地球上的气候从长期看是不稳定的，具有连续波动的性质。只有一系列波动长期向一个方向变化，并使自然地理环境其他因素发生改变时，才算是气候变迁。比如较长时期的气候演变，各种时间尺度的气候演变，如地质时期气候演变、历史气候演变和现代气候变化等。
由于气候观测记录年代短，研究气候变迁，经常使用各种代用资料，从各个方面寻找线索，复原过去各时期的气候。约万年以前的气候，主要依据地质资料复原，称地质时期气候。一百多年前至几千年前的气候，主要依据考古资料、文史资料和树木年轮等研究弄清，称历史气候。地质时期气候和历史气候又合称为古气候。地质学上指的古气候只是地质时期的气候。近百余年的气候，一般有气象观测资料，称现代气候。
气候形成及其演变的原因，随时间尺度的不同而有差异。现代气候和历史气候的形成及其演变，可视为气候系统（包括大气、海洋、大陆、冰雪、生物圈等）内部振动的结果，太阳活动的11年周期、22年周期和80～90年周期等是其重要的外因。地质时期气候形成及其演变的原因尚无定论。南斯拉夫M.米兰科维奇利用地球天文参数（地轴倾斜、地球轨道的偏心率、岁差）的变化同第四纪气候变迁进行对比，认为地球天文参数变化是气候变迁的重要原因之一。至少可以肯定，整个地质时期的气候变迁的重要原因之一是海洋和大陆分布的变化，即同全球自然地理环境演变的根本原因有关。人类活动（包括自然植被的破坏、大气污染、人工热源等）已对局地气候造成了显著的影响，对全球及大范围气候的影响也被越来越多的事实证明，但自然原因在当前仍被认为是大范围气候演变的主要原因。
世界气候变迁
自公元前4000年以来，世界范围的气候经历了多次冷暖干湿的变迁。通过对文化发展较早或所获得的气候变迁证据较明显的地区，如埃及尼罗河流域、欧洲和北极等地区的历史资料的分析，可将世界历史气候变迁分为下述几个时期：
①大西洋期（公元前4050～前2650）。亦称气候适宜期。温暖多雨，平均气温比现代高2.5℃，尼罗河洪水位比现代高12～20米，热带半雨区雨量约为现代的3倍。
②亚北方早期(公元前2650～前2050)。气候转寒，以北极海的不冻水面结冰为标志，海平面低于现代约4米。
③亚北方中期（公元前2050～前1500）。气候转暖，但次于大西洋期。
④亚北方晚期（公元前1500～前750）。寒冷而干燥，北欧连续出现严寒，尼罗河水位下降。
⑤希腊时代（公元前750～前150）。暖而湿润，北欧转暖，出现山毛榉林，南欧也较暖和，黑海水位比现代高3米。
⑥罗马时代（公元前150～公元350）。凉而干，山岳冰川一度扩展，塔里木盆地边缘和古丝绸之路沿线有丰富的井泉灌溉，出现许多繁荣的城镇。
⑦罗马时代后期（350～700）。暖而干，北欧长期干暖，美国西南部干旱，导致河流干涸，黑海水位比现代低3米，古丝绸之路因干旱而衰落，热带多雨潮湿。
⑧8世纪(700～800)。西北欧转冷，热带降雨减少。
⑨次气候适宜期(800～1200)。为近2000年最温暖的时期。西北欧风暴减少，暖而干，墨西哥热而湿，尼罗河由于热带多雨而流量大增，落基山南部的雪线比现代约高366米，北极流冰的边界远比现代偏北。大约在公元900年，爱斯基摩人在极地定居。
⑩中世纪寒冷期（1200～1450）。西北欧冷而湿，出现严酷的寒冬，里海水面上升32米，美洲冷而干，温度低于多年平均值，尼罗河洪水水位低于平均值。
⑪中世纪温暖期(1450～1550)。出现世界性的海平面升高，赤道雨量丰富。
⑫小冰期(1550～1890)。气候转冷，极冰强烈扩展，山地冰川推进，高山雪线下降，世界大部分地区陆上、海上的冰雪达到自上次冰期结束以来的最大值。17世纪的气候最为恶劣，欧洲严冬次数和严寒程度都大为增加，潮湿、低温的夏天造成作物歉收。中国也是一个严冬频繁的时期。
中国历史气候变迁
根据对历史文献和考古发掘材料等的分析，中国历史时期的气候变迁与世界历史气候变迁的趋势大致相似。
若以温度作为度量气候变迁的指标，根据对历史材料的分析可知：近5000年中的前2000年(即从仰韶文化时代到安阳殷墟时代)是一个温暖的时期，大部分时间的1月份温度比现今高3～5℃，这个时期的温度波动情形还不很清楚，但已发现在距今4000年左右，气候曾一度转寒。近5000年中的后3000年内有一系列的冷暖波动，年平均气温波动幅度为2～3℃，有4次明显的寒冷期，分别出现在公元前1000年前后（殷末周初）、公元400年前后（六朝）、公元1200年前后(南宋)和公元1700年前后（明末清初），在这4个时期之间的泰汉、隋唐和元代分别为温暖时期。5000年间最温暖的时期（殷墟时代），黄河流域绿竹繁茂，野象、犀牛出没于林莽之间，年平均温度比现今约高2℃左右。最冷时期如宋朝和明末，凛冽寒冬屡现，太湖、洞庭湖和鄱阳湖多次封冻，热带地区冰雪频繁，江南柑橘和福建荔枝历遭冻毁，年平均气温比现今约低1℃多。纵观整个5000年的气温变化，总趋势是逐渐变冷的。一些野生动物栖息界限的南移，也反映了这种温度变化的趋势。
气候变迁越来越受到重视，主要是人类活动对气候的影响有可能使气候产生不利于人类的不可逆转的变化。现代研究气候和气候变迁的技术有了很大改进，人造地球卫星和大型电子计算机等为气候系统的监测和资料的整理分析提供了有利条件。气候变迁的研究同许多理论科学和技术科学有着密切的关系，这些科学的发展又为这一研究的理论和方法提供借鉴。气候变迁研究已成为世界气象组织(WMO)所拟订的世界气候计划(WCP)的中心内容之一，面临着重大发展的新时期。
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