We describe a new method for evaluating the radiative forcing, the climate feedback parameter (W m −2 K −1 ) and hence the effective climate sensitivity from any GCM experiment in which the climate is responding to a constant forcing. The method is simply to regress the top of atmosphere radiative flux against the global average surface air temperature change. This method does not require special integrations or off‐line estimates, such as for stratospheric adjustment, to obtain the forcing, and eliminates the need for double radiation calculations and tropopause radiative fluxes. We show that for CO 2 and solar forcing in a slab model and an AOGCM the method gives results consistent with those obtained by conventional methods. For a single integration it is less precise but since it does not require a steady state to be reached its precision could be improved by running an ensemble of short integrations.

Abstract. We describe the HadGEM2 family of climate configurations of the Met Office Unified Model, MetUM. The concept of a model "family" comprises a range of specific model configurations incorporating different levels of complexity but with a common physical framework. The HadGEM2 family of configurations includes atmosphere and ocean components, with and without a vertical extension to include a well-resolved stratosphere, and an Earth-System (ES) component which includes dynamic vegetation, ocean biology and atmospheric chemistry. The HadGEM2 physical model includes improvements designed to address specific systematic errors encountered in the previous climate configuration, HadGEM1, namely Northern Hemisphere continental temperature biases and tropical sea surface temperature biases and poor variability. Targeting these biases was crucial in order that the ES configuration could represent important biogeochemical climate feedbacks. Detailed descriptions and evaluations of particular HadGEM2 family members are included in a number of other publications, and the discussion here is limited to a summary of the overall performance using a set of model metrics which compare the way in which the various configurations simulate present-day climate and its variability.

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 A new coupled general circulation climate model developed at the Met Office's Hadley Centre is presented, and aspects of its performance in climate simulations run for the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report (IPCC AR4) documented with reference to previous models. The Hadley Centre Global Environmental Model version 1 (HadGEM1) is built around a new atmospheric dynamical core; uses higher resolution than the previous Hadley Centre model, HadCM3; and contains several improvements in its formulation including interactive atmospheric aerosols (sulphate, black carbon, biomass burning, and sea salt) plus their direct and indirect effects. The ocean component also has higher resolution and incorporates a sea ice component more advanced than HadCM3 in terms of both dynamics and thermodynamics. HadGEM1 thus permits experiments including some interactive processes not feasible with HadCM3. The simulation of present-day mean climate in HadGEM1 is significantly better overall in comparison to HadCM3, although some deficiencies exist in the simulation of tropical climate and El Niño variability. We quantify the overall improvement using a quasi-objective climate index encompassing a range of atmospheric, oceanic, and sea ice variables. It arises partly from higher resolution but also from greater fidelity in modeling dynamical and physical processes, for example, in the representation of clouds and sea ice. HadGEM1 has a similar effective climate sensitivity (2.8 K) to a CO2 doubling as HadCM3 (3.1 K), although there are significant regional differences in their response patterns, especially in the Tropics. HadGEM1 is anticipated to be used as the basis both for higher-resolution and higher-complexity Earth System studies in the near future.

Using a coupled atmosphere/ocean general circulation model, we have simulated the climatic response to natural and anthropogenic forcings from 1860 to 1997. The model, HadCM3, requires no flux adjustment and has an interactive sulphur cycle, a simple parameterization of the effect of aerosols on cloud albedo (first indirect effect), and a radiation scheme that allows explicit representation of well‐mixed greenhouse gases. Simulations were carried out in which the model was forced with changes in natural forcings (solar irradiance and stratospheric aerosol due to explosive volcanic eruptions), well‐mixed greenhouse gases alone, tropospheric anthropogenic forcings (tropospheric ozone, well‐mixed greenhouse gases, and the direct and first indirect effects of sulphate aerosol), and anthropogenic forcings (tropospheric anthropogenic forcings and stratospheric ozone decline). Using an “optimal detection” methodology to examine temperature changes near the surface and throughout the free atmosphere, we find that we can detect the effects of changes in well‐mixed greenhouse gases, other anthropogenic forcings (mainly the effects of sulphate aerosols on cloud albedo), and natural forcings. Thus these have all had a significant impact on temperature. We estimate the linear trend in global mean near‐surface temperature from well‐mixed greenhouse gases to be 0.9 ± 0.24 K/century, offset by cooling from other anthropogenic forcings of 0.4 ± 0.26 K/century, giving a total anthropogenic warming trend of 0.5 ± 0.15 K/century. Over the entire century, natural forcings give a linear trend close to zero. We found no evidence that simulated changes in near‐surface temperature due to anthropogenic forcings were in error. However, the simulated tropospheric response, since the 1960s, is ∼50% too large. Our analysis suggests that the early twentieth century warming can best be explained by a combination of warming due to increases in greenhouse gases and natural forcing, some cooling due to other anthropogenic forcings, and a substantial, but not implausible, contribution from internal variability. In the second half of the century we find that the warming is largely caused by changes in greenhouse gases, with changes in sulphates and, perhaps, volcanic aerosol offsetting approximately one third of the warming. Warming in the troposphere, since the 1960s, is probably mainly due to anthropogenic forcings, with a negligible contribution from natural forcings.

The observed spatial patterns of temperature change in the free atmosphere from 1963 to 1987 are similar to those predicted by state-of-the-art climate models incorporating various combinations of changes in carbon dioxide, anthropogenic sulphate aerosol and stratospheric ozone concentrations. The degree of pattern similarity between models and observations increases through this period. It is likely that this trend is partially due to human activities, although many uncertainties remain, particularly relating to estimates of natural variability.