Abstract. We describe Global Atmosphere 7.0 and Global Land 7.0 (GA7.0/GL7.0), the latest science configurations of the Met Office Unified Model (UM) and the Joint UK Land Environment Simulator (JULES) land surface model developed for use across weather and climate timescales. GA7.0 and GL7.0 include incremental developments and targeted improvements that, between them, address four critical errors identified in previous configurations: excessive precipitation biases over India, warm and moist biases in the tropical tropopause layer (TTL), a source of energy non-conservation in the advection scheme and excessive surface radiation biases over the Southern Ocean. They also include two new parametrisations, namely the UK Chemistry and Aerosol (UKCA) GLOMAP-mode (Global Model of Aerosol Processes) aerosol scheme and the JULES multi-layer snow scheme, which improve the fidelity of the simulation and were required for inclusion in the Global Atmosphere/Global Land configurations ahead of the 6th Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). In addition, we describe the GA7.1 branch configuration, which reduces an overly negative anthropogenic aerosol effective radiative forcing (ERF) in GA7.0 whilst maintaining the quality of simulations of the present-day climate. GA7.1/GL7.0 will form the physical atmosphere/land component in the HadGEM3–GC3.1 and UKESM1 climate model submissions to the CMIP6.

Abstract. We describe Global Atmosphere 6.0 and Global Land 6.0 (GA6.0/GL6.0): the latest science configurations of the Met Office Unified Model and JULES (Joint UK Land Environment Simulator) land surface model developed for use across all timescales. Global Atmosphere 6.0 includes the ENDGame (Even Newer Dynamics for General atmospheric modelling of the environment) dynamical core, which significantly increases mid-latitude variability improving a known model bias. Alongside developments of the model's physical parametrisations, ENDGame also increases variability in the tropics, which leads to an improved representation of tropical cyclones and other tropical phenomena. Further developments of the atmospheric and land surface parametrisations improve other aspects of model performance, including the forecasting of surface weather phenomena. We also describe GA6.1/GL6.1, which includes a small number of long-standing differences from our main trunk configurations that we continue to require for operational global weather prediction. Since July 2014, GA6.1/GL6.1 has been used by the Met Office for operational global numerical weather prediction, whilst GA6.0/GL6.0 was implemented in its remaining global prediction systems over the following year.

Abstract Changes in the patterns of tropical precipitation (P) and circulation are analyzed in Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (CMIP5) GCMs under the representative concentration pathway 8.5 (RCP8.5) scenario. A robust weakening of the tropical circulation is seen across models, associated with a divergence feedback that acts to reduce convection most in areas of largest climatological ascent. This is in contrast to the convergence feedback seen in interannual variability of tropical precipitation patterns. The residual pattern of convective mass-flux change is associated with shifts in convergence zones due to mechanisms such as SST gradient change, and this is often locally larger than the weakening due to the divergence feedback. A simple framework is constructed to separate precipitation change into components based on different mechanisms and to relate it directly to circulation change. While the tropical mean increase in precipitation is due to the residual between the positive thermodynamic change due to increased specific humidity and the decreased convective mass flux due to the weakening of the circulation, the spatial patterns of these two components largely cancel each other out. The rich-get-richer mechanism of greatest precipitation increases in ascent regions is almost negated by this cancellation, explaining why the spatial correlation between climatological P and the climate change anomaly ΔP is only 0.2 over the tropics for the CMIP5 multimodel mean. This leaves the spatial pattern of precipitation change to be dominated by the component associated with shifts in convergence zones, both in the multimodel mean and intermodel uncertainty, with the component due to relative humidity change also becoming important over land.

Abstract. We describe Global Atmosphere 3.0 (GA3.0): a configuration of the Met Office Unified Model (MetUM) developed for use across climate research and weather prediction activities. GA3.0 has been formulated by converging the development paths of the Met Office's weather and climate global atmospheric model components such that wherever possible, atmospheric processes are modelled or parametrized seamlessly across spatial resolutions and timescales. This unified development process will provide the Met Office and its collaborators with regular releases of a configuration that has been evaluated, and can hence be applied, over a variety of modelling régimes. We also describe Global Land 3.0 (GL3.0): a configuration of the JULES community land surface model developed for use with GA3.0. This paper provides a comprehensive technical and scientific description of the GA3.0 and GL3.0 (and related GA3.1 and GL3.1) configurations and presents the results of some initial evaluations of their performance in various applications. It is to be the first in a series of papers describing each subsequent Global Atmosphere release; this will provide a single source of reference for established users and developers as well as researchers requiring access to a current, but trusted, global MetUM setup.

