隨著輻射傳輸模式的完善，也由于計算能力的快速提高，人們開始考慮使用更真實也更復雜的模式取代簡單的氣候模式。這便是覆蓋全球的三維大氣環(huán)流模式(general circulation model，GCM)。在GCM中，需要數(shù)值求解的是三維流體動力和熱力學方程，因為在這些流體方程中，各個變量都隨時間變化，給定初始和邊界條件之后，可以對這些方程進行時間積分。如果我們以現(xiàn)在的氣候狀況作為初始和邊界條件，對時間的積分也就相當于預測未來的氣候。仍然是Manabe和Wetherald首先在GCM 的發(fā)展方面走出了開創(chuàng)性的一步。他們的GCM計算結(jié)果表明，CO2加倍將導致全球平均地面溫度升高大約3℃。

20世紀80年代以來，世界各國的主要氣候研究機構(gòu)都紛紛發(fā)展各自的GCM。美國哥達德空間研究所氣候?qū)W家翰森為首的團隊也較早地發(fā)展了他們的GCM，并利用該GCM廣泛地研究了氣候系統(tǒng)中的各種反饋機制,指出了云-輻射的反饋機制在氣候變化中起著重要的作用。他們的另一個重要貢獻是海洋由于其較大的熱容量(熱力慣性),將推遲全球變暖的出現(xiàn)，也就是地表氣溫的增加將落后于CO2增加達幾十到上百年。這與實際結(jié)果基本一致，CO2在工業(yè)革命時就開始增加，而全球變暖基本是從20世紀70年代開始的。