气候模型（climate model）是研究气候的主要理论体系，根据研究的实际需要，陆续产生了大量不同种类的模型，如：数值气候模型和定性（非数值）模型，相关研究为人类了解地球气候以及人类如何影响气候奠定了基础。

数值气候模型使用定量方法来模拟气候重要驱动因素的相互作用，包括大气、海洋、陆地表面和冰。它们用于各种目的，从气候系统动力学研究到未来气候预测。气候模型也可能是定性（非数值）模型，也可以是对可能的未来进行描述，描述性的模型，例如：统计动力模型考虑纬圈平均，对大型涡旋输送参数化，用来研究不同物理因子如二氧化碳、太阳常数等的作用。

定量气候模型将来自太阳的单射能量视为短波电磁辐射，主要是可见光和短波（近）红外线，以及出射的长波（远）红外线电磁辐射。不平衡会导致温度变化。定量模型的复杂性各不相同。例如，一个简单的辐射传热模型将地球视为一个点并平均输出能量，这可以垂直扩展（辐射对流模型）和/或水平扩展。耦合的大气-海洋-海冰全球气候模型解决了质量和能量转移以及辐射交换的完整方程。此外，其他类型的建模可以在地球系统模型中相互关联，例如土地利用，使研究人员能够预测气候和生态系统之间的相互作用，定量模型的复杂程度各不相同。例如，简单的辐射热传递模型将地球视为一个单一的点，并平均输出能量（辐射对流模型），耦合的大气-海洋-海冰全球气候模式提出了质量和能量传输和辐射交换的完整方程。

1975年，真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈斯曼（Klaus Hasselmann）合作发表的研究成果构建了理想海陆分布的大气-海洋耦合模型并指出全球变暖伴有极地强化现象和全球水循环的增强。2021年诺贝尔物理学奖一半授予美籍日裔气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）以表彰他们“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”，另一半授予意大利理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。

1827年，约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）最早研究了温室效应的物理过程。当气候科学进入20世纪之后，物理学中关于分子结构的认识以及量子力学的发展极大地促进了人们对气体分子吸收谱(分子光谱)的理解，在此基础上，温室气体的吸收谱也在实验室得到了广泛和准确的测量，同时在20世纪初期，天文学家和天体物理学家出于对恒星结构以及恒星内部能量的径向辐射和对流的研究兴趣，建立了辐射传输的基本理论，施瓦氏（施瓦氏）给出了辐射传输的基本方程，还有一些天文和天体物理学家为了解释地球大气层对太阳辐射传输的影响和校正太阳辐射的地面观测结果，也开始研究太阳辐射在地球和太阳系行星大气中的传输问题。

1861年，约翰·丁铎尔（John Tyndall）在实验室中证明了温室效应。1861年物理学家约翰·廷达尔（John Tyndall）让二氧化碳是一种温室气体这一事实为人所知，随后化学家斯万特·阿累尼乌斯（Svante Arrhenius）在1896年，工程师盖伊·斯图尔特·卡伦达（Guy Stewart Callendar）分别在在1938年对二氧化碳的变暖效应进行了粗略的估计。但直到20世纪50年代，才有测量显示大气中的二氧化碳浓度正在上升，与此同时，“辐射传输”开始被人了解。辐射传输量化了太阳辐射和地球表面发射的红外热光谱如何被大气中的气体散射、吸收和再释放，这是量化温室气体变暖效应的基础。

复杂系统的现代研究植根于19 世纪后半叶詹姆斯·麦克斯韦（Maxwell）、路德维希·玻尔兹曼（Boltzmann）和约西亚·吉布斯（Gibbs），所发展的统计力学，他们在1884 年命名了这一领域，这些源于一种观点：需要一种新方法描述由大量粒子组成的系统（如气体或液体）。这种方法必须考虑粒子的随机运动，因此基本思想是计算粒子的平均效应，而非单独研究每个粒子。例如，气体温度是气体粒子能量平均值的量度。统计力学取得巨大成功，因为它为气体和液体的宏观性质（如温度和压力）提供了微观解释。

1896年，斯万特·阿累尼乌斯（Svante Arrhenius）首次计算了大气中的二氧化碳（）与地球表面温度之间的关系，他开辟了利用气候模型来对有大气层的行星进行定量研究这一方向。阿伦尼乌斯1896年的论文为气候科学奠定了坚实的物理基 础，代表着现代气候科学的诞生。此外，他还是一位杰出的化学家，于1903年获得诺贝尔化学奖，是瑞典第一 位诺贝尔奖获得者。

