現在大家都在談論未來氣候將會怎樣變化，而要對氣候變化做出準確的預測，首先必須了解氣候變化及其成因。本文主要根據有關資料和論文介紹目前有關氣候變化問題的一些科學認識。有興趣的讀者請參閱文后所附參考文獻。
討論氣候變化首先要了解氣候與天氣的差別，天氣和氣候不是一回事。天氣是指某一特定時間和地點大氣狀態（用溫度、氣壓、濕度、云量、降水和風向風速等氣象要素表示），大多數地方天氣時時、天天、月月在變化。公眾日常關心的是每天的天氣如何。而氣候則是指某一地區天氣的平均狀況，通常由距某一時期的平均值的差值（氣象上稱距平值）表征。一般氣候變化緩慢。經濟活動的決策者和經濟計劃的制定者，更關心氣候狀況，特別是未來的氣候。我們討論氣候變化時不要把天氣異常和氣候變化混為一談。例如在7月份的某一天，我們問："廣州天氣怎么樣？"你可以回答："前幾天都很涼爽，但今天很悶熱。"另一方面，我們問："夏天廣州氣候怎么樣？"你可以正確回答："夏天很悶熱。"事實上，夏季某幾天廣州涼爽，并不表示廣州的氣候已經發生了變化。同是7月第一周，多數年份可能很熱，但有些年份則可能很涼爽。它屬于一年一年之間的年際自然變化。多年平均來說，7月第一周的平均溫度是比較穩定。碰到某年夏天特別熱，人們往往議論氣候反常了，很容易將它與一年一年的年際自然變化混淆起來，應該將一個地方天氣的年際變化與氣候變化區別開來。
關于全球氣候變暖的研究已經在世界范圍紛紛揚揚地進行了二十多年。1979年召開的第一次世界氣候大會（FWCC），揭開了氣候變暖研究的序幕。隨之建立了世界氣候計劃（WCP）。由于氣候變暖問題已經不再局限于科學研究的范疇，1988年由世界氣象組織（WMO）、聯合國環境署（UNEP）等機構聯合建立了政府間氣候變化專門委員會（IPCC）。先后發表了第1次（1990年），第2次（1995年）與第三次（2001年）科學評估報告。在2001年9月發表的第三次評估報告中，IPCC得到的結論是"有新的和更有力的證據表明，過去50年來觀測到的絕大部分變暖是人類活動的結果"。但是，也有一些科學家向這種主流觀點提出挑戰。這些挑戰往往言詞激烈，論據偏頗，也確實有一些錯誤的見解和不事實求是的結論，但是其中有許多問題是值得深入討論的。
首先我們來看看世紀地球表面溫度的上升。全球氣候的變暖，最重要的證據就是直接溫度觀測。但是，要證明全球變暖并不簡單，有觀測資料問題，也有分析方法問題。首先，就是如何處理單站氣溫觀測，得到一個代表全球的氣溫序列。在過去的研究中曾經有大約三十多位作者作了這方面的嘗試。經過時間的考驗最后到20世紀80年末到90年代初，形成了英國（Jones）、美國(Hansen)及俄國（Vinnikov）三家。后來又增加了Peterson的序列，但是這是在Hansen的基礎上作了一些修改得到的。盡管原始資料差不多，這4個序列的結果卻并不完全一致。例如1998年這4個序列所給出來的氣溫距平卻不相同，分別是0.77℃、0.55℃、0.59℃及0.87℃，可見差異還是不小的。IPCC第三次氣候變化評價報告指出，全球平均地表溫度自1861年以來一直在增高,20世紀增加了 0.6±0.2℃。2 0世紀增幅最大的兩個時期為1910～1945年和1976～2000年。全球范圍內,2 0世紀90年代是最暖的10年,而1998年是最暖的年份，20世紀可能是過去1000年增溫最大的100年，平均來說,1950～1993年間,逐日夜間地表最低氣溫每10年增加0.2℃,而逐日白天陸面最高氣溫每10年增加0.1℃,而此間海面溫度的增幅大約是平均陸面氣溫增幅的一半。
