狭义上的海气耦合模式有时特指海气耦合环流模式，是以海洋和大气为主体、同时考虑陆面和海冰过程的复杂的三维环流模式。而一般意义上的海气耦合模式还包括基于不同复杂程度的海洋和大气方程组建立起来的，用来模拟和理解特定海洋大气相互作用现象的数值模式。

海气耦合环流模式是在单独的海洋环流模式和大气环流模式的基础上发展而来的。20世纪60年代，基于原始方程组的大气环流模式和海洋环流模式陆续出现。到了1969年前后，美国地球流体动力学实验室（GFDL）的真锅淑郎（Manabe Syukuro）和K.布莱恩（K.Bryan）首次建立了一个基于理想的海洋-陆地分布的海气耦合环流模式。在随后的1975年，他们给出了第一个具有真实海陆分布以及海底地形的全球海气耦合环流模式的结果。1980年，真锅淑郎和R.J.斯托夫（R.J.Stouffer）在耦合模式中考虑了二氧化碳的气候效应，用于研究气候对温室气体增加的敏感性，但他们的模式的海洋分量采用了简单的混合层海洋模式。在此之后，随着海洋环流模式和大气环流模式的发展，海气耦合模式获得快速发展。模式考虑的过程不断丰富，温室气体、气溶胶以及生物化学过程等更多模块被逐渐引入模式，模式分辨率不断提高，海气耦合环流模式逐渐演变成“气候系统模式”乃至“地球系统模式”，在气候变化研究以及气候预测领域发挥了重要的作用。与此同时，出于研究海气相互作用现象的需要，简单或是中等复杂程度的海气耦合模式也得到快速发展。特别是对厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）现象研究在20世纪80年代催生了一系列中等复杂程度的海气耦合模式。其中，在1987年，Zebiak和Cane利用一个中等复杂程度的海气耦合模式（简称ZC模式）首次模拟出了和观测比较相似的厄尔尼诺-南方涛动振荡，被认为是厄尔尼诺-南方涛动数值模拟的开创性进展。从20世纪90年代开始，出于北太平洋年代际变率研究需要，一系列针对北太平洋区域的中等复杂程度的海气耦合模式也相继提出。由于巨大计算资源耗费，全球海气耦合模式分辨率通常难以准确描述诸如复杂地形、陆表非均匀性、海岸带等局地强迫特征，使得模拟结果在区域尺度上误差较大，因此在20世纪80年代末，利用区域耦合模式模拟的思路被提出，并发展成为区域气候研究的重要工具之一，在区域气候研究中发挥着重要作用。

海气耦合环流模式是以海洋环流模式、大气环流模式以及耦合两者的模块（耦合器）为基础构成，通常还包括陆面模式和海冰模式。首先根据大气和海洋遵循的基本物理定律如动量守恒定律、能量守恒定律、质量守恒定律等得到控制大气和海洋状态变化的数学方程组，然后利用计算机数值求解这些方程组（一般基于原始方程组，求解过程包括空间上的离散以及时间积分），从而来模拟海洋和大气状态的变化。全球海气耦合环流模式因为水平方向没有边界，因此只需给定一些外强迫因子比如温室气体、气溶胶以及太阳常数等就可以用来模拟气候的变化；而区域海气耦合环流模式则需要指定水平方向的侧边界条件，一般由再分析资料或是全球模式的积分结果来提供。中等复杂程度的海气耦合模式通常由基于简化方程组的海洋和大气模式构成，模拟区域一般为某个海盆。因为不同的海气相互作用现象中主导的海洋和大气过程不同，因此不同区域的模式所用的简化方程组有较大差异。对于气候的时间尺度而言，大气可以认为是瞬间平衡的，因此在用于ENSO研究的中等复杂程度的海气耦合模式中，大气方程组一般不包括时间变化项，即认为大气和它的强迫项处于平衡的状态（因此，有一些中等复杂程度的海气耦合模式采用统计大气模型）；而海洋模式较多基于两层或两层半的简化模式（通常最上面一层代表混合层，第二层代表温跃层，而所谓的半层一般指最下面没有运动的一层）。这些模式可以滤除对厄尔尼诺-南方涛动不重要的波动如惯性重力波，而保留开尔文波和罗斯贝波等对厄尔尼诺-南方涛动发展至关重要的波动。然而在中纬度区域，大气的瞬变强迫（可以认为是随机的）对于海温的变化有重要影响，因而所用的大气模式需要包括大气的随机强迫，因此可以是基于准地转方程的大气模式，或是在统计大气模式的基础上叠加随机强迫项；海洋模式则需考虑海区主要的动力和热力过程进行简化，比如在北太平洋区域需考虑副热带经圈环流相联系的潜沉过程。

