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气候是大气状况的多年平均状态，温度、降水、风等气象要素的各种统计量是表述气候的基本依据。一个区域的气候并不是一成不变的，事实上整个地球的气候也是一直在不断发生变化的。在过去的地质年代里，地球的气候发生了剧烈的变化，其中在过去 250 万年以来呈现出冰期与间冰期的旋回，工业化革命以来出现了显著的全球气候变暖，地球表面的气温、温室气体含量、冰雪覆盖、海平面以及其他生态与环境条件都出现了振荡和变化。
气候变化是指气候平均值和气候离差值（距平）出现了统计意义上的显著变化；平均值的升降表明气候平均状态发生了变化，离差值的变化表明气候状态的不稳定性增加，离差值越大说明气候异常越明显。气候变化是一个与时间尺度密不可分的概念，在不同的时间尺度下，气候变化的内容、表现形式和主要驱动因子均不相同。根据气候变化的时间尺度和影响因子的不同，气候变化问题一般可分为三类，即地质时期的气候变化、历史时期的气候变化和现代气候变化。万年以上尺度的气候变化为地质时期的气候变化，如冰期和间冰期旋回；人类文明产生以来（一万年以内）的气候变化可纳入历史时期的气候变化范畴；1850 年有全球监测气候变化记录以来的气候变化一般被视为现代气候变化（图 3）。
气候变化可以由自然原因引起，也可以由人为原因引起，或者由自然与人类活动的原因共同引起。在工业化革命之前，气候变化主要受太阳活动、火山活动以及气候系统自然变率等自然因素的影响。工业化时期以来，人类通过大量燃烧煤炭、石油等化石燃料向大气中排放了大量的二氧化碳等温室气体，使大气中温室气体的温室效应进一步增强，全球气候出现了以变暖为特征的显著变化。人类活动产生的大量气溶胶粒子，直接影响大气的水循环和辐射平衡，这两种过程都会引起气候变化。人类活动还可以通过土地利用方式的变化，即通过改变地表物理特性影响地表和大气之间的能量和物质交换，从而使区域气候发生变化。
全球气候正经历着前所未有的变化，大气圈、海洋、冰冻圈和生物圈均发生了广泛而迅速的变化，变暖发生在整个气候系统，是过去几个世纪甚至几千年来前所未有的。气候系统的许多变化与日益加剧的全球变暖直接相关。其主要表现包括极端高温事件、海洋热浪和强降水的频率和强度增加，部分地区出现农业和生态干旱，强热带气旋的比例增加，以及北极海冰、积雪和多年冻土的减少。
图3 天气、气候与气候变化的时空尺度
大气中的温室气体浓度持续增加。2019 年，全球大气二氧化碳浓度达410.5×10 -6 ，高于 200 万年以来的任何时候，甲烷和氧化亚氮的年平均浓度分别为 1877×10 -9 和332×10 -9 ，均高于至少 80 万年以来的任何时候。自 1750 年以来，二氧化碳、甲烷和氧化亚氮浓度分别增加了 47%、156%和 23%，均远远超过至少过去 80 万年里冰期和间冰期之间自然的千年尺度变化。
工业革命开始以来，全球地表平均温度迅速上升。自 1850 年以来，过去 40 年中的每一个十年相比之前的任何一个十年都暖。2001—2020 年全球地表平均温度比工业革命时期（1850—1900）上升了 0.99℃。2011—2020年全球地表温度比工业革命时期上升了 1.09℃，超过了至少过去 10 万年间最暖的几个世纪的温度距平值，即约 6500 年前的全新世间冰期，那时的全球平均温度较 1850—1900 年高 0.2 ∼ 1℃。在全新世间冰期之前，最近的一个暖期约在距今 12.5 万年前，当时持续几个世纪的温度较 1850—1900 年平均值高 0.5 ∼ 1.5℃，与最近十年观测到的升温值是重叠的。
气候变化的许多特征直接取决于全球升温的水平，但区域差异很大。相比于 1850—1900 年，2011—2020 年全球陆地和海洋平均温度上升了 1.59℃[1.34 ∼ 1.83℃]，大于海洋的升温幅度（0.88℃[0.68 ∼ 1.01℃]）。北极地区升温幅度为全球平均的两倍以上，1977—2018 年增暖速率达 0.54℃/10 年，远超全球平均表面温度的升温速率（0.2±0.1）℃/10 年。近几十年，北半球高山区（北美西部、欧洲阿尔卑斯山和亚洲高山区）的地表平均气温上升，升温速率为（0.3±0.2）℃/10 年，但 20 世纪 80 年代以来亚洲高山区增暖速率与北极相当甚至更高，也明显高于其他高山区同期水平。