我們再來看氣候變暖的其他證據：海洋溫度:世界海洋的最上層300m在1998年 比1950年代中期溫度上升了0.3±0.15℃。2、大氣溫度:探空資料顯示對流層低層1958年以來有0.1℃/10a增溫趨勢。而1979年以來的衛星微波探測則顯示增溫趨勢為0.05℃/10a。3、鉆孔溫度: 200～1000m深的地下溫度在20世紀上升了0.5℃。大約80%鉆孔的溫度是上升的。4、陸地雪蓋：1966年以來的北半球年平均雪蓋面積有減少趨勢。1980￠s中以來約減少10%。5、海冰：1973年以來衛星觀測北極的海冰面積也有下降趨勢。自1978年至今，北極海冰面積可能減少2.8%。6、冰川：冰川的前進后退是氣候變化的良好指標。根據世界范圍冰川資料，20世紀之前只有緩慢的后退，20世紀初后退加速，到20世紀末不少冰川后退了1～3公里。近20年熱帶雪線上升約100m，這大約相當溫度上升0.5℃。
從以上所列舉的證據來看，20世紀氣候變暖已是一個無可爭辯的事實。而且變暖在20世紀的最后20多年時間里是加速了。20世紀地面增溫0.6℃有一半發生在最近的四分之一個世紀里。氣候變暖在雪蓋、海冰及山岳冰川的變化上均有反映，深海、深層陸地及對流層大氣也有增溫，只是增溫幅度均小于地球表面溫度變化。
經典氣候學通常只對大氣資料去研究氣候狀態，因此難以從本質上弄清楚氣候變化的原因。隨著研究的深入，人們認識到氣候變化并不僅僅是大氣自身的孤立演變。它和海洋、冰雪圈、陸地表面（巖石圈）、生物圈等是相互作用的，這就是當代氣候學中"氣候系統"的概念。氣候的形成和變化是氣候系統中各個子系統相互反饋作用的總體表現。因此當代氣侯學已成為氣象學、海洋學、地球物理學和生物學等多學科相互滲透的交*科學。
覆蓋在地球表面的薄層大氣是氣候系統中最重要也是最活躍的部分，其他子系統往往是通過與大氣的相互作用來影響氣候變化的。大氣運動的根本能量是太陽輻射。但由于大氣本身的物理特性，它不能吸收短波的太陽輻射，只有當短波的太陽輻射被地球表面吸收，并以一定溫度下的長波輻射返回大氣時，大氣才能吸收長波輻射并加熱自己。由于地球表面分布的差異（有高山、平原、湖泊及海洋等），大氣受到的加熱并不均勻。這種不均勻加熱通過對流擴散及水平輸送等一系列物理過程使大氣運動起來，當運動的范圍較大時就稱為大氣環流。大氣環流形勢往往直接決定全球或區域的氣候類型及其變化，氣候異常通常同大氣環流的某種持續異常有關，但目前還沒有完全弄清楚大氣環流持續異常的成因。此外 大氣中各種成分（如臭氧、二氧化碳等）的變化對氣候的影響也是不能忽視的。大氣中的臭氧主要存在于10－50公里的高度區內，其含量雖然不高，但作用卻很大，臭氧層對太陽紫外線輻射的吸收可導致平流層氣溫向上遞增，影響到平流層的大氣環流。進而影響到整個大氣的氣候狀態。大氣中的二氧化碳等溫室氣體通過影響大氣的輻射過程，使得地表輻射溫度增高。這種作用即是溫室效應。近百年來 受人類活動的影響，大氣中二氧化碳的含量迅速增加，溫室效應的作用越來越大，對溫度、降水及土壤溫度都有明顯的影響。此外太陽的黑子活動，火山噴發形成的大量微粒都會改變大氣的輻射平衡過程，進而影響到氣候的變化。
