地球上的氣候從長期看是不穩定的，具有連續波動的性質。只有一系列波動長期向一個方向變化，並使自然地理環境其他因素發生改變時，才算是氣候變遷。比如較長時期的氣候演變，各種時間尺度的氣候演變，如地質時期氣候演變、歷史氣候演變和現代氣候變化等。
由於氣候觀測記錄年代短，研究氣候變遷，經常使用各種代用資料，從各個方面尋找線索，復原過去各時期的氣候。約萬年以前的氣候，主要依據地質資料復原，稱地質時期氣候。一百多年前至幾千年前的氣候，主要依據考古資料、文史資料和樹木年輪等研究弄清，稱歷史氣候。地質時期氣候和歷史氣候又合稱為古氣候。地質學上指的古氣候只是地質時期的氣候。近百餘年的氣候，一般有氣象觀測資料，稱現代氣候。
氣候形成及其演變的原因，隨時間尺度的不同而有差異。現代氣候和歷史氣候的形成及其演變，可視為氣候系統（包括大氣、海洋、大陸、冰雪、生物圈等）內部振動的結果，太陽活動的11年周期、22年周期和80～90年周期等是其重要的外因。地質時期氣候形成及其演變的原因尚無定論。南斯拉夫M.米蘭科維奇利用地球天文參數（地軸傾斜、地球軌道的偏心率、歲差）的變化同第四紀氣候變遷進行對比，認為地球天文參數變化是氣候變遷的重要原因之一。至少可以肯定，整個地質時期的氣候變遷的重要原因之一是海洋和大陸分布的變化，即同全球自然地理環境演變的根本原因有關。人類活動（包括自然植被的破壞、大氣汙染、人工熱源等）已對局地氣候造成了顯著的影響，對全球及大範圍氣候的影響也被越來越多的事實證明，但自然原因在當前仍被認為是大範圍氣候演變的主要原因。
世界氣候變遷
自公元前4000年以來，世界範圍的氣候經歷了多次冷暖乾濕的變遷。通過對文化發展較早或所獲得的氣候變遷證據較明顯的地區，如埃及尼羅河流域、歐洲和北極等地區的歷史資料的分析，可將世界歷史氣候變遷分為下述幾個時期：
①大西洋期（公元前4050～前2650）。亦稱氣候適宜期。溫暖多雨，平均氣溫比現代高2.5℃，尼羅河洪水位比現代高12～20米，熱帶半雨區雨量約為現代的3倍。
②亞北方早期(公元前2650～前2050)。氣候轉寒，以北極海的不凍水面結冰為標誌，海平面低於現代約4米。
③亞北方中期（公元前2050～前1500）。氣候轉暖，但次於大西洋期。
④亞北方晚期（公元前1500～前750）。寒冷而乾燥，北歐連續出現嚴寒，尼羅河水位下降。
⑤希臘時代（公元前750～前150）。暖而溼潤，北歐轉暖，出現山毛櫸林，南歐也較暖和，黑海水位比現代高3米。
⑥羅馬時代（公元前150～公元350）。涼而幹，山嶽冰川一度擴展，塔裡木盆地邊緣和古絲綢之路沿線有豐富的井泉灌溉，出現許多繁榮的城鎮。
⑦羅馬時代後期（350～700）。暖而幹，北歐長期乾暖，美國西南部乾旱，導致河流乾涸，黑海水位比現代低3米，古絲綢之路因乾旱而衰落，熱帶多雨潮溼。
⑧8世紀(700～800)。西北歐轉冷，熱帶降雨減少。
⑨次氣候適宜期(800～1200)。為近2000年最溫暖的時期。西北歐風暴減少，暖而幹，墨西哥熱而溼，尼羅河由於熱帶多雨而流量大增，落基山南部的雪線比現代約高366米，北極流冰的邊界遠比現代偏北。大約在公元900年，愛斯基摩人在極地定居。
⑩中世紀寒冷期（1200～1450）。西北歐冷而溼，出現嚴酷的寒冬，裏海水面上升32米，美洲冷而幹，溫度低於多年平均值，尼羅河洪水水位低於平均值。
中世紀溫暖期(1450～1550)。出現世界性的海平面升高，赤道雨量豐富。
小冰期(1550～1890)。氣候轉冷，極冰強烈擴展，山地冰川推進，高山雪線下降，世界大部分地區陸上、海上的冰雪達到自上次冰期結束以來的最大值。17世紀的氣候最為惡劣，歐洲嚴冬次數和嚴寒程度都大為增加，潮溼、低溫的夏天造成作物歉收。中國也是一個嚴冬頻繁的時期。
中國歷史氣候變遷
根據對歷史文獻和考古發掘材料等的分析，中國歷史時期的氣候變遷與世界歷史氣候變遷的趨勢大致相似。
若以溫度作為度量氣候變遷的指標，根據對歷史材料的分析可知：近5000年中的前2000年(即從仰韶文化時代到安陽殷墟時代)是一個溫暖的時期，大部分時間的1月份溫度比現今高3～5℃，這個時期的溫度波動情形還不很清楚，但已發現在距今4000年左右，氣候曾一度轉寒。近5000年中的後3000年內有一系列的冷暖波動，年平均氣溫波動幅度為2～3℃，有4次明顯的寒冷期，分別出現在公元前1000年前後（殷末周初）、公元400年前後（六朝）、公元1200年前後(南宋)和公元1700年前後（明末清初），在這4個時期之間的泰漢、隋唐和元代分別為溫暖時期。5000年間最溫暖的時期（殷墟時代），黃河流域綠竹繁茂，野象、犀牛出沒於林莽之間，年平均溫度比現今約高2℃左右。最冷時期如宋朝和明末，凜冽寒冬屢現，太湖、洞庭湖和鄱陽湖多次封凍，熱帶地區冰雪頻繁，江南柑橘和福建荔枝歷遭凍毀，年平均氣溫比現今約低1℃多。縱觀整個5000年的氣溫變化，總趨勢是逐漸變冷的。一些野生動物棲息界限的南移，也反映了這種溫度變化的趨勢。
氣候變遷越來越受到重視，主要是人類活動對氣候的影響有可能使氣候產生不利於人類的不可逆轉的變化。現代研究氣候和氣候變遷的技術有了很大改進，人造地球衛星和大型電子計算機等為氣候系統的監測和資料的整理分析提供了有利條件。氣候變遷的研究同許多理論科學和技術科學有著密切的關係，這些科學的發展又為這一研究的理論和方法提供借鑑。氣候變遷研究已成為世界氣象組織(WMO)所擬訂的世界氣候計劃(WCP)的中心內容之一，面臨著重大發展的新時期。
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