地球大氣是三維運動的流體，通過三維大氣運動把太陽輻射能量和地球紅外輻射能量在全球重新分布，大氣運動也同時輸送動量、水汽和其他化學物質(zhì)。很難想象一個沒有考慮大氣三維運動的氣候模式能夠反映地球氣候的真實狀況。Manabe和Wetherald的輻射對流模式雖然考慮了單一氣柱中的大氣垂直運動，但只是固定了大氣溫度垂直遞減率條件下的垂直運動(在該模式中，相對濕度也是固定的)。Budyko和Sellers的能量平衡模式雖然考慮了赤道與極地之間的熱量輸送，但他們使用的是熱量擴散近似，而非真正意義上的大氣熱量輸送。這些簡單氣候模式的另一個主要缺陷是沒有考慮云對輻射傳輸?shù)挠绊懀M管云對太陽輻射的反照率是被考慮的。

隨著輻射傳輸模式的完善，也由于計算能力的快速提高，人們開始考慮使用更真實也更復(fù)雜的模式取代簡單的氣候模式。這便是覆蓋全球的三維大氣環(huán)流模式(general circulation model，GCM)。在GCM中，需要數(shù)值求解的是三維流體動力和熱力學方程，因為在這些流體方程中，各個變量都隨時間變化，給定初始和邊界條件之后，可以對這些方程進行時間積分。如果我們以現(xiàn)在的氣候狀況作為初始和邊界條件，對時間的積分也就相當于預(yù)測未來的氣候。這是GCM優(yōu)越于過去簡單的氣候模式的主要原因。云和降水是氣候系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，這在GCM 中是一個自然的受大氣運動控制的物理過程,但過去的簡單模式卻無法反映這一過程。仍然是Manabe和Wetherald首先在GCM 的發(fā)展方面走出了開創(chuàng)性的一步。他們的GCM計算結(jié)果表明，CO2加倍將導(dǎo)致全球平均地面溫度升高大約3℃。Manabe和Wetherald也發(fā)現(xiàn)了全球氣候變暖并不均勻，陸地比海洋升溫要大，并且隨著氣候變暖，全球降水量將增加，這些結(jié)果都是先前的簡單氣候模式所無法做到的。

鑒于GCM為氣候變化研究和預(yù)測提供了廣闊的前景，20世紀80年代以來，世界各國的主要氣候研究機構(gòu)都紛紛發(fā)展各自的GCM。美國哥達德空間研究所氣候?qū)W家翰森為首的團隊也較早地發(fā)展了他們的GCM，并利用該GCM廣泛地研究了氣候系統(tǒng)中的各種反饋機制,指出了云-輻射的反饋機制在氣候變化中起著重要的作用。他們的另一個重要貢獻是海洋由于其較大的熱容量(熱力慣性),將推遲全球變暖的出現(xiàn)，也就是地表氣溫的增加將落后于CO2增加達幾十到上百年。這與實際結(jié)果基本一致，CO2在工業(yè)革命時就開始增加，而全球變暖基本是從20世紀70年代開始的。