to reduce the global SOA burden by 14%, largely the result of cropland expansion. South America is the largest global source region for SOA in the present day and 2100, but Asia experiences the largest relative growth in SOA production by 2100 because of the large predicted increases in Asian anthropogenic aromatic emissions. The projected decrease in global sulfur emissions implies that SOA will contribute a progressively larger fraction of the global aerosol burden.

Abstract Key developments have been made to the NCAR Whole Atmosphere Community Climate Model with thermosphere and ionosphere extension (WACCM‐X). Among them, the most important are the self‐consistent solution of global electrodynamics, and transport of O + in the F‐region. Other ionosphere developments include time‐dependent solution of electron/ion temperatures, metastable O + chemistry, and high‐cadence solar EUV capability. Additional developments of the thermospheric components are improvements to the momentum and energy equation solvers to account for variable mean molecular mass and specific heat, a new divergence damping scheme, and cooling by O( 3 P) fine structure. Simulations using this new version of WACCM‐X (2.0) have been carried out for solar maximum and minimum conditions. Thermospheric composition, density, and temperatures are in general agreement with measurements and empirical models, including the equatorial mass density anomaly and the midnight density maximum. The amplitudes and seasonal variations of atmospheric tides in the mesosphere and lower thermosphere are in good agreement with observations. Although global mean thermospheric densities are comparable with observations of the annual variation, they lack a clear semiannual variation. In the ionosphere, the low‐latitude E × B drifts agree well with observations in their magnitudes, local time dependence, seasonal, and solar activity variations. The prereversal enhancement in the equatorial region, which is associated with ionospheric irregularities, displays patterns of longitudinal and seasonal variation that are similar to observations. Ionospheric density from the model simulations reproduces the equatorial ionosphere anomaly structures and is in general agreement with observations. The model simulations also capture important ionospheric features during storms.

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 The Community Earth System Model version 2 (CESM2) includes three main atmospheric configurations: the Community Atmosphere Model version 6 (CAM6) with simplified chemistry and a simplified organic aerosol (OA) scheme, CAM6 with comprehensive tropospheric and stratospheric chemistry representation (CAM6‐chem), and the Whole Atmosphere Community Climate Model version 6 (WACCM6). Both, CAM6‐chem and WACCM6 include a more comprehensive secondary organic aerosols (SOA) approach using the Volatility Basis Set (VBS) scheme and prognostic stratospheric aerosols. This paper describes the different OA schemes available in the different atmospheric configurations of CESM2 and discusses differences in aerosol burden and resulting climate forcings. Derived OA burden and trends differ due to differences in OA formation using the different approaches. Regional differences in Aerosol Optical Depth with larger values using the comprehensive approach occur over SOA source regions. Stronger increasing SOA trends between 1960 and 2015 in WACCM6 compared to CAM6 are due to increasing biogenic emissions aligned with increasing surface temperatures. Using the comprehensive SOA approach further leads to improved comparisons to aircraft observations and SOA formation of ≈143 Tg/yr. We further use WACCM6 to identify source contributions of OA from biogenic, fossil fuel, and biomass burning emissions, to quantify SOA amounts and trends from these sources. Increasing SOA trends between 1960 and 2015 are the result of increasing biogenic emissions aligned with increasing surface temperatures. Biogenic emissions are at least two thirds of the total SOA burden. In addition, SOA source contributions from fossil fuel emissions become more important, with largest values over Southeast Asia. The estimated total anthropogenic forcing of OA in WACCM6 for 1995–2010 conditions is −0.43 W/m 2 , mostly from the aerosol direct effect.

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. The Community Atmosphere Model (CAM), version 5, is now coupled to extensive tropospheric and stratospheric chemistry, called CAM5-chem, and is available in addition to CAM4-chem in the Community Earth System Model (CESM) version 1.2. The main focus of this paper is to compare the performance of configurations with internally derived "free running" (FR) meteorology and "specified dynamics" (SD) against observations from surface, aircraft, and satellite, as well as understand the origin of the identified differences. We focus on the representation of aerosols and chemistry. All model configurations reproduce tropospheric ozone for most regions based on in situ and satellite observations. However, shortcomings exist in the representation of ozone precursors and aerosols. Tropospheric ozone in all model configurations agrees for the most part with ozonesondes and satellite observations in the tropics and the Northern Hemisphere within the variability of the observations. Southern hemispheric tropospheric ozone is consistently underestimated by up to 25%. Differences in convection and stratosphere to troposphere exchange processes are mostly responsible for differences in ozone in the different model configurations. Carbon monoxide (CO) and other volatile organic compounds are largely underestimated in Northern Hemisphere mid-latitudes based on satellite and aircraft observations. Nitrogen oxides (NOx) are biased low in the free tropical troposphere, whereas peroxyacetyl nitrate (PAN) is overestimated in particular in high northern latitudes. The present-day methane lifetime estimates are compared among the different model configurations. These range between 7.8 years in the SD configuration of CAM5-chem and 8.8 years in the FR configuration of CAM4-chem and are therefore underestimated compared to observational estimations. We find that differences in tropospheric aerosol surface area between CAM4 and CAM5 play an important role in controlling the burden of the tropical tropospheric hydroxyl radical (OH), which causes differences in tropical methane lifetime of about half a year between CAM4-chem and CAM5-chem. In addition, different distributions of NOx from lightning explain about half of the difference between SD and FR model versions in both CAM4-chem and CAM5-chem. Remaining differences in the tropical OH burden are due to enhanced tropical ozone burden in SD configurations compared to the FR versions, which are not only caused by differences in chemical production or loss but also by transport and mixing. For future studies, we recommend the use of CAM5-chem configurations, due to improved aerosol description and inclusion of aerosol–cloud interactions. However, smaller tropospheric surface area density in the current version of CAM5-chem compared to CAM4-chem results in larger oxidizing capacity in the troposphere and therefore a shorter methane lifetime.