1901年，气象学家尼尔斯·埃克霍尔姆（Nils Ekholm）第一个用“conservatory（温室）”一词描述大气的热量存储与再辐射。

1908年，弗兰克·沃瑞（Frank Very）发表的研究结果显示他们开始用多层大气的模型来研究辐射传输问题，而非像斯万特·阿累尼乌斯那样的一层大气模式，著名天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Chandrasekhar）在1950年发表了他的关于辐射传输的著作，从而系统地建立了辐射传输理论。

20世纪50年代，美国学者普拉斯（Plus）首先使用了更为准确的二氧化碳吸收谱和多层大气辐射传输模式来计算二氧化碳变化对气候的影响，他的结果表明，二氧化碳加倍将造成地面增温大约3—6℃，这说明阿伦尼乌斯的计算结果仅代表了气候对二氧化碳敏感性范围的上边界，虽然普拉斯的计算结果比斯万特·阿累尼乌斯的结果更为可靠，但普拉斯对地面辐射能量平衡的解释存在错误.在普拉斯的计算中，假定了二氧化碳增加仅造成地面温度的升高，而大气层温度是不变的，其结果将造成大气层顶单射和向外辐射的不平衡。

1956年，吉尔伯特·普拉斯（Gilbert Plass）准确计算了二氧化碳（）辐射强迫，确定了大气造成的红外冷却速率和大气层顶的净射出辐射，讨论了大气浓度变化对上述物理量的影响。

1958年，查理斯·基林（Charles David Keeling）在夏威夷的莫纳罗亚天文台开始了到目前时间最长大气二氧化碳测量，基林因此而闻名。同年，他在冒纳罗亚观测站签署了第一份监测大气二氧化碳（）的文件，这份文件可以为人类活动对大气成分的影响提供一个持久的证明。

1963年，真锅的同事基于辐射传输科学的最新进展，针对二氧化碳全球变暖效应到底有多重要进行了研究。这项工作加上其他早期研究，正好合理估计了在气候系统没有以某种方式改变的情况下二氧化碳引起的变暖，但是没有正确解释系统将如何响应，特别是，他们没能正确理解在变暖的世界中大气水汽的分布将如何变化。

1967年6月，气候模拟学者真锅淑郎（Syukuro Manabe）和理查德·韦瑟尔德（Richard Wetherald）的研究终结了关于二氧化碳是否导致全球变暖的辩论，并建立了一个数学上可靠并首次产生物理真实结果的气候模式。他们用辐射强迫——一种人类或自然变化导致地球能量平衡变化的量值——来理解气候变化的历史原因，这份工作衍生出现代气候模式的发展。

同年，真锅和韦瑟尔德首次可靠地预测了二氧化碳浓度加倍后所引起的变暖的大小，这项研究结果是辐射对流模型的集大成者，从能量平衡、对流加热、水汽反馈等角度为讨论地球气候变化提供了经典的基础框架，代表着全球变暖研究进入现代时期。

1975年，以真锅淑郎和韦瑟尔德在《大气科学杂志》上发表了气候科学论文《给定相对湿度分布的大气热平衡》，这代表着三维大气环流气候模式的诞生。该模型是第一个能够处理二氧化碳加倍的大气环流模式，利用冰雪反馈和极地大气层结变化来进行解释。真锅和韦瑟尔德基于他们的环流模型成功复现了计算结果，这个模型也可以解释高纬度变暖，以及雪盖和海冰的变化，在一定程度上建立了他们对基于1D辐射对流模型早期方法的信心，因此其他科学家开始使用这类模型来探究观测到的二十世纪地表气温升高的多个可能原因。

在真锅淑郎和韦瑟尔德构建辐射对流模式之后不久，苏联气候学家Budyko和美国气候学家Sellers分别独立地提出了气候能量平衡模式，他们引入了冰-雪反照率的正反馈机制，并考虑了赤道与极地之间的热量输送问题，根据他们的模式,气候系统在相同的太阳辐射条件下可以出现三种气候态：(1)两极没有冰盖的温暖气候，如6500万年前的恐龙时代;(2)两极存在冰盖的温和气候;(3)全球完全被冰封的冰雪地球气候，其中第一种和第三种气候态是稳定的气候态，而第二种是不稳定的气候态，在外强迫或气候系统内部扰动的作用下，冰-雪正反馈机制很容易导致该气候态向第一种或第三种气候态转化，根据之后的研究，全球性冰封的冰雪地球气候有可能在25亿年前和7亿年前出现过。

1979年，受美国科学院国家研究委员会委托，朱尔·查尼（Jule G. Charney）组织编写了题为《二氧化碳与气候》的科学评估报告，目的是回答化石燃料使用排放的二氧化碳是否会造成地球气候变化，最终结果为浓度加倍将令全球温度升高1.5~4.5℃（即“气候敏感度”），这非常接近2021年IPCC AR6给出的最新结果。

