Faits:
A. Le 22 mars 2012, le Grand Conseil du canton de Genève a adopté la loi 10816 modifiant la loi du 18 décembre 1987 d'application de la législation fédérale sur la circulation routière (LaLCR; RS/GE H 1 05), qui a la teneur suivante:
Art. 1 Modifications
La loi d'application de la législation fédérale sur la circulation routière, du 18 décembre 1987, est modifiée comme suit:
Section 3 du Chapitre II Stationnement à usage public des véhicules
(nouvelle, la section 3 ancienne devenant la section 4 comprenant l'art. 8)
Art. 7 Principes (nouveau, l'art. 7 ancien devant l'art. 7C)
1 Afin d'assurer une accessibilité optimale sur le territoire cantonal, en complémentarité avec les transports publics, la mobilité douce, et en tenant compte de l'offre à usage privé en matière de stationnement, le stationnement à usage public est organisé de manière à répondre aux besoins propres des divers types d'usagers.
2 Le Conseil d'Etat établit un plan directeur du stationnement qui détermine son évolution pour une période pluriannuelle. Le plan directeur du stationnement ou ses modifications sont présentés, avant leur adoption par le Conseil d'Etat, dans un rapport soumis au Grand Conseil qui peut formuler ses recommandations par voie de résolution dans un délai de 3 mois.
3 Sur la base du plan directeur du stationnement, le Conseil d'Etat établit un plan d'actions, pour une période quadriennale. Son adoption suit la procédure telle que visée à l'alinéa 2 du présent article. Il est revu au début de chaque législature.
4 Pour faciliter la mise en ?uvre des objectifs du plan directeur du stationnement, notamment la récupération d'espaces publics, le département veille à l'application du principe de compensation tel que défini à l'article 7B.
Art. 7A Plan directeur du stationnement (nouveau, l'art. 7A ancien devant l'art. 7D)
1 Le plan directeur du stationnement a pour objectifs généraux l'organisation du stationnement à usage public pour une meilleure qualité de vie dans les espaces publics, le respect de l'environnement et la promotion de l'économie. Il vise à améliorer les possibilités de stationnement des habitants, à maîtriser le stationnement pendulaire et à garantir l'accessibilité aux services, aux commerces et aux activités de loisirs pour les visiteurs, les clients et le transport professionnel.
2 Le plan d'actions recense l'offre à usage public, analyse la demande, évalue les besoins et contient des mesures pour y répondre. Le département assure et tient à jour le recensement de l'offre à usage public.
3 On entend par offre à usage public l'offre en matière de stationnement public et privé ouvert au public.
Art. 7B Gestion de la compensation (nouveau)
1 Tout en tenant compte de la structure et du contexte géographique du quartier, de l'offre en matière de stationnement privé, ainsi que des possibilités de mutualisation et d'adaptation de la typologie des places de stationnement, le département veille à l'application du principe de compensation, notamment afin de récupérer de l'espace public à d'autres usages urbains que le stationnement, sous ses deux formes :
a) lors de la création d'un parking en ouvrage à usage public, la récupération d'espaces publics s'opère en supprimant un nombre équivalent de places à usage public sur voirie;
b) lors de projets urbains supprimant des places à usage public sur voirie, celles-ci font l'objet d'une compensation pour un nombre équivalent, le cas échéant dans un parking en ouvrage à usage public. A titre exceptionnel, il est possible de compenser jusqu'à 20% des places par des stationnements destinés aux véhicules deux-roues motorisés.
2 Le principe de compensation est appliqué de manière impérative dans les zones denses du canton de Genève. Le Conseil d'Etat définit le périmètre des zones denses.
3 L'offre de référence de stationnement à usage public pour les zones denses est celle de 2011.
4 La compensation s'effectue dans le périmètre d'influence concerné, si possible à moins de 500 mètres de rayon, mais au maximum à 750 mètres.
5 La compensation intervient dans la mesure du possible de manière simultanée. A défaut, il en est tenu compte ultérieurement sur la base du recensement visé à l'article 7A, alinéa 2.
Art. 2 Entrée en vigueur
La présente loi entre en vigueur le lendemain de sa promulgation dans la Feuille d'Avis officielle.
La loi 10816 a été publiée dans la Feuille d'Avis officielle du canton de Genève du 22 mai 2012 et est entrée en vigueur le lendemain.
B. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, la section genevoise de l'Association Transports et Environnement (ci-après: l'ATE) ainsi que B._ et C._ demandent au Tribunal fédéral d'annuler l'art. 7 al. 4 et l'art. 7B de la loi 10816 modifiant la LaLCR. Ils se plaignent pour l'essentiel d'une violation de la législation fédérale relative à la protection de l'air et à la protection contre le bruit.
Le Grand Conseil conclut à l'irrecevabilité du recours, subsidiairement à son rejet. Invité à se déterminer, l'Office fédéral de l'environnement (ci-après: l'OFEV) estime que les art. 7 al. 4 et 7B LaLCR ne sont pas contraires au droit fédéral de l'environnement. Les recourants ont répliqué et persisté dans leurs conclusions.

