Perubahan iklim masa depan selama abad ke-21 tidak bisa begitu saja diekstrapolasi dari iklim masa lalu. Proses non-linier harus diperhitungkan, bersama dengan berbagai jalur konsentrasi gas rumah kaca dan aerosol masa depan yang masuk akal. Alat terbaik untuk memproyeksikan perubahan iklim adalah model iklim global (GCM). Model iklim merupakan persamaan yang dapat menjelaskan perubahan dinamika sistem iklim pada atmosfer, aspek fisika, kimia dan biologi yang saling berinteraksi mempengaruhi. GCM merepresentasikan atmosfer dan lautan pada kisi tiga dimensi, dengan resolusi atmosfer tipikal 200 km, dengan 20 hingga 50 level di vertikal. Model secara eksplisit mewakili fitur atmosfer sinoptik skala besar, seperti perkembangan sistem tekanan tinggi dan rendah, dan arus samudra skala besar dan pembalikan. Namun banyak proses fisik penting terjadi pada skala spasial yang lebih halus. Contohnya termasuk proses radiasi dan presipitasi, pembentukan awan dan turbulensi atmosfer dan samudera. Dampak dari proses tersebut dimasukkan dalam 'parameterisasi', di mana efeknya diekspresikan dalam bentuk perkiraan pada model grid yang lebih kasar. Parameterisasi biasanya merupakan hasil dari studi teoritis dan observasi intensif, dan pada dasarnya mewakili 'sub-model' dalam model iklim itu sendiri. Model iklim telah mengalami pengembangan berkelanjutan selama tiga dekade terakhir, dan sekarang menggabungkan interaksi antara atmosfer, lautan, es laut, dan permukaan tanah.