1980 年，气候建模师克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）演示了如何将气候变化的混沌现象描述为快速变化的噪声，从而为长期气候预测奠定了坚实的科学基础。此外，他还开发了识别人类对全球温度影响的方法。

1981年，科学家们得出结论二十世纪的温度变化可能是人为变化（土地利用和大气温室气体浓度、臭氧和气溶胶）和自然现象（太阳辐射变化和火山爆发）的双重结果。

同一时期，意大利理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）介绍了他关于显然随机现象是如何受隐藏规则支配的发现，他展示了如何巧妙地利用复型技巧来解决自旋玻璃问题。他在复型中发现了一个隐藏结构，并找到了一种数学描述的方法。帕里西的解花了很多年才在数学上被证明是正确的。此后，他的方法被用于许多无序系统，并成为复杂系统理论的基石。他的工作现在被认为是对复杂系统理论的重要贡献之一。

1988年，评估气候变化相关科学的联合国机构—政府间气候变化专门委员会（IPCC）成立。2023年，IPCC正处于第六个评估周期，自1988年成立以来，IPCC已围绕全球气候变化等问题编写了五套多卷册评估报告。

2021年诺贝尔物理学奖一半授予美籍日裔气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国海洋学家、气候建模师克劳斯·哈斯曼（Klaus Hasselmann），另一半授予意大利理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）。

温室效应，俗称“大气保温效应”。来自太阳的热量以短波辐射的形式到达地球外空间，然后穿越厚厚的大气层到达地球表面，地球表面吸收这些短波辐射热量后升温，升温后的地球表面反而向大气释放长波辐射热量，这些长波热量很容易被大气中的温室气体吸收，这样就使得地球表面的大气温度升高，这种增温效应类似于栽培植物的玻璃温室，故此得名温室效应—Greenhouse effect。大气中的温室气体主要有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氯氟碳化合物及臭氧组成。它们能够吸收地球表面释放的长波辐射热量，把热量暂时保存起来，就像给地球穿上了一件保暖羽绒服。其实，这些温室气体早就存在大气层中，温室效应也早就存在了，科学家们把这种最原始的温室效应称为“天然的温室效应”。

气候反馈表明气候系统对外界向其施加的辐射强迫的响应是稳定的，水汽、温度和云等反馈都属于影响气候反馈的因素，水汽和温度垂直递减率的综合反馈对全球变暖的单一贡献最大，而云的反馈仍然是气候整体不确定性的最大来源。全球变暖导致云发生变化，其净效应放大了人为导致的变暖，副热带海洋上空的低云反馈以前是不确定性的主要来源，如今，由于综合使用了气候模式模拟、卫星观测和利用大涡模式对云的显式模拟，对这类云反馈因素的评估已经有所改进。

大气层具有温室效应并不意味着所有大气成分都对温室效应有贡献，实际上只有几种含量很少的痕量气体具有温室效，它们分别是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氯氟碳化合物及臭氧等，这几种气体在大气中所占的比例都非常小，通常被称为痕量气体。相反。大气的主要成分氮气和氧气则没有温室效应，这些气体在温室效应上的差异，主要是由于它们的分子结构决定的，温室气体的分子结构二氧化碳和一氧化二氮分子中的三个原子呈直线排列，该分子结构决定了它们没有永久性的偶极矩，因为无论从其哪一端来看都是相同的，因此，不可能有单纯的转动跃迁，也就是说没有单纯的转动能量变化。

但是，这种线性排列的分子有三种振动模态：对称拉伸、非对称拉伸和弯曲，当分子结构从基本态向任何一种振动态转化时,都需要吸收一定的能量,根据量子力学的原理,吸收或放出的能量是量子化的,也就是υ=nhυ(n=1,2,3,…)振动跃迁需要的光子频位于电磁波红外波段，如二氧化碳的振动跃迁所需要的光子波长大约在15μm附近(主要对应于三种振动模态中的弯曲模态)。虽然二氧化碳分子没有单纯的转动跃迁，但在产生振动跃迁时，会出现瞬时的偶极矩。所以，伴随着振动跃迁，也有瞬时的转动跃迁发生，这种振动-转动跃迁所吸收或放出的光子对应于一个较宽的频率带，而非一条线，水汽分子与二氧化碳的分子结构不一样，不是直线排列的，具有永久的偶极矩，所以，水汽分子除了具有振动-转动跃迁之外，还有单纯的转动跃迁，水汽有一个重要的振动-转动吸收带位于波长6.3μm 处,另有单纯的转动模态位于波长大于12μm 的红外波段。