Considérant en droit:
1. 1.1 La loi attaquée constitue un acte normatif cantonal et ne peut faire l'objet d'aucun recours dans le canton de Genève. Elle est par conséquent directement attaquable par un recours en matière de droit public (art. 82 let. b et 87 al. 1 LTF), qui a par ailleurs été formé dans les formes requises (<ref-law>) et en temps utile (<ref-law>).
1.2 En vertu de l'<ref-law>, peut former un recours en matière de droit public quiconque est particulièrement atteint par l'acte normatif attaqué (let. b) et a un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification (let. c). Lorsque le recours est dirigé, comme en l'espèce, contre un acte normatif cantonal, la qualité pour recourir appartient à toute personne dont les intérêts sont effectivement touchés par l'acte attaqué ou pourront l'être un jour; une simple atteinte virtuelle suffit, à condition toutefois qu'il existe un minimum de vraisemblance que le recourant puisse un jour se voir appliquer les dispositions contestées (<ref-ruling> consid. 2.1 p. 21; <ref-ruling> consid. 1.2 p. 246 s. et les arrêts cités). Quant à l'intérêt digne de protection, il n'est pas nécessaire qu'il soit de nature juridique, un intérêt de fait étant suffisant (<ref-ruling> consid. 2.2 p. 290).
1.2.1 Une association jouissant de la personnalité juridique est habilitée à recourir soit lorsqu'elle est touchée dans ses intérêts dignes de protection, soit lorsqu'elle sauvegarde les intérêts de ses membres. Dans le second cas, il faut que la défense de l'intérêt de ses membres figure parmi ses buts statutaires et que la majorité de ceux-ci, ou du moins une grande partie, soit personnellement touchée par l'acte attaqué (<ref-ruling> consid. 2.6.4 p. 46 s.; <ref-ruling> consid. 2.1 p. 200; <ref-ruling> consid. 1.2.1 p. 30).
En l'occurrence, l'ATE indique qu'elle a notamment pour objectif de favoriser une politique des transports plus respectueuse de l'homme et de son environnement et qu'elle compte de nombreux membres domiciliés dans le centre de la ville de Genève ou de Carouge. La défense des intérêts de ses membres ne figure toutefois ni dans les statuts de l'association centrale, ni dans ceux de la section genevoise. L'ATE n'allègue pas non plus être atteinte dans ses intérêts dignes de protection. La question de sa qualité pour agir peut toutefois rester indécise puisque celle-ci doit être reconnue aux deux autres recourants.
1.2.2 C._ est domicilié dans l'agglomération genevoise, à l'adresse xxx, qui se trouve dans le périmètre de compensation obligatoire visé par l'art. 7B LaLCR. B._ habite également en ville de Genève mais en dehors du périmètre de compensation obligatoire. Quoi qu'il en soit, les deux recourants sont domiciliés dans le canton de Genève, sur le territoire duquel la LaLCR trouve application. Ils sont dès lors sont susceptibles d'être touchés par les effets de la réglementation attaquée. Partant, ils ont qualité pour recourir.
2. Les recourants considèrent que les art. 7 al. 4 et 7B LaLCR sont contraires au droit fédéral, puisque l'application du principe de compensation aura pour effet d'empêcher, ou au minimum d'entraver de manière importante la mise en oeuvre des mesures nécessaires à la lutte contre les immissions excessives. Ils font valoir que, selon la version révisée en 2008 du plan de mesures OPair cantonal, la qualité de l'air dans le canton de Genève n'est toujours pas satisfaisante, puisque les valeurs limites pour le dioxyde d'azote, les PM10 et l'ozone ne sont pas respectées dans le centre de l'agglomération; les améliorations escomptées en 2002 et 2003 ne se sont pas produites, de sorte que des "mesures draconiennes" sont nécessaires, notamment dans le domaine-clé du trafic. Or, les dispositions légales litigieuses sont incompatibles avec certaines actions décrites par le plan des mesures OPair. En imposant strictement le maintien, à l'unité près, du nombre de places de parking existant en 2011 dans le centre de l'agglomération, elles empêcheraient l'autorité de prendre certaines des mesures prévues pour réduire les pollutions atmosphériques et sonores: les actions impliquant une limitation ou une réduction des places de parcage dans le centre urbain ne pourront pas être mises en oeuvre par les autorités compétentes. En posant des exigences strictes de simultanéité et de proximité (remplacement dans un rayon de 500 m, respectivement 750 m), le Grand Conseil aurait par ailleurs supprimé presque toute marge de manoeuvre pour les administrations, qui ne pourront pas moduler l'offre quantitative de stationnement.
2.1 La loi fédérale du 7 octobre 1983 sur la protection de l'environnement (LPE; RS 814.01) a pour fondement constitutionnel actuel l'art. 74 Cst. L'art. 74 al. 3 Cst. précise que l'exécution des dispositions fédérales incombe aux cantons, sauf disposition contraire de la loi. L'<ref-law> pose le principe de la limitation, à titre préventif, des émissions, telles que les pollutions atmosphériques et le bruit (al. 1 et 2). Les émissions sont limitées plus sévèrement s'il appert ou s'il y a lieu de présumer que les atteintes, eu égard à la charge actuelle de l'environnement, seront nuisibles ou incommodantes (al. 3). Les émissions sont notamment restreintes par la fixation de valeurs limites, ainsi que des prescriptions en matière de trafic ou d'exploitation (art. 12 al. 1 let. a et c LPE). L'<ref-law> prévoit l'adoption de plans de mesures relatifs aux pollutions atmosphériques lorsque plusieurs sources de pollution entraînent des atteintes nuisibles ou incommodantes.