另一方面，地球表面大約71％的地區是被海洋覆蓋的，特別在赤道地區海洋所占的面積比例就更大了。太陽輻射總量的70％左右被海水所吸收。由于海水的物理屬性和空氣不一樣，海水的密度比空氣大一個量級，比熱比空氣大4倍多，所以海洋是一個巨大的能量源，這些能量將以潛熱、感熱和長波輻射的形式輸送給大氣，驅動大氣的運動。因此，海洋熱狀況的變化將時大氣的運動產生重要的影響，從而引起氣候變化。反過來大氣又通過風應力作用于海洋表面，驅動海洋運動形成海洋環流。它們之間是相互影響相互作用的。最近二十年的研究紀結果表明，海洋與大氣之間的相互作用（ENSO）現象就是其中之一。 所謂ENSO實際上是厄爾尼諾（Elnino）和南方濤動（SO）的簡稱。厄爾尼諾指的是發生在赤道東太平洋附近的海水異常增暖現象，而南方濤動則是指赤道東太平洋上空大氣壓力場呈現出的一種蹺翹板變化的現象。它是氣候變化的重要內容，對于幾年到幾十年時間尺度的氣候變化和預測只有在充分了解海洋與大氣相互作用的基礎上才可能得到解決。但海洋和大氣作為一個非線性的耦合系統，其相互作用的過程是極為復雜的，到目前為止這種相互作用的機制仍然不是十分清楚。
同海洋一樣，陸地和冰雪圈的變化也會對大氣環流和氣候變化產生重要的影響，而大氣環流和氣候變化反過來也會影響陸地和冰雪圈的變比。陸地和雪蓋主要通過影響地表反照率及土壤濕度和溫度而對大氣環流和氣候變化起作用。大氣環流和氣候變化則通過云、降水和氣溫的變化對陸地和冰雪圈起作用。冰雪的主要作用是增大地表反照率，當冰雪面積大時，由于更多的太陽輻射被反射，地面空氣溫度將會降低，這又造成冰雪面積的擴大，對大氣運動起到冷卻的作用。同時由于其融化時要吸收熱量，可使季節升溫變慢。海冰除了同雪蓋一樣通過地表反照率和感熱交換等過程影響大氣環流和氣候變比外，它還對海洋鹽度產生影響，進一步間接影響氣候變化。
生物圈對氣候變化非常敏感，植物可以隨著溫度、降水及反射的變化而發生自然變化。不同的氣候帶因降水量和氣溫的不同而用擁有不同的生物群落，如熱帶雨林，中緯度草原等。但有植被覆蓋的地方，其地表反射率一般比裸地小許多，從而吸收太陽輻射就比較多。植物冠部有較高的蒸發能力，植物根系可以把深層土壤的水分抽吸到葉莖上，從而改變土壤含水量和地下水循環。此外，植物還可以通過光合作用調節大氣中二氧化碳的含量，部分減少由于溫室效應造成的升溫。另一方面，植被的存在還使地表粗造度增大，使地表摩擦及地面和大氣之間的交換過程發生變化，這些過程都會影響到氣候的變化。
我們已經知道過去的氣候發生過變化，但這種變化是自然的原因造成的，而前述最近自1860年開始儀器觀測以來全球平均溫度上升，在很大程度上是人類活動引起的。事實上，觀測到的變暖與大氣中溫室氣體濃度的增加有關。主要的溫室氣體二氧化碳，從1750年的大約280ppmv(容積百萬分之一)增加到2001年底的370 ppmv，增加的比率為32%。同一時期，大氣中甲烷和二氧化氮的濃度分別增加了151%和17%。大氣中二氧化碳增加的觀測結果，使WMO在1976年第一次發表了關于溫室氣體在大氣層中累積增加對我們未來氣候造成的潛在影響的權威陳述。
氣候變化能否預測？氣候系統如此復雜，上述氣候變化成因還有待進一步研究。但氣候災害頻繁發生的現實卻使人們期望能夠準確預測未來的氣候變化。那么，氣候變化能不能預測，或者說能夠有多大程度上預測未來的氣候變化。這是目前人們十分關心的問題。