大气层对太阳辐射（尤其是占太阳辐射大部分的可见光）基本是透明的，而对地球红外辐射基本是不透明的，这也是大气层具有温室效应的本质所在，在地球红外辐射的峰值附近（大约10μm 附近）地球红外辐射可以相对多地穿越大气层进入太空，所以，这一波段通常被称为“大气窗口"。

气候模型是研究气候的主要理论体系，根据研究的实际需要，陆续产生了大量不同种类的模型，主要有能量平衡模型（能量balance models）、辐射对流模型（radiative-convective models）统计动力模型（statistical-dynamical models）和一般环流（general circulation models）四大类，除了此种分类方法，也可依据复杂程度的不同分为：简单概念性气候模式全称为：Simple concept of climate models(SCMs)、耦合气候系统模型全称为：Coupled global climate system models(CGCMs)、复杂程度介于前两类之间的中等复杂程度的地球系统模型全称为Earth-system models of intermediate complexity(EMICs)。

箱形模型是复杂系统的简化版本，将它们简化为由通量连接的箱子（或水库）。假设这些箱子是均匀混合的。因此，在给定的箱子内，任何化学物质的浓度都是均匀的。然而，由于箱子的输入（或损失）或箱内该物种的生产、消耗或腐烂，给定箱子内化学物质的丰度可能随时间变化。箱形模型广泛用于模拟环境系统或生态系统以及海洋环流和碳循环的研究，它们是多室模型的实例。

统计动力模型考虑纬圈平均，对大型涡旋输送参数化，用来研究不同物理因子如二氧化碳、太阳常数等的作用。一般是对运动方程中的涡旋输送量进行参数化，基于经向温度梯度可以驱动大气斜压波的概念，

涡旋热通量为：

涡旋动量通量为：

式中，和分别为热量和动量传输系数，可认为是常数或为温度梯度的函数，纬向平均量用\u003c\u003e表示。

一般环流模型是最为完善的气候模式，通常需要求解一组如下的微分方程和理想气体方程：

动量守恒方程：

质量守恒方程：

能量守恒方程：

理想气体方程：

其中表示气体的密度，表示气体的压强；表示气体常数；表示气体的温度；表示连续物体的加速度；为为材料衍生物，定义为；表示气体流速；表示能量；表示质量；表示受力。这组方程描述了大气压力、密度和温度的时空变化，这就是纳维—乔治·斯托克斯方程。为了将这些方程式转化为数值形式，通常将连续的大气流体运动离散化并且将地球空间划分为经向、纬向和垂向的三维网格结构，进而采用数值积分方式对上面的偏微分方程组在连续的时间步长中进行求解。这样就可以得到每个网格上的气候参数(如温度、风)的数值。在气候模拟中，运行成本随着其复杂性、分辨率(即网格的大小)的增加而增加。此外，使用气候模式进行模拟时需 要考虑两种类型的输入数据：初始状态和外压强。目前影响外界压强的主要因素有：温室气体浓度、气溶胶浓度以及植被分布和火山爆发和在大气顶部接收的太阳能。

能量平衡模式分为零维模型和一维模型，零维模型是最简单的能量平衡模式。

零维模型

以地气联合模型为例，该模型它显示了温度对太阳常数、地球反照率或有效地球发射率变化的敏感性。有效发射率还衡量了大气温室效应的强度，因为它是逃逸到太空的热辐射与从地表发出的热辐射的比率。

地球辐射平衡的一个非常简单的模型是地气联合模型：

左侧表示来自太阳的总单射短波功率，右侧代表根据斯特凡-玻尔兹曼定律计算的来自地球的总长波功率。

常量参数包括：

是太阳常数——单位面积入射的太阳辐射——约

是地球的半径——大约

是数学常数

是斯蒂芬-玻尔兹曼常数——大约

常数可以分解出来，给出平衡的零维方程：

再求解温度，可得：

左边表示来自太阳的入射短波能量通量，右侧表示来自地球的长波能量通量，两侧单位为

是地球的平均反照率，测量值为 0.3，是地球的平均表面温度，截至2020年测量约为，是地球表面和大气（包括云）组合的有效发射率，是 0 到 1 之间的量，从平衡计算得出约为 0.61，由此推出288 K（15 °C；59 °F）的表观有效平均地球温度 。因为上式代表了地球（包括云层和大气）的有效辐射温度，对于零维处理，它相当于所有视角的平均值。