L'ordonnance du 16 décembre 1985 sur la protection de l'air (OPair; RS 814.318.142.1) régit notamment la limitation préventive des émissions, la charge polluante admissible de l'air et la procédure à suivre lorsque les immissions sont excessives (art. 1 al. 2 let. a, c et d). Les émissions dues aux véhicules et aux infrastructures destinées aux transports font l'objet des art. 17 à 19 OPair. Les art. 16 et 17 prévoient la limitation des émissions à titre préventif, et l'art. 19 renvoie aux art. 31 à 34 en cas d'immissions excessives. Le plan de mesures, de la compétence des cantons (<ref-law>), indique notamment les mesures propres à réduire les émissions excessives ou à y remédier, l'efficacité de ces mesures, les bases légales, les délais et les autorités compétentes. S'agissant des installations destinées aux transports, les mesures touchent la construction ou l'exploitation de ces infrastructures ou visent à canaliser ou à restreindre le trafic (<ref-law>). Les cantons en contrôlent l'efficacité et les adaptent en cas de besoin (<ref-law>).
2.2 Le canton de Genève a adopté un plan de mesures OPair 2003-2010 qui a été révisé en juin 2008. La ville de Genève est donc un territoire soumis à un plan de mesures. La réduction du trafic individuel motorisé au centre-ville constitue l'un des objectifs de la lutte contre la pollution atmosphérique à Genève. Le plan de mesures OPair identifie la gestion du stationnement comme l'un des quatre instruments à développer de manière complémentaire avec les trois autres instruments pour atteindre cet objectif de réduction. La fiche 2.3 du plan de mesures qui concerne la gestion du stationnement vise à faciliter le stationnement des résidents dans les quartiers d'habitation en dissuadant les pendulaires et à libérer l'espace public à d'autres fins que le stationnement des véhicules individuels. En outre, la fiche mentionne également que "l'administration cantonale travaille actuellement à l'élaboration d'un Plan directeur du stationnement qui actualisera la politique conduite dans ce domaine sur la base des principes essentiels ci-dessus. Il répondra notamment aux objectifs suivants : faciliter le stationnement des résidents dans les quartiers d'habitation; développer une politique attractive de rétention du trafic pendulaire dans les parcs-relais P&R périphériques articulés sur le réseau des transports publics (voir aussi la mesure 2.4); élaborer une politique différenciée pour le stationnement des deux-roues et des deux-roues motorisés; libérer l'espace public à d'autres fin que le stationnement de véhicules individuels (ex: mise en place de zones de modération du trafic, aménagements cyclables, etc.); étendre la gestion du stationnement à d'autres communes que la ville de Genève, notamment via la suppression du stationnement de longue durée gratuit."
L'exposé des motifs du texte de l'art. 7B LaLCR mentionne que, "par ce moyen, le [...] projet de loi vise à régler le problème du stationnement à Genève, ce qui conduira à limiter la circulation au centre-ville des véhicules cherchant à se garer, à diminuer la pollution au centre-ville, aux habitants de celui-ci à se réapproprier l'espace urbain utilisé par ces mêmes véhicules et aux commerçants à offrir à leurs clients des places de stationnement adéquates."
Comme le souligne l'OFEV dans ses déterminations du 10 octobre 2012, tant les prescriptions relatives à la construction des places de stationnement et à la gestion de parking que la formulation du plan des mesures OPair relèvent de la compétence des cantons (cf. <ref-law>). Les plans de mesures cantonaux ne sont pas approuvés par la Confédération mais seulement portés à sa connaissance. Ainsi, s'il devait y avoir une contradiction entre les différentes politiques du canton, il appartiendrait à ce dernier de l'éliminer. En l'espèce, la fiche 2.3 du plan des mesures n'exige pas la suppression de places de stationnement sans compensation. Cette fiche, formulée de manière très large, est tout à fait compatible avec la compensation des places de stationnement telle que prévue par les art. 7 al. 4 et 7B LaLCR. Dans ces conditions, le principe de la compensation introduit par la loi litigieuse ne contredit pas le plan de mesures OPair et n'empêche nullement sa mise en oeuvre. Il s'ensuit que la loi 10816 modifiant la LaLCR n'est pas contraire au droit fédéral de l'environnement.
3. Les considérants qui précèdent conduisent au rejet du recours. Succombant, les recourants doivent supporter les frais judiciaires, solidairement entre eux (art. 66 al. 1 et 5 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, fixés à 2'000 fr., sont mis à la charge des recourants, solidairement entre eux.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire des recourants, au Grand Conseil du canton de Genève et à l'Office fédéral de l'environnement, Division Droit.
Lausanne, le 16 mai 2013
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Mabillard