伴随着JONSWAP计划的成功，1972年，哈塞尔曼以海洋专家的身份成为全球大气研究计划（GARP）联合组织委员会的成员，并参与了后来成为世界气候研究计划的准备工作。1974年，他参加了在斯德哥尔摩召开的第一次气候会议，主持其中一个涉及海洋和气候的工作组。在随后的赫尔辛基海洋与气候会议中，他担任了会议的共同召集人。这两次会议为后来在日内瓦的会议上创建世界气候研究计划奠定了基础。
哈塞尔曼1979年发表的关于大气响应研究中的信噪比问题被认为是证明人类对全球变暖影响的关键一步。其重要研究贡献是气候变化检测和归因。分析气候变化时会存在很多“噪声”，也就是地球气候系统自身存在的冷暖变化，这些变化和人类活动无关。气候变化检测和归因研究就证明人类活动对气候变化的影响是可以被检测到的。哈塞尔曼在1979年的一篇论文中指出了这一点。后来有大量相关论文发表。在全球变暖科学领域，哈塞尔曼是1991年至2001年出版物获得最多参考文献引用的作者。
此外，在开发气候模型方面哈塞尔曼也做出了开创性工作。1976 年，他开发了一个随机气候模型（哈塞尔曼模型），其中类似于布朗运动的随机波动确保了气候的可变性。他首先是使用简单的模型来展示一些关于自然气候变率的基本概念。接着构建更现实的模型，并将这些想法应用于整个气候系统，即耦合的海洋—大气环流模型。复杂模型的一个基本困难是，随着它们通过合并更多过程和自由度而变得更加逼真，它们变得与它们模拟的真实系统一样难以理解。哈塞尔曼设计一些方法来构建更简单的模型，这些模型仅根据一些基本的交互模式来捕捉控制整个复杂系统动力学的主要过程。
哈塞尔曼后来回忆称，他是在前往赫尔辛基开会的飞机上想到可以通过与布朗运动类比的大气的短期波动来非常简单地解释长期气候变化的。通过原先在湍流理论和热线湍流测量方面的工作，他熟悉各种形式的随机过程。随机强迫概念的要点是可以很简单地通过分离来理解气候系统中噪音的起源和结构时间尺度。噪声的来源是短时间尺度的湍流大气。然后，这会在气候系统的其余部分产生更长的时间尺度上的变化。哈塞尔曼还提出了相关的定量估计。这很快导致人们发现并普遍接受人为全球变暖是真实的。
诺奖委员会的总结称，所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成。物理学家已经对它们进行了几个世纪的研究，并且很难用数学来描述它们——它们可能有大量的组成部分，或者受偶然支配。它们也可能是混沌系统，就像天气一样，初始值的小偏差会导致后期的巨大差异。今年的获奖者都为我们加深对这类系统及其长期演化做出了贡献。地球的气候是复杂系统的众多例子之一。哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，从而回答了为什么气候模型能够可靠，尽管天气是多变和混沌的。他还研究出了识别自然现象和人类活动在气候中留下印记的特定信号和指纹的方法。他的方法已经被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。
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