Abstract Aerosol processes and, in particular, aerosol‐cloud interactions cut across the traditional physical‐Earth system boundary of coupled Earth system models and remain one of the key uncertainties in estimating anthropogenic radiative forcing of climate. Here we calculate the historical aerosol effective radiative forcing (ERF) in the HadGEM3‐GA7 climate model in order to assess the suitability of this model for inclusion in the UK Earth system model, UKESM1. The aerosol ERF, calculated for the year 2000 relative to 1850, is large and negative in the standard GA7 model leading to an unrealistic negative total anthropogenic forcing over the twentieth century. We show how underlying assumptions and missing processes in both the physical model and aerosol parameterizations lead to this large aerosol ERF. A number of model improvements are investigated to assess their impact on the aerosol ERF. These include an improved representation of cloud droplet spectral dispersion, updates to the aerosol activation scheme, and black carbon optical properties. One of the largest contributors to the aerosol forcing uncertainty is insufficient knowledge of the preindustrial aerosol climate. We evaluate the contribution of uncertainties in the natural marine emissions of dimethyl sulfide and organic aerosol to the ERF. The combination of model improvements derived from these studies weakens the aerosol ERF by up to 50% of the original value and leads to a total anthropogenic historical forcing more in line with assessed values.

Abstract A pragmatic approach for representing partially resolved turbulence in numerical weather prediction models is introduced and tested. The method blends a conventional boundary layer parameterization, suitable for large grid lengths, with a subgrid turbulence scheme suitable for large-eddy simulation. The key parameter for blending the schemes is the ratio of grid length to boundary layer depth. The new parameterization is combined with a scale-aware microphysical parameterization and tested on a case study forecast of stratocumulus evolution. Simulations at a range of model grid lengths between 1 km and 100 m are compared to aircraft observations. The improved microphysical representation removes the correlation between precipitation rate and model grid length, while the new turbulence parameterization improves the transition from unresolved to resolved turbulence as grid length is reduced.

Abstract Convective processes are crucial in shaping exoplanetary atmospheres but are computationally expensive to simulate directly. A novel technique of simulating moist convection on tidally locked exoplanets is to use a global 3D model with a stretched mesh. This allows us to locally refine the model resolution to 4.7 km and resolve fine-scale convective processes without relying on parameterizations. We explore the impact of mesh stretching on the climate of a slowly rotating TRAPPIST-1e-like planet, assuming it is 1:1 tidally locked. In the stretched-mesh simulation with explicit convection, the climate is 5 K colder and 25% drier than that in the simulations with parameterized convection(with both stretched and quasi-uniform meshes). This is due to the increased cloud reflectivity—because of an increase in low-level cloudiness—and exacerbated by the diminished greenhouse effect due to less water vapor. At the same time, our stretched-mesh simulations reproduce the key characteristics of the global climate of tidally locked rocky exoplanets, without any noticeable numerical artifacts. Our methodology opens an exciting and computationally feasible avenue for improving our understanding of 3D mixing in exoplanetary atmospheres. Our study also demonstrates the feasibility of a global stretched-mesh configuration for LFRic-Atmosphere, the next-generation Met Office climate and weather model.

Abstract Tropical high cloud cover decreases with surface warming in most general circulation models. This reduction, according to the “stability‐iris” hypothesis, is thermodynamically controlled and linked to a decrease in the radiatively‐driven clear‐sky convergence, when the peak anvil clouds rise because of the rising isotherms. The influence of the large‐scale dynamical changes on the tropical high cloud fraction remains difficult to disentangle from the local thermodynamic influence, given that the mean meridional circulation remains inextricably tied to the local thermodynamic structure of the atmosphere. However, using idealized general circulation model simulations, we propose a novel method to segregate the dynamical impact from the thermodynamic impact on the tropical high cloud fraction. To this end, our investigation primarily focuses on the mechanisms underpinning changes in the high cloud cover in the deep tropics in response to extratropical surface warming, when the tropical sea surface temperatures remain invariant. Net convective detrainment of ice cloud condensates decreases at the peak detrainment region, without a rise in its altitude. We also find that the importance of depositional growth of ice cloud condensates in controlling the high cloud fraction response in the deep tropics varies with altitude.

Abstract The main components of an atmospheric model for numerical weather prediction are the “dynamical core,” which describes the resolved flow, and the “physical parametrisation,” which capture the effects of non‐fluid and non‐resolved fluid processes. Additionally, models used for air quality or climate applications may include a component that represents the evolution of chemicals and aerosols within the atmosphere. Though, traditionally, all these components use the same mesh with the same grid spacing, we present a formulation for the different components to use a series of nested meshes, with different horizontal grid spacings. This gives the model greater flexibility in the allocation of computational resources, so that resolution can be targeted to those parts that provide the greatest benefits in accuracy. The formulation presented here concerns the methods for mapping fields between meshes and is designed for the compatible finite‐element discretisation used by LFRic‐Atmosphere, the Met Office's next‐generation atmosphere model. Key properties of the formulation include the consistent and conservative transport of tracers on a mesh that is coarser than the dynamical core, and the handling of moisture to ensure mass conservation without generation of unphysical negative values. Having presented the formulation, it is then demonstrated through a series of idealised test cases that show the feasibility of this approach.

Abstract Our previously described reformulation of the Met Office's dynamical core for weather and climate prediction is extended to spherical domains using a cubed‐sphere mesh. We update the semi‐implicit mixed finite‐element formulation to be suitable for spherical domains. In particular, the finite‐volume transport scheme is extended to take account of non‐uniform, non‐orthogonal meshes and uses an advective‐then‐flux formulation so that increment from the transport scheme is linear in the divergence. The resulting model is then applied to a standard set of dry dynamical core tests and compared with the existing semi‐implicit semi‐Lagrangian dynamical core currently used in the Met Office's operational model.