天氣與氣候都是因為大氣波動產生的大氣現象。大氣波動是由高低（氣壓或溫度等）兩個或多個位相組成的波浪狀振動，每個位相的大氣現象都不相同，呈現晴雨、冷熱等現象交替出現的波動性的周期變化過程。
大氣的波動有各種尺度。在天氣預報裡，長波與短波是兩種常見的大氣波動。短波指的是波長為幾百公裡至上千公裡的波動，短波的波谷就是氣旋或低氣壓，是陰雨天氣多發的位相。兩個氣旋之間就是反氣旋或高氣壓，即天氣較好的位相。短波常常成串經過，是天氣數日一變的主要原因。
長波指的是波長約幾千公裡的大氣波動。長波的每個位相一般有幾個性質相近的短波。在長波的波谷裡的短波的低氣壓比較活躍，這就是連日陰雨的原因，陰雨之間的間歇或短時轉晴，則是短波的高壓到來的結果。在長波的波峰裡，則情況正好相反，也有若干個短波經過，但主要是晴朗與穩定的天氣，夏季的高溫和嚴重的大氣汙染就是出現在長波的這個位相裡。
此外，比長波的波長更大的還有波長達到萬公裡以上的超長波，波長小於短波的還有中尺度與小尺度的波動。因此，在天氣範圍裡有多種尺度的大氣波動，它們可以按照波長的順序排列成波譜。在波譜裡，宏觀波動的位相是微觀的波動的背景，而微觀的波動是宏觀波動位相裡的內部振動。有意義的是，雖然這個波譜是按空間尺度排列的，但在時間座標上有很好的對應。空間波動在時間上的反映就是周期，波長越大，波動的時間周期越長。反之，波長越小，周期越短。這就是天氣波譜段的時間尺度與空間尺度之間的線性對應關係。
由於有了線性對應關係，幾乎一切天氣預報都可以用瞬時天氣圖作基本工具。預報的時間長，就需要知道波長尺度大的波動，這只要採用大範圍天氣圖就可以表現出來。如果是短時期的預報，就需要小範圍天氣圖。尺度越小，解析度越高，小範圍天氣圖更能顯示小波動的情況。於是，時間尺度的變化可以通過調節空間尺度來代替，這就是用瞬時天氣圖也能製作幾天的天氣預報的原因。空間尺度最大的超長波只有約半個月的生命期，這就說明在瞬時天氣圖的基礎上，半個月就是預報的最長時限。
問題在於長度超十多天之後，時間還在延長，但地球空間卻是已到了極限，不能繼續擴大。於是生命期超過十多天的大氣現象就不能再用瞬時天氣圖表現。十多天是一個轉折點，過了這個點，時間尺度與空間尺度不再存在線性對應關係，而是只有時間尺度的增長，沒有空間尺度的擴大。這個轉折點就是天氣與氣候理論上的界線。空間尺度與時間尺度關係的改變是天氣與氣候產生了許多差別的原因。
第一是數據的差別。前面說到，天氣可以用瞬時天氣圖顯示，氣候卻不能夠，這是因為時間長度已經超過了瞬時圖上顯示的天氣波動生命的極限。於是，在同樣的圖上就有若干個大氣波動的重複，而不會是個別的波動。結果氣象觀測數據的統計值取代了瞬時值。如果說，天氣就是人們看到的具體的大氣現象，那麼氣候則是一段時期內相繼發生過的多次天氣的綜合，這就是氣候學教本中關於氣候的定義。可以說，天氣與氣候的關係同個人與人群、樹木與森林的關係是一樣的，都是個體與集體的關係，個體可以用單值，集體則需要應用統計值才能描寫它的特徵。平均值、極值、變率等就是最常用到的氣候統計值，此外，還有如乾燥度等指標也是表現氣候特點的基本數據。
第二是成因的差別。以火車的運行作譬喻，在幾分鐘的短時間裡，火車運動的能量主要依靠的是自身的慣性力。這時雖然還在供給能量，然而這是備用的能量，一時還不能反映到火車眼前的運動上。如果時間長了，超過半個小時，慣性力已消耗殆盡，這時就需依靠能量的不斷補充。沒有能量的補充，火車也就停止了運動。
大氣也是這樣，在天氣的範圍裡，大氣的運行主要靠自身內部的力量，這時大氣動力學描寫了運動的規律性。因此，在天氣預報裡動力模式可以作為主要工具。到了氣候尺度，大氣主要依靠外界能量的輸入，冷熱源起了重要的作用。1979年第一次世界氣候大會上提出了氣候系統的科學概念。所謂氣候系統就是包括大氣、海洋、大陸、冰雪與生物圈在內的能量與物質交換系統。因此，由於能量問題，氣候就不只是大氣現象，而是氣候系統裡物質與能量循環的產物。
第三是人文性質的差別。人們研究自然現象主要是服務於人類的需要，並以人類已經擁有的條件，包括物質裝備與思維方式為根據。天氣服務在於預測最近幾天的大氣變化，對於人們採取應對行動是必要的，所以具有很強的行動性、戰術性與一次性。氣候服務在於提供長期大氣狀況的信息，用於決策、規劃與管理等需要，故具有規劃性、戰略性與多次性。
實際上，天氣與氣候服務是相輔相成的。舉例說，為了修建機場，在選址等問題上氣候服務是必需的，只有氣候條件有利於飛機的起飛與降落，機場的利用效率才高，不利天氣的預報難度也就減少。但是，再好的氣候條件也難免發生不利的天氣條件，因而天氣預報也是必要的，這兩種服務有互補關係，都是不能偏廢的。
第四是發展前景的差別。由於人類的迅速發展，人們不得不注意到，生產發展同環境與資源的矛盾首先在地球圈層中的大氣裡爆發。全球增溫、臭氧洞與酸雨等就是第一批例子。
人們的活動擴大了，任何巨大的建設與活動無不牽聯到資源與環境，需要周密的設計與長期籌備，避免相互撞車，爭資源、排汙等一擁而上，演變成現代的環境與資源危機，首當其衝的是氣候危機。氣候危機雖然是氣候問題，然而它的根源與後果都在人類社會的發展與自然界的失調。危機使氣候問題突破了專業範圍，變成了全球問題。這就是氣候學的全局性意義在現代飈升的原因。因此，氣候將是調控人類與自然性系統、使之處於和諧運轉狀態與良性循環的一門學問，有廣闊的發展前景。（來源於2004年11月2日《中國氣象報》 作者：張家誠）