기후시스템의 요소, 그들간의 상호 작용 및 되먹임 과정의 물리적, 화학적, 생물학적 특성에 근거하여 기후시스템을 수치적으로 표현한 것. 기후시스템의 알려진 특성 중 전부 또는 일부를 고려한다. 기후시스템은 복잡한 특성이 시시각각으로 변하는 모델들에 의해 표현될 수 있다. 즉, 공간적인 차원의 수, 물리적·화학적·생물학적 과정이 명시적으로 표현된 정도, 또는 경험적 매개변수화가 포함된 수준과 같은 관점에서 어느 하나의 요소 또는 요소들의 결합에 대해 모델의 체계가 동질화할 수도 있고 달라질 수도 있다. 대기-해양-해빙 결합 대기대순환모델(AOGCMs)들은 기후시스템을 포괄적으로 묘사하며 현실에 가까운 화학 및 생물학 개념이 들어간 좀더 복잡한 모델 쪽으로 발전해 가고 있다. 기후모델들은 기후를 연구하고 모의하기 위하여 연구 도구로서 응용되고 있지만, 월간, 기간 및 연간 기후예측 등 현실적인 목적을 위해서도 응용되고 있다.