We document the development of the first version of the U.K. Earth System Model UKESM1. The model represents a major advance on its predecessor HadGEM2-ES, with enhancements to all component models and new feedback mechanisms. These include a new core physical model with a well-resolved stratosphere; terrestrial biogeochemistry with coupled carbon and nitrogen cycles and enhanced land management; tropospheric-stratospheric chemistry allowing the holistic simulation of radiative forcing from ozone, methane, and nitrous oxide; two-moment, five-species, modal aerosol; and ocean biogeochemistry with two-way coupling to the carbon cycle and atmospheric aerosols. The complexity of coupling between the ocean, land, and atmosphere physical climate and biogeochemical cycles in UKESM1 is unprecedented for an Earth system model. We describe in detail the process by which the coupled model was developed and tuned to achieve acceptable performance in key physical and Earth system quantities and discuss the challenges involved in mitigating biases in a model with complex connections between its components. Overall, the model performs well, with a stable pre-industrial state and good agreement with observations in the latter period of its historical simulations. However, global mean surface temperature exhibits stronger-than-observed cooling from 1950 to 1970, followed by rapid warming from 1980 to 2014. Metrics from idealized simulations show a high climate sensitivity relative to previous generations of models: Equilibrium climate sensitivity is 5.4 K, transient climate response ranges from 2.68 to 2.85 K, and transient climate response to cumulative emissions is 2.49 to 2.66 K TtC−1.

Until recently, long-range forecast systems showed only modest levels of skill in predicting surface winter climate around the Atlantic Basin and associated fluctuations in the North Atlantic Oscillation at seasonal lead times.Here we use a new forecast system to assess seasonal predictability of winter North Atlantic climate.We demonstrate that key aspects of European and North American winter climate and the surface North Atlantic Oscillation are highly predictable months ahead.We demonstrate high levels of prediction skill in retrospective forecasts of the surface North Atlantic Oscillation, winter storminess, near-surface temperature, and wind speed, all of which have high value for planning and adaptation to extreme winter conditions.Analysis of forecast ensembles suggests that while useful levels of seasonal forecast skill have now been achieved, key sources of predictability are still only partially represented and there is further untapped predictability.

Abstract The Global Coupled 3 (GC3) configuration of the Met Office Unified Model is presented. Among other applications, GC3 is the basis of the United Kingdom's submission to the Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6). This paper documents the model components that make up the configuration (although the scientific descriptions of these components are in companion papers) and details the coupling between them. The performance of GC3 is assessed in terms of mean biases and variability in long climate simulations using present‐day forcing. The suitability of the configuration for predictability on shorter time scales (weather and seasonal forecasting) is also briefly discussed. The performance of GC3 is compared against GC2, the previous Met Office coupled model configuration, and against an older configuration (HadGEM2‐AO) which was the submission to CMIP5. In many respects, the performance of GC3 is comparable with GC2, however, there is a notable improvement in the Southern Ocean warm sea surface temperature bias which has been reduced by 75%, and there are improvements in cloud amount and some aspects of tropical variability. Relative to HadGEM2‐AO, many aspects of the present‐day climate are improved in GC3 including tropospheric and stratospheric temperature structure, most aspects of tropical and extratropical variability and top‐of‐atmosphere and surface fluxes. A number of outstanding errors are identified including a residual asymmetric sea surface temperature bias (cool northern hemisphere, warm Southern Ocean), an overly strong global hydrological cycle and insufficient European blocking.

Abstract We examine CMIP6 simulations of Arctic sea‐ice area and volume. We find that CMIP6 models produce a wide spread of mean Arctic sea‐ice area, capturing the observational estimate within the multimodel ensemble spread. The CMIP6 multimodel ensemble mean provides a more realistic estimate of the sensitivity of September Arctic sea‐ice area to a given amount of anthropogenic CO 2 emissions and to a given amount of global warming, compared with earlier CMIP experiments. Still, most CMIP6 models fail to simulate at the same time a plausible evolution of sea‐ice area and of global mean surface temperature. In the vast majority of the available CMIP6 simulations, the Arctic Ocean becomes practically sea‐ice free (sea‐ice area <1 × 10 6 km 2 ) in September for the first time before the Year 2050 in each of the four emission scenarios SSP1‐1.9, SSP1‐2.6, SSP2‐4.5, and SSP5‐8.5 examined here.

