气候模型是对气候系统的数学表征，通过计算机运算模拟其行为。模型描述地球大气层、海洋、陆地表面和冰之间的相互作用，复杂程度从简化的全球计算到三维模拟不等。它们用于研究物理过程、解释过去和当前的气候状况，并在对外部影响作出特定假设的条件下，探索可能发生的气候变化。(gfdl.noaa.gov)
物理与数值基础
综合性气候模型遵循能量、质量和动量守恒定律。它们计算温度、风、湿度和洋流等变量的演变，同时在各组成部分之间交换热量、水和动量。这种耦合使一个组成部分的变化能够影响其他部分，而不是将大气和海洋视为彼此独立的系统。(gfdl.noaa.gov)
描述系统演变的偏微分方程通过数值方法近似求解。模型将全球划分为水平网格和垂直层，并按连续的时间步长推进计算。分辨率决定了哪些空间特征可以被直接表示。更精细的网格通常能够提供更多细节，但也需要更多计算和计算资源；大气与海洋组成部分不必使用相同的网格。(ipcc.ch)
对于尺度小于网格间距，或过于复杂而无法显式计算的过程，需要采用参数化。这些数学方案估算此类过程对模型可解析变量的总体影响，例如云微物理、湍流混合以及对流的某些过程。参数化以物理原理和观测证据为依据，但也引入了方案选择及其不确定性，不能仅靠提高计算能力来消除。(gfdl.noaa.gov)
气候模型的类型
气候建模采用由不同复杂程度模型构成的层级体系，而非单一的首选设计。简单的能量平衡模型描述吸收的太阳辐射、向外发射的辐射与温度之间的关系，有时也包含简化的热量输送。它们对计算资源的需求较低，因此适合用于研究基本机制和探索多种假设，但无法再现详细的环流。中等复杂程度的模型保留更多过程，同时简化其他过程，从而能够开展跨越极长时间尺度的模拟。(archive.ipcc.ch)
大气或海洋环流模型以三维方式描述大气或海洋的运动。耦合版本将这些组成部分与陆地和海冰连接起来。地球系统模型在这一框架上进一步纳入其他相互作用，尤其是碳循环以及生物或化学过程。这类模型能够描述大气、海洋与生物圈之间的碳交换，并使这些交换随气候变化而变化。(ipcc.ch)
区域气候模型以较高的分辨率模拟有限区域，通常从全球模型获取边界信息。它们能够更好地表示海岸线、山地和局地环流。不过，其结果仍取决于驱动它们的全球模拟及其自身的物理假设。(ipcc.ch)
试验、预测与预估
气候模型可作为试验工具：研究人员改变选定的影响因素，同时保持其他因素不变，以研究这些因素的作用。标准试验包括历史模拟、在固定的工业化前条件下进行的长期控制试验，以及二氧化碳浓度按理想化方式增加的试验。统一协调的试验规范使不同建模团队的输出更便于比较。(wcrp-climate.org)
未来预估需要设定温室气体、空气污染物和土地利用的变化路径。这些输入影响辐射强迫及随后的气候响应。预估以所采用的情景为条件，并不意味着某种特定的社会经济未来必然发生。情景提供的是不同的备选假设，而不会自动给出这些假设各自的发生概率。(ipcc.ch)
气候预估不同于对单次天气事件的预报。长期模拟研究的是分布、季节特征和极端事件的变化，而不是几十年后每日天气的确切先后顺序。季节至年代际预测还利用观测到的初始状态，捕捉可能具有可预测性的自然波动，包括厄尔尼诺—南方涛动和海洋热含量的变化。(metoffice.gov.uk)
评估与协调比较
模型评估考察一项模拟是否适合某个特定的科学目的。相关检验既关注模型对物理过程的表示，也关注模拟与观测的一致程度。任何单一的性能评分都无法证明模型对所有变量、区域或时间尺度都可靠。模型调参是在物理和观测允许的范围内调整不确定的参数；因此，与调参目标相符并不等同于通过独立评估。(ipcc.ch)
耦合模式比较计划协调各机构开展共同试验、编制文档并进行比较。其模拟为政府间气候变化专门委员会的评估提供了重要证据。模型间比较能够揭示模型之间的差异，而不要求它们采用完全相同的结构或参数化方案。(wcrp-climate.org)
不确定性与区域解读
预估的不确定性主要来自三个方面：未来强迫情景的不确定性、模型所模拟的气候响应之间的差异，以及内部变率。即使外部影响不变，耦合系统内部也会产生内部变率。这三类来源的相对重要性取决于所研究的变量、空间尺度和预测时距；短期区域变化可能受到自然波动的强烈影响。(ipcc.ch)
集合包含多次模拟。初始条件集合通过改变起始状态来研究内部变率；多模型集合则通过采用不同模型，考察模型构建方式的差异。集合成员之间的离散程度能够提供有用信息，但既不是不确定性的完整度量，也不会自动构成经过校准的概率分布。模型共有的误差和采样不充分，都可能限制对集合结果的解读。(ipcc.ch)
降尺度通过动力模拟或基于统计学的方法，将大尺度信息转换为区域尺度的细节。偏差订正可以改善模拟分布与观测分布的一致程度，但无法弥补缺失的物理机制。同样，更高的分辨率也不保证更高的准确性：要对区域结果作出可信的解读，还需要恰当的过程描述、强迫输入，以及针对预期用途开展的评估。(ipcc.ch)