Работы лаборатории направлены на решение следующих основных задач:
- 
Развитие и совершенствование физически полных моделей атмосферы и океана для изучения колебаний и изменений глобального и регионального климата, обусловленных естественными взаимодействиями в климатической системе и антропогенными воздействиями такими, как изменением газового состава атмосферы и свойств подстилающей поверхности. 
- 
Изучение физических механизмов, определяющих формирование климата и его вариации на территории России, совместно с лабораторией моделирования регионального климата. 
- 
Изучение предсказуемости и чувствительности климата к различным внешним воздействиям, обнаружение антропогенного климатического сигнала и идентификация причин его формирования. 
- 
Изучение предсказуемости режимов атмосферной циркуляции в средних широтах северного полушария, обусловленной влиянием начальных условий, аномалий термического режима поверхности океанов и континентов. 
- 
Развитие методов долгосрочных гидродинамических прогнозов полей геопотенциала, температуры воздуха на высотах, а также приземной температуры воздуха и осадков на месяц и сезон с помощью физически полных трехмерных моделей атмосферы на территории России и в северном полушарии.