地球上的气候一直不停地呈波浪式演变，冷暖干湿相互交替，变化的周期长短不一，从几十年到几亿年不等。目前为世界科学界所公认的至少有下列时间范围的变化：(1)大冰期与大间冰期气候—时间尺度约为几千万年到几亿年，如震旦纪、二叠纪、第四纪的气候变化等。(2)亚冰期与亚间冰期气候—时间尺度约为几十万年，如第四纪大冰期中仍有几次冰期与间冰期的更替。(3)副冰期与副间冰期气候—时间尺度约为几万年，如欧洲第四纪最后一次寒冷期武木冰期中又可分为几个次一级的冰期和间冰期。 (4)寒冷期(或小冰期)与温暖期(或小间冰期)气候—时间尺度约为几百年到几千年，如冰后期出现的几次气候变化。(5)世纪内的气候—时间尺度不到100年，如有人提出60年的气候周期。

根据时间尺度，地球气候变化史可分为三个阶段：地质时期、历史时期和近代的气候变化。

(一)地质时期的气候变化

地质时期气候变化的时间跨度最大，从距今22亿年至1万年。在漫长的古气候变化过程中，反复经历过几次冷暖干湿的交替变化。总体来说，寒冷时期比温暖时期短，前者每次不过几百万年至几千万年，后者则可延续几亿年。

随着气候冷暖干湿的交替变化，冰期与间冰期交替出现，已成为地质时期气候变化的最大特点。自震旦纪以来，全球出现过三次大冰期，即大约7亿年前的震旦纪冰期、2至3亿年前的石炭—二叠纪冰期和第四纪冰期。冰期到来时，地表的平均气温降低5℃左右，冰川的最大范围可达大陆面积的30%。此外，冰期期间也有转暖和变冷的时期，转暖期称为间冰期，变冷期称为亚冰期。

(二)历史时期的气候变化

在距今1万年左右至19世纪末的历史时期的气候变化中，世界气候有两次大的波动：一次是公元前5000年到公元前1500年的最适宜气候期，当时气温比现在高3~4℃；另一次是自15世纪开始的寒冷气候期，当时气温比现在低1~2℃。竺可祯把我国近五千年来的估计温度与挪威雪线高度的变化进行对比，得出两条曲线变化趋势大体一致的结论，从而表明，亚欧在近5000年来的气温变化基本相似。应该说，气候波动是全球性的，尽管世界各地最冷和最暖年份发生的时间有所差异，但气候的冷暖起伏是彼此呼应的。至于历史时期气候的干湿度变化，无论是空间尺度还是时间尺度则均比较小。

(三)近代气候变化

近代气候是指最近一二百年有气象观测记录时期的气候。近百年来，气候波动总的趋势是：(1)从19世纪末到20世纪40年代，全球气温曾出现明显的波动上升现象。在北极地区增暖尤为强烈，1919~1928年间巴伦支海水温比1912~1918年间高出8℃，导致30年代在巴伦支海出现过喜热性鱼类。 (2)在40年代至80年代，世界气候有变冷现象。尤其是进入60年代以后，高纬地区气候变冷的趋势更加显著。例如1968年冬，原来被大洋所隔的冰岛和格陵兰，竟被冰块连接起来，以至于发生了北极熊从格陵兰岛踏冰漫步到冰岛的罕见现象。(3)进入70年代以后，世界气候又趋变暖，特别是80年代以后，世界气候增暖的趋势更为突出。

有人对近百年来全球平均气温的变化进行研究并得出结论：从1880至1940年的60年间全球年平均气温增加了0.5℃，从1940至1965年降低了0.2℃，然后从1965至1993年又增暖了0.5℃。

应该指出的是，南北半球的气候变化趋势存在着差异。北半球的气温变化与全球趋势大致相似，只是升降幅度略有不同，增暖仅出现在冬、春、秋三季。而南半球年平均气温变化则呈波动较小的增长趋势，升温比北半球明显，且各季皆有增暖现象。此外，在全球年均增暖的趋势中，亦有少数地区自19世纪以来一直在变冷。可见全球各地近百年来增暖的范围和尺度并不相同。