除上述模型外还存在具有分离的表面层模型和大气层相关模型，分层模型产生的温度可以更好地估计观测到的地球表面和大气水平。它们同样进一步说明了温室效应背后的辐射传热过程。使用单层模型对这种现象进行量化是由Svante Arrhenius于1896年首次发表的。无量纲模型也由功能上与地表分离的大气层构建。其中最简单的是零维单层模型，可以很容易地扩展到任意数量的大气层。表面层和大气层分别具有相应的温度和发射率值，但没有厚度，在层之间的界面处应用辐射平衡去计算。也可以通过特设灰体模型更现实的方式结合大气温室效应来增加零维模型的复杂性，现有的模型比起其他模型更加完善，其中包含一个明确的大气层，并在建模时考虑了大气层吸收和发射红外辐射的能力。

一维模型

能量平衡模型通常是一维的，一维的能量平衡模型也是大气科学模型类型之一，该模型的名称暗示了该模型的工作原理，该模型试图解释所有进入和流出某个系统（在本例中为地球）的能量。在一个简单的一维全球能量平衡模型中，唯一的变量是地球的温度，通常表示为。“平衡”一词表明系统处于平衡状态——没有能量积累。

该模型计算的是表面的温度。该模型本身旨在计算有效温度，主要围绕表面的温度或。以下用于计算

：

其中是温室增量。此时，温室增量约为33开尔文，是红外吸收效率的函数，除了大多数能量平衡模型不是全局模型，而是区域或纬度模型。因此，我们必须有一些方程或方程的一部分来解释能量从一个纬度区域到下一个纬度区域的流动。

零维模型使用太阳常数和给定的平均地球温度，确定了发射到太空的长波辐射的有效地球发射率。这可以在垂直方向上细化为一维辐射对流模型，该模型考虑了能量传输的两个过程，上流和辐射通过吸收和发射红外辐射的大气层转移，热量通过对流向上传输（在对流层下部尤其重要）。与简单模型相比，辐射对流模型具有优势：它们可以确定不同温室气体浓度对有效发射率的影响，从而确定表面温度的影响。但是需要增加参数来确定局部发射率和反照率，并解决在地球上移动能量的因素。一维辐射对流气候模型中冰反照率反馈对全球敏感性的影响。

上述零维模型使用太阳常数和给定的平均地球温度，确定了发射到太空的长波辐射的有效地球发射率。这可以在垂直方向上细化为一维辐射对流模型，该模型考虑了两个能量传输过程：通过吸收和发射红外辐射的大气层的上升流和下降流辐射传输，通过对流向上传输热量（在对流层低层尤其重要）。辐射-对流模型比简单模型具有优势：它们可以确定不同温室气体浓度对有效发射率以及表面温度的影响。但是需要添加参数来确定局部发射率和反照率，并解决在地球上移动能量的因素，冰反照率反馈对一维辐射-对流气候模型中全球敏感性的影响。

1967年，第一个真正现代意义上的气候模型由真锅淑郎等人完成，是一个辐射对流模型。 他们建立的辐射对流模型相较于以前的研究工作有四方面重大突破。

第一，该模型包含了精确测量的水汽吸收谱，如前所述，水汽分子不仅具有振动-弯曲能量跃迁，还具有转动跃迁，其吸收谱更为复杂，延伸到了远红外波段。

第二，在考虑水汽的正反馈辐射效应时，真锅淑郎使用了固定相对湿度的方案。他们根据观测的相对湿度垂直廓线，给定地表相对湿度为80%，线性递减至对流层顶的10%，在模式积分过程中，该垂直廓线保持不变。当二氧化碳加倍时，对流层大气温度升高，水汽含量也随之升高，水汽的温室效应使得大气温度进一步升高，很好地体现了水汽正反馈效应。

第三，首次在模式中加入了对流调整方案，在单纯辐射平衡条件下，对流层大气温度垂直递减率远大于干绝热温度递减率，大气层结是不稳定的，势必产生对流运动，把近地面层热量向上输送，从而使大气层结处于稳定状态。真锅淑郎使用每升高1000m温度降低6.5 °C作为大气层结稳定的判据。该对流调整方案实际上相当于一个最简单的对流参数化方案 (无云、无潜热释放)。

第四，最为关键的一点是，他们的辐射对流模型解决了大气层顶辐射能量平衡问题，阿伦尼乌斯的单层大气模式考虑了辐射能量平衡问题，但普拉斯等的多层辐射传输模式则有这方面的缺陷，他们甚至根本没有意识到这一问题。

真锅淑郎建立的辐射对流模型对理解气候变暖是一个里程碑式的工作，第一次全面解决了辐射传输的各个问题，并与对流调整相结合，建立了一个可靠的计算二氧化碳增加导致全球变暖的数值模式。