海气耦合模式根据复杂程度可分为简单海气耦合模式（比如只包含若干个海洋和大气关键变量的高度简化的概念性模式）、中等复杂程度海气耦合模式、海气耦合环流模式，以及介于中等复杂程度海气耦合模式和海气耦合环流模式之间的混合（Hybrid）海气耦合模式（比如大气环流模式耦合混合层海洋模式，或耦合中等复杂程度的海洋模式）。根据模拟区域的不同可分为全球海气耦合模式和区域海气耦合模式。全球海气耦合模式通常是复杂的全球海气耦合环流模式，而中等复杂程度海气耦合模式一般只关注某个区域或是某一海气相互作用现象。

海气耦合模式是气候研究和预测的基础性工具。在很大程度上，全球海气耦合环流模式可认为等同于气候系统模式。它一方面可以用于模拟历史气候的演变、当代气候的特征，以及预估未来气候可能变化；另一方面，全球海气耦合模式构成了当代气候业务动力预测系统的基础，可以通过同化海洋和大气观测资料对未来一段时期的气候状态及其变化进行预测。区域海气耦合环流模式除了可以模拟和研究区域气候以及区域海气相互作用过程，还可以作为降尺度工具，用于未来气候变化的降尺度预估研究，即利用较低分辨率的全球气候模式的未来气候变化预估结果驱动较高分辨率的区域海气耦合模式(“降尺度”)，可以获得区域尺度更细致的气候变化信息。中等复杂程度的海气耦合模式因其包含过程简单清晰，被广泛用于海气相互作用现象以及气候变率的机理和成因研究。此外，也有一些中等复杂程度的海气耦合模式用于真实的气候预测，比如ZC模式，至今仍被用于ENSO预报。

随着对海洋环流模式和大气环流模式的发展以及计算机能力的快速提高，海气耦合环流模式也朝着更精确、更高分辨率、更复杂和更多样化的方向发展。全球海气耦合环流模式已经不再是纯粹意义上的仅包含海洋和大气分量耦合环流模式，而是演变成包括陆面过程、海冰等分量以及温室气体、气溶胶/大气化学、生物地球化学/碳氮循环等更加丰富过程的“气候系统模式”或是“地球系统模式”。另一方面，计算能力的进步也推动海气耦合模式的分辨率不断提高，全球海气耦合环流模式的大气的分辨率已接近10千米，而且将向云分辨方向发展，海洋模式则逐渐达到涡分辨率。但分辨率的提高也使海气耦合模式的发展面临新的挑战。由于高分辨率下网格将向极点快速收缩，基于球谐函数展开的谱框架或是有限差分的格点框架大气模式的积分步长将受限于极区过小的网格距。由于功耗的限制，提高CPU单核的速度已不经济，超级计算机已趋向超大规模并行的方向发展，这使传统的动力框架面临可扩展性的挑战。因此，一些具有良好可扩展性的基于全球准均匀网格的大气和海洋动力框架已经得到快速发展。此外，高分辨率对耦合海气和大气模式的耦合技术也面临新的挑战，因此高效灵活的耦合方案也是目前气候数值模式领域的一个重要研究方向。