當(dāng)氣候科學(xué)進(jìn)入20世紀(jì)之后，它的發(fā)展極大地得益于物理學(xué),尤其是物理學(xué)中關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)以及量子力學(xué)的發(fā)展極大地促進(jìn)了人們對(duì)氣體分子吸收譜(分子光譜)的理解。這些物理學(xué)理論告訴我們，一種氣體分子的吸收譜是由其分子結(jié)構(gòu)決定的(如CO2和水汽的分子結(jié)構(gòu)決定了它只吸收和放出紅外波段的電磁波)，吸收譜中的每一根吸收線實(shí)際上是該分子在兩個(gè)振動(dòng)態(tài)之間的能量差，是量子化選擇性吸收的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,溫室氣體的吸收譜也在實(shí)驗(yàn)室得到了廣泛和準(zhǔn)確的測(cè)量。

另一個(gè)對(duì)氣候?qū)W發(fā)展具有重要貢獻(xiàn)的是天文學(xué)領(lǐng)域輻射傳輸理論的發(fā)展和完善。在20世紀(jì)初期，天文學(xué)家和天體物理學(xué)家出于對(duì)恒星結(jié)構(gòu)以及恒星內(nèi)部能量的徑向輻射和對(duì)流的研究興趣，建立了輻射傳輸?shù)幕纠碚?，這方面的代表性工作是施瓦氏在1906年發(fā)表的論文。在該論文中，施瓦氏給出了輻射傳輸?shù)幕痉匠?還有一些天文和天體物理學(xué)家為了解釋地球大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射傳輸?shù)挠绊懞托Ｕ?yáng)輻射的地面觀測(cè)結(jié)果，也開(kāi)始研究太陽(yáng)輻射在地球和太陽(yáng)系行星大氣中的傳輸問(wèn)題。一個(gè)代表性工作是Frank Very在1908年發(fā)表的論文。他們已開(kāi)始用多層大氣的模型來(lái)研究輻射傳輸問(wèn)題，而非像阿倫尼烏斯那樣的一層大氣模式。著名天體物理學(xué)家錢(qián)德拉塞卡在1950年發(fā)表了他的關(guān)于輻射傳輸?shù)闹鳎瑥亩到y(tǒng)地建立了輻射傳輸理論。

到了20世紀(jì)50年代，已經(jīng)有了更為準(zhǔn)確的CO2吸收譜的數(shù)據(jù)，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也為準(zhǔn)確地計(jì)算多層大氣輻射傳輸和CO2吸收譜的積分提供了有效的計(jì)算工具(需要指出的是，即使現(xiàn)代的巨型計(jì)算機(jī)比半個(gè)世紀(jì)前的計(jì)算速度和存儲(chǔ)空間大了許多，對(duì)輻射傳輸和輻射譜的積分仍然是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間或加快計(jì)算速度，現(xiàn)代氣候模式采用的仍然是近似的帶模式，而非對(duì)數(shù)百萬(wàn)條吸收線進(jìn)行逐線積分)。這些為更準(zhǔn)確地計(jì)算氣候?qū)O2的敏感性提供了條件。在這一背景下，美國(guó)學(xué)者普拉斯首先使用了更為準(zhǔn)確的CO2吸收譜和多層大氣輻射傳輸模式來(lái)計(jì)算CO2變化對(duì)氣候的影響。他的結(jié)果表明，CO2加倍將造成地面增溫大約3—6℃，這說(shuō)明阿倫尼烏斯的計(jì)算結(jié)果僅代表了氣候?qū)O2敏感性范圍的上邊界。

雖然普拉斯的計(jì)算結(jié)果比阿倫尼烏斯的結(jié)果更為可靠，但普拉斯對(duì)地面輻射能量平衡的解釋存在錯(cuò)誤。在普拉斯的計(jì)算中，假定了CO2增加僅造成地面溫度的升高，而大氣層溫度是不變的，其結(jié)果將造成大氣層頂入射和向外輻射的不平衡。實(shí)際上，在大氣中CO2增加之后，大氣對(duì)流層的溫度必將升高，正是由于大氣對(duì)流層在較高溫度下向下輻射紅外能量的增加才造成了地面溫度的升高，而在大氣層頂，入射的太陽(yáng)輻射和出射的地-氣系統(tǒng)能量應(yīng)該是平衡的。