真锅淑郎辐射对流模型模拟的大气温度垂直廓线，以300ppm(每百万体积单位中所占的分量 )二氧化碳作为控制试验（黑线），当二氧化碳加倍时（红线），地表气温升高2.36 °C，而当CO2减半时（蓝线）地表气温下降2.28 °C。目前的研究中，即使人们更多地使用三维大气海洋耦合模式模拟和预估全球变暖，真锅淑郎的研究成果仍是学者们理解全球变暖的基础。

辐射对流模式把大气简化为一个铅直的大气柱，详细考虑大气内的辐射过程，考虑一维的温度垂直分布，常作为更复杂的模式的一部分，主要研究不同辐射过程的相互作用。考虑最简单的无对流调整的辐射平衡模式，

其温度变化方程为：

式中右边第一项、第二项分别代表长波辐射和短波辐射引起的温度变化。对于有对流调整的辐射平衡模式，方程 右边需要添加对流调整项，在满足对流层质量守恒条件和地表热量平衡条件下，可以得到垂直温度廓线。

EMICs模型全称为地球system models of intermediate complexity，自1995年以来一直在PIK开发。最初，它只包括气候组成部分：大气、海洋和陆地表面过程（Petoukhov 等人，2000 年）。后来，动态植被模型VECODE和冰盖组成部分SICOPOLIS已被合并。模型开发一直持续到2017年 该模型的最终版本还包括适用于超长时间尺度，永久冻土，风沙循环的海洋碳循环组件。

从一开始该模型就被用于未来和过去的模拟。特别是，CLIMBER-2已被用于模拟LGM和全新世气候，Dansgaard-Oeschger和Heinrich事件以及第四纪冰川周期。该模型的最终应用是模拟整个第四纪的气候演变（Willeit 等人，2019 年）。CLIMBER-3模型是一个2.5维的动态统计模型，分辨率为7.5°×22.5°，时间步长为半天；海洋是 MOM-3（模块化海洋模型），具有 3.75° × 3.75° 的网格和 24 个深度层。目前，已经开发和测试了同级别更先进和高分辨率的模型 CLIMBER-X 以继续研究地球系统的长期演化。

真锅淑郎和韦瑟尔德的辐射对流模式虽然考虑了单一气柱中的大气垂直运动，但只是固定了大气温度垂直递减率条件下的垂直运动(在该模式中，相对湿度也是固定的)，Budyko和Sellers的能量平衡模式虽然考虑了赤道与极地之间的热量输送，但他们使用的是热量扩散近似，而非真正意义上的大气热量输送。这些简单气候模式的另一个主要缺陷是没有考虑云对辐射传输的影响，尽管云对太阳辐射的反照率是被考虑的，随着辐射传输模式的完善，也由于计算能力的快速提高，人们开始考虑使用更真实也更复杂的模式取代简单的气候模式，这便是覆盖全球的三维大气环流模式（general circulation model，GCM），在GCM 中，需要数值求解的是三维流体动力和热力学方程，因为在这些流体方程中，各个变量都随时间变化，给定初始和边界条件之后,可以对这些方程进行时间积分。如果我们以现在的气候状况作为初始和边界条件，对时间的积分也就相当于预测未来的气候，这是GCM 优越于过去简单的气候模式的主要原因，云和降水是气候系统中非常重要的一个环节，这在GCM 中是一个自然的受大气运动控制的物理过程。

但过去的简单模式却无法反映这一过程，仍然是真锅淑郎和韦瑟尔德首先在GCM 的发展方面走出了开创性的一步,他们的GCM计算结果表明，二氧化碳浓度加倍导致全球平均地面温度升高大约3℃，Manabe和Wetherald也发现了全球气候变暖并不均匀，陆地比海洋升温要大，并且随着气候变暖，全球降水量将增加，这些结果都是先前的简单气候模式所无法做到的。

虽然更简单的模型也被用来提供全球或区域平均值对气候响应的估计，GCM这种耦合气候系统模型可能与嵌套的区域模型相结合，有可能提供地理和物理上一致的区域气候估计影响分析中需要的改变，从而满足标准。GCM使用全球三维网格描绘气候，通常具有水平分辨率在250到600公里之间，大气中有10到20个垂直层，有时为海洋中多达30层。因此，相对于大多数影响评估中的暴露单位，因此仅部分满足标准。此外，许多物理过程，例如与云相关的过程，也发生在较小的尺度上，无法正确建模。相反，它们的已知属性必须在更大的尺度上取平均值称为参数化的技术。这是基于GCM的模拟中不确定性的一个来源。 未来气候。其他涉及模型中各种反馈机制的模拟，涉及， 例如，水蒸气和变暖、云和辐射、海洋环流和冰雪反照率。简单地说，出于这个原因，由于某些流程和反馈的建模方式，GCM可以模拟对同一压力条件产生不同的响应。

