地球大气是三维运动的流体，通过三维大气运动把太阳辐射能量和地球红外辐射能量在全球重新分布，大气运动也同时输送动量、水汽和其他化学物质。很难想象一个没有考虑大气三维运动的气候模式能够反映地球气候的真实状况。Manabe和Wetherald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Manabe和Wetherald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，CO2加倍将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。

鉴于GCM为气候变化研究和预测提供了广阔的前景，20世纪80年代以来，世界各国的主要气候研究机构都纷纷发展各自的GCM。美国哥达德空间研究所气候学家翰森为首的团队也较早地发展了他们的GCM，并利用该GCM广泛地研究了气候系统中的各种反馈机制,指出了云-辐射的反馈机制在气候变化中起着重要的作用。他们的另一个重要贡献是海洋由于其较大的热容量(热力惯性),将推迟全球变暖的出现，也就是地表气温的增加将落后于CO2增加达几十到上百年。这与实际结果基本一致，CO2在工业革命时就开始增加，而全球变暖基本是从20世纪70年代开始的。