在普拉斯的計(jì)算中，還沒(méi)有很好地考慮水汽的吸收譜,因?yàn)槟菚r(shí)還沒(méi)有完整的水汽吸收譜的測(cè)量結(jié)果。這主要是因?yàn)樗募t外吸收譜比CO2的要復(fù)雜得多,并且延伸到遠(yuǎn)紅外波段。另外，普拉斯的計(jì)算也沒(méi)有考慮大氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)CO2增加使地面增溫之后，近地面層大氣密度變小。將產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，空氣的上升將把大氣低層的熱量帶到對(duì)流層高層，完成上下層大氣之間的熱量交換，從而改變大氣的熱力結(jié)構(gòu)。這些問(wèn)題直到20世紀(jì)60年代后期才由Manabe和Wetherald解決。他們?cè)O(shè)計(jì)了更為真實(shí)的輻射傳輸模式，并充分考慮了水汽的吸收譜以及水汽的反饋?zhàn)饔?。他們最為重要的貢獻(xiàn)是考慮了大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，并清楚地解釋了在地面和大氣層頂?shù)妮椛淦胶鈫?wèn)題。正因?yàn)槿绱?，人們才認(rèn)為是Manabe和Wetherald的工作真正把全球變暖的問(wèn)題推向了現(xiàn)代。半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，他們的論文仍然是我們認(rèn)識(shí)全球變暖最基礎(chǔ)的參考文獻(xiàn)。

在Manabe和Wetherald構(gòu)建輻射對(duì)流模式之后不久，前蘇聯(lián)氣候?qū)W家Budyko和美國(guó)氣候?qū)W家Sellers分別獨(dú)立地提出了氣候能量平衡模式，他們引入了冰-雪反照率的正反饋機(jī)制，并考慮了赤道與極地之間的熱量輸送問(wèn)題。在他們的模式中，準(zhǔn)確的大氣輻射傳輸并不是他們關(guān)心的重點(diǎn)，所以，他們采用的是近似的灰體大氣來(lái)代替輻射傳輸計(jì)算，在考慮赤道與極地?zé)崃枯斔蜁r(shí)，沒(méi)有使用真實(shí)的三維大氣運(yùn)動(dòng)中的熱量輸送，而是用熱量擴(kuò)散的方案來(lái)代替，這些近似保證了他們構(gòu)建的氣候模式是簡(jiǎn)單的，并且可以簡(jiǎn)明而定量地揭示氣候系統(tǒng)在冰-雪正反饋機(jī)制作用下的不穩(wěn)定性和氣候平衡態(tài)問(wèn)題。根據(jù)他們的模式，氣候系統(tǒng)在相同的太陽(yáng)輻射條件下可以出現(xiàn)三種氣候態(tài)：(1)兩極沒(méi)有冰蓋的溫暖氣候,如6500萬(wàn)年前的恐龍時(shí)代；(2)兩極存在冰蓋的溫和氣候；(3)全球完全被冰封的冰雪地球氣候。其中第一種和第三種氣候態(tài)是穩(wěn)定的氣候態(tài)，而第二種是不穩(wěn)定的氣候態(tài)，在外強(qiáng)迫或氣候系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)的作用下，冰-雪正反饋機(jī)制很容易導(dǎo)致該氣候態(tài)向第一種或第三種氣候態(tài)轉(zhuǎn)化。長(zhǎng)期以來(lái)，第三種氣候態(tài)一直被認(rèn)為是該簡(jiǎn)單模式的數(shù)學(xué)解，并沒(méi)有物理或現(xiàn)實(shí)上的意義。但近10年來(lái)的研究表明，全球性冰封的冰雪地球氣候有可能在25億年前和7億年前出現(xiàn)過(guò)。