大气GCM (AGCM) 模拟大气并将海面温度作为边界条件，耦合的大气-海洋 GCM（AOGCM，例如HadCM3 、 EdGCM 、 GFDL CM2.X, ARPGE-Climat) 结合了这两个模型。 1960 年代后期， NOAA地球物理流体动力学实验室 AOGCM 代表了气候模型复杂性的顶峰，并将尽可能多的过程内化。但是，它们仍在开发中，不确定性仍然存在。它们可以耦合到其他过程的模型，例如碳循环，以便更好地模拟反馈效应。这种集成的多系统模型有时被称为“地球系统模型”或“全球气候模型”。

高性能计算机的出现，对气候科学的发展和演变产生了巨大的影响，在计算机发明之前，很多学科通常使用铅笔和纸来记录观察到的现象或是记录预测，这其中其中包括气候科学，随着计算机发明并在气候科学的广泛应用，目前气候科学研究范式已发展为两个分支：一支是气候模型，它使用大气或海洋的大尺度环流模型；另一支是理想化(数理)模型，受到物理学家的钟爱，通常是为了理解气候系统演化行为中的某个关键物理现象，从物理上来看，气候模式对气候或者天气系统进行了大量的粗粒化处理，然后由所有已知物理参数和过程近似计算输出全球气候的结果。相比之下，理想化模型则更加侧重于气候的各个子系统，例如，厄尔尼诺暖流现象或者北冰洋冰等，以这种方式将问题进行分解，有助于对所涉及的动力学过程及其观测结果进行深层次的数学分析，事实上，无论在概念上还是时空尺度上，气候模型和理想化模型都存在着巨大的鸿沟，调和这个鸿沟是一项非常适合物理学家的任务，已经取得巨大进展。例如，凝聚态物理和粒子物理中尺度分离的挑战导致了重整化群的发展，将以前不同领域的概念进行了统一，重整化群的概念和方法已成功应用于流体动力学问题，这也是气候动力学的核心基础。

2021年诺贝尔物理学奖一半授予美籍日裔气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国科学家克劳斯·哈斯曼（Klaus Hasselmann）以表彰他们“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”，另一半授予意大利理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。

真锅淑郎与其合作者理查德·韦瑟尔德等的工作清晰地回答了第一个问题，首次可靠地计算了二氧化碳浓度加倍后全球温度的变化。其科学贡献主要包括两个方面：首先，通过考虑辐射平衡与对流的相互作用，并考察水汽的温室效应，可靠地预测了二氧化碳浓度加倍导致的全球变暖。第二，研发了世界上第一个考虑了三维大气环流的气候模式，从而衍生发展出现代气候模式，开启了基于地球流体动力学和热力学规律的三维气候模式的发展，在气候变化研究中发挥了无可替代的作用。

克劳斯·哈斯曼在气候领域的学术贡献主要包括：首先，提出了描述气候系统的随机气候模型，把长时间尺度的气候变率解释为短时间尺度的天气过程的“累积”，从而在混沌随机的天气过程和慢变的气候状态之间架起了桥梁，解释了气候系统低频内部变率的成因。第二，提出包括温室气体在内的外部影响因子会在气候系统中留下特定的“指纹”，通过分离出这种指纹，可以检测出人类活动引起的气候变化。这是开展气候变化检测归因研究的理论基础。哈塞尔曼的两项成就，一是解释气候系统低频内部变率的成因，二是提炼气候变化信息的工具，这对于我们定量估算人类活动在气候变化中的贡献来说都是不可或缺的。正是基于检测归因技术，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告得出结论，“毋庸置疑，人为影响正在使得大气、海洋和陆地变暖。2010-2019年相对于1850-1900年，人为导致的总的全球表面温度变化最佳估计为1.07°C。”

政府间气候变化专门委员会IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）始建于 1988年，旨在提供有关气候变化的科学技术和社会经济认知状况、气候变化原因、潜在影响和应对策略的综合评估。目前IPCC正处于第六个评估周期，自1988年成立以来，IPCC已编写了五套多卷册评估报告，这些报告可在“报告”标签下调阅，IPCC和美国前副总统阿尔•戈尔荣获了2007年诺贝尔和平奖，以表彰他们在气候变化方面所做的工作。

