Sự mô tả bằng số của hệ thống khí hậu và diễn giải tất cả hoặc một phần các thuộc tính lý, hóa và sinh của các thành phần của nó cùng quá trình tương tác và phản hồi của các thành phần này.

Hệ thống khí hậu có thể được mô tả bằng các mô hình có độ phức tạp và tính chất khác nhau (ví dụ khác nhau về số chiều không gian, về loại hình và độ chi tiết của các qúa trình lý, hóa hoặc sinh học v.v.). Các mô hình kép hoàn lưu chung khí quyển-đại dương (AOGCM) có thể miêu tả một cách tương đối chi tiết hệ thống khí hậu, một số mô hình phức tạp hơn xem xét cả các quá trình hóa học và sinh học.

Các mô hình khí hậu được áp dụng như một công cụ để nghiên cứu và mô phỏng khí hậu, nhưng đồng thời cũng phục vụ cho các mục đích tác nghiệp, như dự báo khí hậu theo tháng, mùa và nhiều năm.