隨著流體力學的發展，人們找到了控制大氣和海洋這類流體運動的動力學方程組，人們開始用數學語言來描述大氣的運動過程，并嘗試通過求解這些動力學方程來預報大氣變化。但直到二十世紀五十年代中期，由Charney等人在美國普林斯頓大學利用一個簡化的正壓渦度方程制作出了世界上第一張數值天氣預報圖后，才真正開始了數值預報大氣運動的時代。從那以后，數值天氣預報取得了長足的發展。今天，一個星期內的短期數值天氣預報的準確率已經令人滿意。在短期數值天氣預報方面取得的成績使人們自然而然地想，如果將預報的時間延長到月、季、年并充分考慮到氣候系統中各個子系統的相互作用不就可以作氣候預報了嗎？但嘗試的結果令人沮喪，原因到底是什么呢？氣象學家Lorenz發現，像大氣這樣的非線性方程的解對初始值非常敏感，當初始值有微小的變化時，非線性方程的解有非常大為變化。他進而指出氣候變化是不可預測的，Lorenz也由此成為混沌學的開創人之一。
但是，實際大氣觀測結果和數學描述的結論并不十分符合。例如一年中四個季節總是交替出現的，每個季節大氣的多年統計平均值總是在一定的幅度內波動，即便發生氣候異常，其對多年統計平均值的偏差也不會太大。這種客觀事實的存在，重新樹立起人們對長期數值天氣預報的信心，也促使人們改變原來的預報觀念，不再拘泥于對未來氣候確定狀況的預測，而是將預測的重點放在未來氣候的變化傾向上（如溫度的偏高或偏低，而不再頂預測具體的溫度值），即形勢場的概率預報上。這種基于動力學模式集合預報的概率預測方法是目前較好的預測氣候方法。利用這種方發曾成功預測出1997／98年Elnino事件的發生。此外，在選擇了合適的影響氣候變化的權重因子后，利用傳統的數學統計方法也能對某些氣候異常事件做出預測。如對1998年長江流域特大洪澇災害的準確預測。但就目前的氣候預測水平而言，每一種預測方法的準確率都有待提高。
根據目前科學認識水平所做的預測，IPCC第三次評估報告指出，全球平均地表溫度將在1990到2100年期間提高1.4～5.8℃。這一預測的變暖比率較20世紀觀測到的變化要大得多，而且很可能在過去至少10000年里是沒有先例的。估計海平面高度在1990到2100年期間上升9～88厘米。這將會由于低島、海港、部分農田、淡水資源、旅游地和發達的沿海地區受到威脅而產生重要的社會-經濟影響。預計在21世紀降水將要增加。在低緯的某些地區降水量會減少，而在其他地區則會增加。在中高緯地區，降水會增加。干旱和洪澇將更為普遍。目前預測今后100年厄爾尼諾事件的幅度不會變化或變化很小，但由于溫度的升高，與厄爾尼諾事件相關的旱澇極端事件會更為嚴重。另外，亞洲季風降水變率可能會加大。
從全球平均結果和長期變化趨勢來說，這些預測有一定可信度；但因溫室氣體排放情景是假設的，使用的資料不完整，模式物理過程不完備（如云和輻射的作用），降水模擬和區域氣候模擬誤差比較大，使預測結果帶有不確定性。為了更深入了解氣候變化成因，作出更加可信的預測，必須進一步開展氣候系統的外場觀測，加強氣候變化過程研究，努力改進模擬水平，弄清對氣候變化預測中固有的不確定性問題。
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