在第六个评估周期内，IPCC将编写三份特别报告和一份国家温室气体清单方法报告，目前正在编写第六次评估报告（AR6）。2016年4月举行的IPCC第四十三次届会商定，AR6综合报告将于2022年完成，及时提供给第一次UNFCCC全球盘点，届时各国将审查其在实现全球变暖远低于2°C的目标方面取得的进展情况，同时努力将其限制在1.5°C。AR6三个工作组的报告将于2021年编写完成。

除了编写评估报告外，IPCC还发布了一些特定主题的特别报告，诸如：极端事件和灾害、可再生能源、全球升温1.5ºC的影响及相关的排放路径、海洋与冰冻圈、以及土地利用等主题。可在“报告”标签下调阅这些报告。在第六个评估周期中，在2018年10月至2019年9月期间IPCC已完成了三份特别报告，分别为《全球升温1.5°C》《气候变化与土地》《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告（SROCC）》。

中国气象局是国务院直属事业单位。它的前身是中央军委气象局，成立于1949年12月。1994年由国务院直属机构改为国务院直属事业单位后，经国务院授权，承担全国气象工作的政府行政管理职能，负责全国气象工作的组织管理。该组织门类齐全、布局基本合理的现代化大气综合观测系统；基本组成了由天气预报、气候预测、人工影响天气、干旱监测与预报、雷电防御、农业气象与生态、气候资源开发利用等构成的气象服务体系，气象服务领域涉及工业、农业、渔业、商业、能源、交通、运输、建筑、林业、水利、国土资源、海洋、盐业、环保、旅游、航空、邮电、保险、消防等多个行业和部门。

NCAR全称为NATIONAL CENTER FOR ATMOSPHERIC RESEARCH，是由美国国家科学基金会于1960年成立，旨在为大学社区提供世界级设施和服务。NCAR为大气和相关地球系统科学界提供最先进的资源，包括超级计算机，研究飞机，复杂的计算机模型和广泛的数据集。

NCAR的科学家还深入研究基础研究问题，制作了大量的科学出版物，有助于引领更广泛的地球系统科学界。除此之外NCAR还提供丰富的教育和外展机会，从早期职业科学家的奖学金到免费的公开讲座再到科学研讨会。NCAR作为NSF第一个由联邦政府资助的研发中心，一直由大学大气研究公司管理，这是一个由120多所学院和大学组成的非营利性联盟。其总部位于科罗拉多州博尔德，在怀俄明州和夏威夷设有其他设施。

GFDL全称为Geophysical Fluid 动力学 Laboratory，GFDL专注于全面的长期研究，这对于推进对控制大气、海洋、陆地和冰成分行为及其与生态系统相互作用的物理、动力、化学和生物地球化学过程的科学理解至关重要。GFDL的科学家开发和使用地球系统模型和计算机模拟，以提高我们对气候系统各个方面的理解和预测。GFDL科学家专注于与社会相关的模型构建，飓风研究，天气和海洋预测，季节性预测，了解区域和全球气候变化等。自1955年以来，GFDL开创了世界上许多关于气候变化建模的研究。

GFDL的研究包括全球和区域气候的可预测性和敏感性;大气、海洋、海冰和陆地的结构、可变性、动态和相互作用;以及大气、海洋和陆地影响的方式，并受各种微量成分的影响。这门科学融合了各种学科，包括气象学、海洋学、水文学、经典物理学、流体动力学、化学、应用数学和数值分析。

马克斯·普朗克气象研究所（Max Planck Institute for Meteorology）于1975年在汉堡包成立。从那时起，该研究所的科学家一直在研究物理，化学和生物过程以及人类行为如何导致全球和区域气候变化。科学家们开发了数值模型和测量方法来解释大气，海洋和生物圈的自然变化，并评估土地利用变化，工业发展，城市化和其他人类影响的影响。他们与耶拿的马克斯·普朗克生物地球化学研究所和美因茨的马克斯普朗克化学研究所一起，努力更好地了解决定大气中温室和其他痕量气体浓度的化学和生物因素，以及它们如何与陆地和海洋生物圈相互作用。

英国气象局的哈德利气候科学与服务中心（Met Office Hadley Centre for Climate Science and Services）是英国最重要的气候变化研究中心之一，其目标是为个人和组织提供气候科学和服务，以便他们能够做出更好的决策。哈德利气候科学与服务中心有很多研究目的，包括：监测气候变化、确定这些更改的原因、与最终用户一起开发服务，以找到管理气候风险的有效方法，自1990年成立以来，哈德利中心已被公认为气候科学和服务的全球首选合作伙伴，哈德利气候科学与服务中心的科学家与来自1个国家700,138多个机构的国际研究人员合作。