A new high-resolution regional climate change ensemble has been established for Europe within the World Climate Research Program Coordinated Regional Downscaling Experiment (EURO-CORDEX) initiative. The first set of simulations with a horizontal resolution of 12.5 km was completed for the new emission scenarios RCP4.5 and RCP8.5 with more simulations expected to follow. The aim of this paper is to present this data set to the different communities active in regional climate modelling, impact assessment and adaptation. The EURO-CORDEX ensemble results have been compared to the SRES A1B simulation results achieved within the ENSEMBLES project. The large-scale patterns of changes in mean temperature and precipitation are similar in all three scenarios, but they differ in regional details, which can partly be related to the higher resolution in EURO-CORDEX. The results strengthen those obtained in ENSEMBLES, but need further investigations. The analysis of impact indices shows that for RCP8.5, there is a substantially larger change projected for temperature-based indices than for RCP4.5. The difference is less pronounced for precipitation-based indices. Two effects of the increased resolution can be regarded as an added value of regional climate simulations. Regional climate model simulations provide higher daily precipitation intensities, which are completely missing in the global climate model simulations, and they provide a significantly different climate change of daily precipitation intensities resulting in a smoother shift from weak to moderate and high intensities.

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.

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.

This paper describes the third full release of the Rossby Centre Regional Climate model (RCA3), with an emphasis on changes compared to earlier versions, in particular the introduction of a new tiled land-surface scheme. The model performance over Europe when driven at the boundaries by ERA40 reanalysis is discussed and systematic biases identified. This discussion is performed for key near-surface variables, such as temperature, precipitation, wind speed and snow amounts at both seasonal and daily timescales. An analysis of simulated clouds and surface turbulent and radiation fluxes is also made, to understand the causes of the identified biases. RCA3 shows equally good, or better, correspondence to observations than previous model versions at both analysed timescales. The primary model bias relates to an underestimate of the diurnal surface temperature range over Northern Europe, which maximizes in summer. This error is mainly linked to an overestimate of soil heat flux. It is shown that the introduction of an organic soil component reduces the error significantly. During the summer season, precipitation and surface evaporation are both overestimated over Northern Europe, whereas for most other regions and seasons precipitation and surface turbulent fluxes are well simulated.

Abstract An ensemble of regional climate simulations is analyzed to evaluate the ability of 10 regional climate models (RCMs) and their ensemble average to simulate precipitation over Africa. All RCMs use a similar domain and spatial resolution of ~50 km and are driven by the ECMWF Interim Re-Analysis (ERA-Interim) (1989–2008). They constitute the first set of simulations in the Coordinated Regional Downscaling Experiment in Africa (CORDEX-Africa) project. Simulated precipitation is evaluated at a range of time scales, including seasonal means, and annual and diurnal cycles, against a number of detailed observational datasets. All RCMs simulate the seasonal mean and annual cycle quite accurately, although individual models can exhibit significant biases in some subregions and seasons. The multimodel average generally outperforms any individual simulation, showing biases of similar magnitude to differences across a number of observational datasets. Moreover, many of the RCMs significantly improve the precipitation climate compared to that from their boundary condition dataset, that is, ERA-Interim. A common problem in the majority of the RCMs is that precipitation is triggered too early during the diurnal cycle, although a small subset of models does have a reasonable representation of the phase of the diurnal cycle. The systematic bias in the diurnal cycle is not improved when the ensemble mean is considered. Based on this performance analysis, it is assessed that the present set of RCMs can be used to provide useful information on climate projections over Africa.

Royal Netherlands Meteorological Institute, De Bilt, The NetherlandsMet Éireann, Dublin, IrelandEuropean Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Reading, United KingdomDanish Meteorological Institute, Copenhagen, DenmarkSwedish Meteorological and Hydrological Institute, Norrköping, SwedenLisbon University, Lisbon, PortugalBarcelona Supercomputing Centre, Barcelona, SpainMétéo-France, Toulouse, FranceUniversity College Dublin, Dublin, IrelandStockholm University, Stockholm, SwedenBarcelona Supercomputing Centre, Barcelona, Spain, and University of Murcia, Murcia, SpainUniversity of Oxford, Oxford, United KingdomSpanish Meteorological Agency (AEMET), Madrid, SpainFederal Institute of Technology, Zürich, SwitzerlandIrish Centre for High End Computing, Dublin, IrelandUniversité Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, BelgiumMeteorological Institute, Lisbon, PortugalCORRESPONDING AUTHOR: Wilco Hazeleger, Royal Netherlands Meteorological Institute, P.O. Box 201, 3730 AE, De Bilt, The Netherlands, E-mail: wilco.hazeleger@knmi.nl

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 We describe the scientific and technical implementation of two models for a core set of experiments contributing to the sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). The models used are the physical atmosphere‐land‐ocean‐sea ice model HadGEM3‐GC3.1 and the Earth system model UKESM1 which adds a carbon‐nitrogen cycle and atmospheric chemistry to HadGEM3‐GC3.1. The model results are constrained by the external boundary conditions (forcing data) and initial conditions. We outline the scientific rationale and assumptions made in specifying these. Notable details of the implementation include an ozone redistribution scheme for prescribed ozone simulations (HadGEM3‐GC3.1) to avoid inconsistencies with the model's thermal tropopause, and land use change in dynamic vegetation simulations (UKESM1) whose influence will be subject to potential biases in the simulation of background natural vegetation. We discuss the implications of these decisions for interpretation of the simulation results. These simulations are expensive in terms of human and CPU resources and will underpin many further experiments; we describe some of the technical steps taken to ensure their scientific robustness and reproducibility.

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.