Abstract Fully coupled climate models have long shown a wide range of Antarctic sea ice states and evolution over the satellite era. Here, we present a high‐level evaluation of Antarctic sea ice in 40 models from the most recent phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). Many models capture key characteristics of the mean seasonal cycle of sea ice area (SIA), but some simulate implausible historical mean states compared to satellite observations, leading to large intermodel spread. Summer SIA is consistently biased low across the ensemble. Compared to the previous model generation (CMIP5), the intermodel spread in winter and summer SIA has reduced, and the regional distribution of sea ice concentration has improved. Over 1979–2018, many models simulate strong negative trends in SIA concurrently with stronger‐than‐observed trends in global mean surface temperature (GMST). By the end of the 21st century, models project clear differences in sea ice between forcing scenarios.

A new climate model, HadGEM3 N96ORCA1, is presented that is part of the GC3.1 configuration of HadGEM3. N96ORCA1 has a horizontal resolution of ~135 km in the atmosphere and 1° in the ocean and requires an order of magnitude less computing power than its medium-resolution counterpart, N216ORCA025, while retaining a high degree of performance traceability. Scientific performance is compared to both observations and the N216ORCA025 model. N96ORCA1 reproduces observed climate mean and variability almost as well as N216ORCA025. Patterns of biases are similar across the two models. In the northwest Atlantic, N96ORCA1 shows a cold surface bias of up to 6 K, typical of ocean models of this resolution. The strength of the Atlantic meridional overturning circulation (16 to 17 Sv) matches observations. In the Southern Ocean, a warm surface bias (up to 2 K) is smaller than in N216ORCA025 and linked to improved ocean circulation. Model El Niño/Southern Oscillation and Atlantic Multidecadal Variability are close to observations. Both the cold bias in the Northern Hemisphere (N96ORCA1) and the warm bias in the Southern Hemisphere (N216ORCA025) develop in the first few decades of the simulations. As in many comparable climate models, simulated interhemispheric gradients of top-of-atmosphere radiation are larger than observations suggest, with contributions from both hemispheres. HadGEM3 GC3.1 N96ORCA1 constitutes the physical core of the UK Earth System Model (UKESM1) and will be used extensively in the Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6), both as part of the UK Earth System Model and as a stand-alone coupled climate model.

Abstract. The Coupled Model Intercomparison Project phase 6 (CMIP6) HighResMIP is a new experimental design for global climate model simulations that aims to assess the impact of model horizontal resolution on climate simulation fidelity. We describe a hierarchy of global coupled model resolutions based on the Hadley Centre Global Environment Model 3 – Global Coupled vn 3.1 (HadGEM3-GC3.1) model that ranges from an atmosphere–ocean resolution of 130 km–1∘ to 25 km–1∕12∘, all using the same forcings and initial conditions. In order to make such high-resolution simulations possible, the experiments have a short 30-year spinup, followed by at least century-long simulations with constant forcing to assess drift. We assess the change in model biases as a function of both atmosphere and ocean resolution, together with the effectiveness and robustness of this new experimental design. We find reductions in the biases in top-of-atmosphere radiation components and cloud forcing. There are significant reductions in some common surface climate model biases as resolution is increased, particularly in the Atlantic for sea surface temperature and precipitation, primarily driven by increased ocean resolution. There is also a reduction in drift from the initial conditions both at the surface and in the deeper ocean at higher resolution. Using an eddy-present and eddy-rich ocean resolution enhances the strength of the North Atlantic ocean circulation (boundary currents, overturning circulation and heat transport), while an eddy-present ocean resolution has a considerably reduced Antarctic Circumpolar Current strength. All models have a reasonable representation of El Niño–Southern Oscillation. In general, the biases present after 30 years of simulations do not change character markedly over longer timescales, justifying the experimental design.

