当气候科学进入20世纪之后，它的发展极大地得益于物理学,尤其是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。这些物理学理论告诉我们，一种气体分子的吸收谱是由其分子结构决定的(如CO2和水汽的分子结构决定了它只吸收和放出红外波段的电磁波)，吸收谱中的每一根吸收线实际上是该分子在两个振动态之间的能量差，是量子化选择性吸收的结果。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。

另一个对气候学发展具有重要贡献的是天文学领域辐射传输理论的发展和完善。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，这方面的代表性工作是施瓦氏在1906年发表的论文。在该论文中，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。一个代表性工作是Frank Very在1908年发表的论文。他们已开始用多层大气的模型来研究辐射传输问题，而非像阿伦尼乌斯那样的一层大气模式。著名天体物理学家钱德拉塞卡在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。

到了20世纪50年代，已经有了更为准确的CO2吸收谱的数据，先进的计算机的出现也为准确地计算多层大气辐射传输和CO2吸收谱的积分提供了有效的计算工具(需要指出的是，即使现代的巨型计算机比半个世纪前的计算速度和存储空间大了许多，对辐射传输和辐射谱的积分仍然是一项复杂的工作。为了节约计算时间或加快计算速度，现代气候模式采用的仍然是近似的带模式，而非对数百万条吸收线进行逐线积分)。这些为更准确地计算气候对CO2的敏感性提供了条件。在这一背景下，美国学者普拉斯首先使用了更为准确的CO2吸收谱和多层大气辐射传输模式来计算CO2变化对气候的影响。他的结果表明，CO2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CO2敏感性范围的上边界。

虽然普拉斯的计算结果比阿伦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CO2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入射和向外辐射的不平衡。实际上，在大气中CO2增加之后，大气对流层的温度必将升高，正是由于大气对流层在较高温度下向下辐射红外能量的增加才造成了地面温度的升高，而在大气层顶，入射的太阳辐射和出射的地-气系统能量应该是平衡的。

在普拉斯的计算中，还没有很好地考虑水汽的吸收谱,因为那时还没有完整的水汽吸收谱的测量结果。这主要是因为水汽的红外吸收谱比CO2的要复杂得多,并且延伸到远红外波段。另外，普拉斯的计算也没有考虑大气的垂直对流运动。当CO2增加使地面增温之后，近地面层大气密度变小。将产生上升运动，空气的上升将把大气低层的热量带到对流层高层，完成上下层大气之间的热量交换，从而改变大气的热力结构。这些问题直到20世纪60年代后期才由Manabe和Wetherald解决。他们设计了更为真实的辐射传输模式，并充分考虑了水汽的吸收谱以及水汽的反馈作用。他们最为重要的贡献是考虑了大气的对流运动，并清楚地解释了在地面和大气层顶的辐射平衡问题。正因为如此，人们才认为是Manabe和Wetherald的工作真正把全球变暖的问题推向了现代。半个世纪过去了，他们的论文仍然是我们认识全球变暖最基础的参考文献。

在Manabe和Wetherald构建辐射对流模式之后不久，前苏联气候学家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。在他们的模式中，准确的大气辐射传输并不是他们关心的重点，所以，他们采用的是近似的灰体大气来代替辐射传输计算，在考虑赤道与极地热量输送时，没有使用真实的三维大气运动中的热量输送，而是用热量扩散的方案来代替，这些近似保证了他们构建的气候模式是简单的，并且可以简明而定量地揭示气候系统在冰-雪正反馈机制作用下的不稳定性和气候平衡态问题。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。长期以来，第三种气候态一直被认为是该简单模式的数学解，并没有物理或现实上的意义。但近10年来的研究表明，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。