Biến đổi khí hậu
Diễn biến ấm lên tương lai và quỹ carbon

Diễn biến ấm lên tương lai phụ thuộc vào độ mạnh của những phản hồi khí hậu và lượng khí nhà kính phát thải. Những phản hồi thường được ước định bằng các mô hình khí hậu khác nhau do nhiều tổ chức khoa học phát triển. Một mô hình khí hậu diễn tả các quá trình sinh học, hóa học, vật lý ảnh hưởng đến hệ thống khí hậu. Các mô hình tính đến thay đổi trong quỹ đạo Trái Đất, thay đổi trong hoạt động của Mặt trời, và yếu tố núi lửa. Chúng nỗ lực mô phỏng và dự đoán hoàn lưu của đại dương, chu kỳ thường niên của mùa, hay những dòng chảy carbon giữa bề mặt đất và khí quyển. Các mô hình dự đoán những mức tăng nhiệt độ trong tương lai khác nhau ứng với những lượng khí thải nhà kính đã cho và không hoàn toàn đồng thuận về mức độ của những phản hồi khác nhau và quán tính của hệ thống khí hậu.
Các mô hình được kiểm tra năng lực bằng cách xem chúng mô phỏng khí hậu quá khứ và hiện tại chính xác đến đâu. Các mô hình quá khứ đánh giá thấp tốc độ thu hẹp vùng Bắc Cực cũng như tốc độ gia tăng giáng thủy. Mức dâng mực nước biển từ năm 1990 cũng bị những mô hình cũ đánh giá thấp nhưng những mô hình gần đây hơn thì nhất trí với những quan sát. Bản Đánh giá Khí hậu Quốc gia 2017 của Hoa Kỳ lưu ý rằng "các mô hình khí hậu vẫn có thể đánh giá thấp hoặc bỏ sót những quá trình phản hồi liên quan".
Các Đường Nồng độ Đại diện (RCP) có thể được dùng làm đầu vào cho mô hình khí hậu: "một kịch bản giảm thiểu nghiêm ngặt (RCP 2.6), hai kịch bản ở giữa (RC P4.5 và RCP 6.0), và một kịch bản phát thải khí nhà kính rất nhiều (RCP 8.5)". RCP chỉ nhìn vào nồng độ khí nhà kính, do đó không tính đến phản ứng của chu kỳ carbon. Những dự báo mô hình khí hậu được tổng kết trong Báo cáo Đánh giá lần thứ 5 của IPCC chỉ ra rằng trong thế kỷ 21, nhiệt độ bề mặt toàn cầu có chiều hướng tăng thêm 0,3 đến 1,7 °C (0,5 đến 3,1 °F) với kịch bản vừa phải, hoặc gần 2,6 đến 4,8 °C (4,7 đến 8,6 °F) với kịch bản tột cùng tùy thuộc vào mức độ xả thải khí nhà kính tương lai và những hiệu ứng phản hồi khí hậu.
Một tập con của các mô hình khí hậu thêm các yếu tố xã hội vào một mô hình khí hậu tự nhiên đơn giản. Các mô hình này mô phỏng cách thức mà dân số, tăng trưởng kinh tế, sử dụng năng lượng tác động và tương tác với khí hậu tự nhiên. Với thông tin này, chúng có thể tạo ra những kịch bản mô tả biến động của khí thải nhà kính trong tương lai. Đầu ra này sau đó được dùng làm đầu vào cho mô hình khí hậu tự nhiên để tạo ra dự báo biến đổi khí hậu. Trong một số kịch bản, lượng khí thải tiếp tục tăng xuyên suốt thế kỷ còn số khác thì nhận định giảm. Các nguồn nhiên liệu hóa thạch quá phong phú khiến không thể trông chờ vào việc thiếu hụt chúng sẽ giúp hạn chế khí thải carbon trong thế kỷ 21. Các kịch bản phát thải có thể được kết hợp với việc lập mô hình chu kỳ carbon nhằm dự đoán nồng độ khí nhà kính thay đổi thế nào trong tương lai. Theo những mô hình kết hợp này thì đến năm 2100 nồng độ CO2 khí quyển có thể thấp đến 380 hoặc cao đến 1400 ppm, tùy vào kịch bản kinh tế xã hội và kịch bản giảm thiểu.
Quỹ khí thải carbon còn dư được xác định bằng cách lập mô hình chu kỳ carbon và độ nhạy cảm của khí hậu với khí nhà kính. Theo IPCC, ấm lên toàn cầu có 2/3 cơ hội được giữ dưới ngưỡng 1,5 °C (2,7 °F) nếu sau năm 2018 lượng khí thải không vượt quá 420 hoặc 570 giga-tấn CO2, tùy vào nhiệt độ toàn cầu được xác định chính xác như thế nào. Con số này tương đương 10 đến 13 năm phát thải hiện tại. Có những sự không chắc chắn về quỹ carbon, ví dụ lượng CO2 có thể bớt đi 100 giga-tấn do sự giải phóng methane từ đất ngập nước và tầng băng giá vĩnh cửu.