Abstract. Versions 6 and 7 of the UK Global Ocean configuration (known as GO6 and GO7) will form the ocean components of the Met Office GC3.1 coupled model and UKESM1 earth system model to be used in CMIP61 simulations. The label “GO6” refers to a traceable hierarchy of three model configurations at nominal 1, 1∕4 and 1/12∘ resolutions. The GO6 configurations are described in detail with particular focus on aspects which have been updated since the previous version (GO5). Results of 30-year forced ocean-ice integrations with the 1/4∘ model are presented, in which GO6 is coupled to the GSI8.1 sea ice configuration and forced with CORE22 fluxes. GO6-GSI8.1 shows an overall improved simulation compared to GO5-GSI5.0, especially in the Southern Ocean where there are more realistic summertime mixed layer depths, a reduced near-surface warm and saline biases, and an improved simulation of sea ice. The main drivers of the improvements in the Southern Ocean simulation are tuning of the vertical and isopycnal mixing parameters. Selected results from the full hierarchy of three resolutions are shown. Although the same forcing is applied, the three models show large-scale differences in the near-surface circulation and in the short-term adjustment of the overturning circulation. The GO7 configuration is identical to the GO6 1/4∘ configuration except that the cavities under the ice shelves are opened. Opening the ice shelf cavities has a local impact on temperature and salinity biases on the Antarctic shelf with some improvement in the biases in the Weddell Sea.

Abstract. The Forecast Ocean Assimilation Model (FOAM) is an operational ocean analysis and forecast system run daily at the Met Office. FOAM provides modelling capability in both deep ocean and coastal shelf sea regimes using the NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) ocean model as its dynamical core. The FOAM Deep Ocean suite produces analyses and 7-day forecasts of ocean tracers, currents and sea ice for the global ocean at 1/4° resolution. Satellite and in situ observations of temperature, salinity, sea level anomaly and sea ice concentration are assimilated by FOAM each day over a 48 h observation window. The FOAM Deep Ocean configurations have recently undergone a major upgrade which has involved the implementation of a new variational, first guess at appropriate time (FGAT) 3D-Var, assimilation scheme (NEMOVAR); coupling to a different, multi-thickness-category, sea ice model (CICE); the use of coordinated ocean-ice reference experiment (CORE) bulk formulae to specify the surface boundary condition; and an increased vertical resolution for the global model. In this paper the new FOAM Deep Ocean system is introduced and details of the recent changes are provided. Results are presented from 2-year reanalysis integrations of the Global FOAM configuration including an assessment of short-range ocean forecast accuracy. Comparisons are made with both the previous FOAM system and a non-assimilative FOAM system. Assessments reveal considerable improvements in the new system to the near-surface ocean and sea ice fields. However there is some degradation to sub-surface tracer fields and in equatorial regions which highlights specific areas upon which to focus future improvements.

Abstract The Met Office Forecast Ocean Assimilation Model (FOAM) ocean–sea‐ice analysis and forecasting operational system has been using an ORCA tripolar grid with 1/4° horizontal grid spacing since December 2008. Surface boundary forcing is provided by numerical weather prediction fields from the operational global atmosphere Met Office Unified Model. We present results from a 2‐year simulation using a 1/12° global ocean–sea‐ice model configuration while keeping a 1/4° data assimilation (DA) set‐up. We also describe recent operational data assimilation enhancements that are included in our 1/4° control and 1/12° simulations: a new bias‐correction term for sea‐level anomaly assimilation and a revised pressure correction algorithm. The primary effect of the first is to decrease the mean and variability of sea‐level anomaly increments at high latitudes, whereas the second significantly reduces the vertical velocity standard deviation in the tropical Pacific. The level of improvement achieved with the higher resolution configuration is moderate but consistently satisfactory when measured using neighbourhood verification metrics that provide fairer quantitative comparisons between gridded model fields at different spatial resolutions than traditional root‐mean‐square metrics. A comparison of the eddy kinetic energy from each configuration and an observation‐based product highlights the regions where further system developments are most needed.