全球气候变化是迄今人类遇到的一个最复杂的地球系统科学问题， 这是由于在地球各圈层组成物质中，大气的流动性最强，变动性最大，影响也最广，一处有变，便会很快影响周围环境，甚至全球。另一方面，全球气候变化既包 括气候的自然变化，也包括气候的人为变化，两者相互叠加使气候的振动变得相当复杂，它涉及到多种因子的相互作用和相互影响。因此，对全球气候变化的研究，使地理学走向了地球系统科学研究之路，把大气圈、海洋圈、 生物圈、 岩石圈和人类活动的影响组成统一的气候系统，对气候变化的因果关系进行多学科交叉的深入研讨，这是现阶 段气候变化研究的主要特点。

(一)冰期与冰川的作用

地质年代气候变化的最大特点是冰期与间冰期交替出现，自然环境的许多方面都要受到强烈影响，如冰川的存在导致地壳负荷下沉，冰川的消融导致地壳卸负上升，冰川还迫使大量植物和动物群的迁移和有选择性的灭绝，并形成了许多新的类型。此外，冰川还改造了河流水系，形成了大量湖泊等。

第四纪大冰期中，气温也是冷暖交替出现的。在寒冷时期(即亚冰期)，气温较现代平均约低8~12℃，雪线下降，冰川前进。在温暖时期(即亚间冰期)，平均气温高于现代约8~12℃，雪线上升，冰川退缩。

在第四纪最大一次亚冰期时，世界大陆有2/10~3/10的面积为冰川所覆盖(现代仅为1/10)，冰川体积可达3300×104km3(现代仅有1500×104㎞³)。 巨大的冰川对于它所覆盖地区的地形起着很大的改造作用。在距冰川中心较近的地区以侵蚀作用为主，常形成峡湾、U形谷、羊背石、角峰、刃脊等冰蚀地貌；在距冰川中心较远的地区则以堆积 作用为主，形成终碛丘、鼓丘、蛇形丘等冰碛—冰水地貌。 北美洲的大湖带和欧洲许多湖泊是冰期前的构造谷地，经冰川的刨蚀，加深加宽后积水而成的。冰川还可造成河流改变流向，河湖串联等现象。此外，冰盖区外的黄土堆积也与冰川作用有关。

有资料表明，上述3300×104km3体积的冰川积结在大陆上，可使海面降低85米。随着冰川的扩张，气候带南移，生物群落也随着南移，如第四纪开始时，北极动物群经直布罗陀海峡可来到地中海。又如在黑海之滨克里木的旧石器时代(距今25万年以前)地层中曾发现北极狐、北极鹿等残骸化石。

(二)人类活动与全球气候变暖

近代全球性的气候变化主要是指气候的明显变暖。而气候变暖被认为与工业革命以来人类活动排放的温室气体剧烈增加，从而导致“强烈温室效应”有关。所谓温室效应本是地球圈层相互作用的必然和必然要求，即行星大气中CO2和水汽等对行星所起的类似玻璃暖房的作用。通常，行星接受的太阳辐射和向周围散射的热量会在某一温度值附近达到平衡。但如果行星大气中有较多的CO2和水汽，太阳的可见光、紫外线则可自由透过CO2和水汽加热行星，行星向外散射的热能常因CO2和水汽的吸收和阻挡而返回行星表面，使行星表面温度升高，从而维持较高温度的热平衡。所以，没有温室效应地球的生物圈是不可想象的。

观测到的全球增暖现象与大气中CO2浓度及其他温室气体含量的增加有很好的对应关系。这种关系一直可以追溯到长期的历史演变过程。由南极冰芯记录分析得出的16万年以来的温度、CO2和甲烷浓度的变化，表现为气候的冷暖变化伴随着温室气体含量的增减。

(三)对后果的估计

全球气温升高可能是一种大规模的环境灾难。它将使地球上的冰川和冻土融化，海平面会因此而上升，以致淹没大片陆地。这种危险事实上已经在一部分地区出现。美国宇航局宣布，Topex-Preseidon科学卫星测出1993和1994年两年海平面上升速率达3.9mm/年，相当于近百年海平面上升平均值的2倍。此外，1995年初已发现南极沿海的几乎每块冰原都在缩小，而且有一座巨大的冰山从冰原上脱离开来。科学家指出，到2100年左右海平面如果比现在上升了1m，就将把目前近1亿人口居住的沿海城市和村镇都淹没。1995年3月举行的联合国气候大会上，位于太平洋的小岛国的代表强调说，如不采取果断措施，数十年后至少有7个岛国将消失在波涛之中。全球变暖的影响对其他地区也很明显，它可引发热浪、飓风、龙卷风和洪水等，目前全球的干旱和洪水事实上都已达到了历史上前所未有的水平。