Los modelos teóricos del sistema climático de la Tierra se pueden utilizar para investigar la respuesta del clima al forzamiento radiativo externo, así como su propia variabilidad interna.
Dos o más modelos que se centran en diferentes procesos físicos se pueden acoplar o vincular mediante una característica común, como la ubicación geográfica.
Los modelos climáticos varían considerablemente en su grado de complejidad.
Los modelos más simples de balance energético describen la superficie de la Tierra como una capa globalmente uniforme cuya temperatura está determinada por un balance de radiación entrante y saliente de onda corta y onda larga.
Estos modelos simples también pueden considerar los efectos de los gases de efecto invernadero.
En el otro extremo del espectro se encuentran modelos climáticos globales tridimensionales totalmente acoplados. Estos son modelos complejos que resuelven el equilibrio radiativo; para leyes de movimiento que gobiernan la atmósfera, el océano y el hielo; y para intercambios de energía e impulso dentro y entre los diferentes componentes del clima.
En algunos casos, los modelos climáticos teóricos también incluyen una representación interactiva de la biosfera y el ciclo del carbono de la Tierra.
Incluso los modelos climáticos más detallados no pueden resolver todos los procesos que son importantes en la atmósfera y el océano.
La mayoría de los modelos climáticos están diseñados para medir el comportamiento de una serie de variables físicas en el espacio y el tiempo, y a menudo dividen artificialmente la superficie de la Tierra en una cuadrícula de muchas «células» del mismo tamaño.
Cada célula puede corresponder perfectamente a algún proceso físico (como como la temperatura del aire cerca de la superficie del verano) u otra variable (como el tipo de uso de la tierra), y se le puede asignar un valor relativamente sencillo.
Los llamados procesos de «escala de subcuadrícula», como los de las nubes, son demasiado pequeños para ser capturados por el espacio relativamente grueso de las celdas de la cuadrícula individual.
En cambio, tales procesos deben representarse a través de un proceso estadístico que relacione las propiedades de la atmósfera y el océano.
Por ejemplo, la fracción promedio de la capa de nubes sobre un hipotético «cuadro de cuadrícula» (es decir, un volumen representativo de aire o agua en el modelo) se puede estimar a partir de la humedad relativa promedio y el perfil de temperatura vertical de la celda de la cuadrícula.
Las variaciones en el comportamiento de los diferentes modelos climáticos acoplados surgen en gran parte de las diferencias en las formas en que los procesos a escala de cuadrícula se expresan matemáticamente.
A pesar de estas simplificaciones requeridas, muchos modelos climáticos teóricos funcionan notablemente bien al reproducir características básicas de la atmósfera, como el comportamiento de las corrientes en chorro de latitudes medias o la circulación de células Hadley.
Los modelos también reproducen adecuadamente características importantes de los océanos, como la Corriente del Golfo.
Además, los modelos están en mejores condiciones para reproducir los patrones principales de variabilidad climática interna, como los de El Niño / Oscilación del Sur (ENOS).
En consecuencia, los eventos periódicos recurrentes, como ENOS y otras interacciones entre la atmósfera y las corrientes oceánicas, se modelan con una confianza cada vez mayor.
Los modelos climáticos han sido probados en su capacidad para reproducir los cambios observados en respuesta al forzamiento radiativo.
En 1988, un equipo del de Estudios Espaciales de la NASA en la ciudad de Nueva York utilizó un modelo climático bastante primitivo para predecir los patrones de calentamiento que podrían ocurrir en respuesta a tres escenarios diferentes de forzamiento radiativo antropogénico.
Se pronosticaron patrones de calentamiento para las décadas posteriores. De los tres escenarios, el del medio, que corresponde más estrechamente a las emisiones históricas reales de carbono, se acerca más al ajuste del calentamiento observado de aproximadamente 0.5 ° C que ha tenido lugar desde entonces.
El equipo de la NASA también utilizó un modelo climático para predecir con éxito que la temperatura media global de la superficie se enfriaría en aproximadamente 0.5 ° C durante uno o dos años después de la erupción de 1991 del Monte Pinatubo en Filipinas.
Más recientemente, se han realizado los llamados estudios de «detección y atribución». Estos estudios comparan los cambios pronosticados en la temperatura del aire cerca de la superficie y otras variables climáticas con los patrones de cambio que se han observado durante los últimos uno o dos siglos.
Las simulaciones han demostrado que los patrones observados de calentamiento de la superficie de la Tierra y los océanos superiores, así como los cambios en otros fenómenos climáticos, como los vientos predominantes y los patrones de precipitación, son consistentes con los efectos de una influencia antropogénica predicha por los modelos climáticos.
Además, las simulaciones de modelos climáticos han demostrado éxito en la reproducción de la magnitud y el patrón espacial de enfriamiento en el hemisferio norte entre aproximadamente 1400 y 1850, durante la Pequeña Edad de Hielo, que parece haber sido el resultado de una combinación de disminución de la producción solar y aumento de explosiones consecuencia de la actividad volcánica.