全球气候系统是指决定整个地球气候的形成、分布、特征和变化有直接和间接影响的多个环节组成的子系统，包括大气、海洋、陆面、冰雪及生物圈等。

全球气候系统是指一个由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）和生物圈组成的高度复杂的系统。

气候系统的各圈层虽然在组成、物理与化学特征、结构和状态上有明显区别，但是它们通过物质、热量和动量等相互联系在一起，形成一个开放的、相互联系的系统。系统的各圈层之间存在着明显的相互作用，这些相互作用不但有物理的、化学的和生物的，还具有不同的时间和空间尺度。在气候系统的各圈层的相互作用中，最重要的是海气相互作用、陆气相互作用和陆海相互作用。

气候不应局限于温（气温）、湿（降水）、压（地面气压）3个要素。从现代气候学的观点来看，气候是全球性的，而不是局地性的，对气候的研究与摸拟不能仅限于局地气候和气候要素，而是全球气候系统。人类也成为全球气候系统中一个重要的组成部分。人类通过各种各样的经济活动改造着地表的形态、物质组成及能量交换．对气候和气候系统产生作用与影响。科学技术的进步使我们认识到气候的复杂性及其全球性，经典的气候学说得到了改进。随着研究的深人，逐步认识到大气、海洋、陆地等地球表层的几个部分是相互混合地关联在一起的，通过物质交换和能量传输而形成一个系统，这就是全球气候系统。

通过对气候及其影响因家的深人研究，发现气候具有全球性，即区城气候不仅受到当地因素的影响，而且还受到全球海洋、陆地及地球表层系统等全球性因素的深刻影响。由于气候影响因素的复杂性及各子系统中复杂的反馈与耦合关系，在进行气候模拟与预测时，必须包括全球海洋、冰雪以及陆地表现的状况及过程。气候不是局部的，而是全球性的。很多研究表明，气候现象中的遥相关是非常常见的，例如，美国西海岸的冬季暴雨与赤道东太平洋的海温异常（即厄尔尼诺现象）有较好的相关关系；又如20世纪宋发现深海中热盐环流的改变，可能是气候变化的重要原因之一；再如，我国科学家的南极研究表明，南极海冰的变化与我国汛期降水存在着密切的遥相关关系。这些现象利用经典的气候学知识是很难理解的，而利用全球气候系统，答案则是显而易见的。

在过去，气候主要是仅仅被看作是大气本身的问题，经典的气候学认为：气候包括3个基本要素，即温（气温）、湿（降水）、压（地面气压）；气候形成有3个要素：太阳辐射（地理经纬度）、海陆分布和大气环流；如果有了30年3个基本要素的平均值，即可代表一个地方的气候。随着科学的发展，经典气候学的这3个基本概念都先后受到了严重挑战。人们原来认识到气候状况虽然年年不同．但是长期统计特征是不变的，常常采用30年求得的气候要素指标的平均值表示气候。经典气候学认为气候的变化只是年际间的随机波动，但是地球科学的研究与发展，很早就突破了这一概念。在地质学中发现了冰期和间冰期，后来孢粉、树木年轮、历史记载等种种证据都说明了气候有时间尺度比30年尺度长得多的变化，过去的一个世纪以来的区域和全球尺度气候变化的重大事件也使人们深刻地感受到了气候在变化。

气候系统的概念最初在20世纪70年代提出，此概念的提出深深影响了气候研究与应用，对气候模式的发展具有重要意义，使得气候模式朝着大气、海洋、陆地各系统多个层次、多种过程的相互耦合的方向发展。但实际上，现有的气候模式离完全或完善的耦合模式还有很长的路要走。全球气候变化模拟的主要方法、气候模式的快速发展与广泛应用与全球变化问题的提出密切相关。过去的气候模式以大气物理过程为主，全球变化的问题提出以后，气候模式包括生物、化学及人类活动的多种过程，更加综合、更加全面。从发展来看，气候不仅仅是大气本身的问题，而是与环境和人类活动密不可分地紧密地联系在一起。

全球气候系统概念的提出与应用是气候学上的一次进步与革命，使我们对气候有了更深入的认识，在应用上，各种海洋环流模式、陆面过程模式与大气环流模式相互耦合，使我们对气候的模拟与预测更加精确，对导致气候动态与变化的过程也更加清楚。全球气候系统在我们对地球表层系统各分系统间的相互作用的研究与理解中具有重要价值，特别是有助于我们深人理解人类活动影响的土地利用与土地覆盖在宏观尺度上的环境效应。

全球气候系统的研究包含对组分的认识，对每一个组分中变化过程的认识，对这些组分之间相互作用和反馈过程的认识等方面。

（1）大气圈是这个系统中最不稳定的和最迅速变化的组分。大气圈内部存在大大小小的环流系统，是构成气候变化的基本单元。地球上的干空气主要由氮气、氧气和氨气组成。太阳入射对这些气体有作用，而地球放射的长波辐射对其没有作用。然而，有些微量气体，像二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和臭氧，它们能够吸收和放射长波辐射，所以它们会成为温室气体。它们虽然占大气的体积混合比还不到0.1%，但在地球的能量收支中扮演了主要的角色。大气中包含的水汽（H2O），也是自然的温室气体。水汽的体积混合比是随高度变化的，其总量不超过1%。这些温室气体吸收从地球辐射出的长波辐射并向外（空）和向下（地球）放射长波辐射，结果导致地球表面温度升高。水汽、CO2和O3也吸收短波辐射。

除了上述气体外，大气中还包含固体的和液体的质粒（气溶胶，aerosols）和云，它们与入射和放射辐射的作用是复杂多变的。其中一个多变的是大气中水的相变，如水汽、云粒和冰晶。水汽是最强的温室气体，其相态的转变可以吸收或释放很多的能量。因此，水汽在气候变化中扮演了重要的角色。

大气的组成是随地球的演化而变化的，在较长的时间尺度下对气候变化尤为重要。地质史上有、无生命时期大气组分是不同的。无生命时，N2和O2变少，CO2变多，微量气体是随着生命的出现而增加的。大气中的水汽含量和水分循环的速率是随着地球不同时期温度而变化的。

（2）水圈是由所有地面和地下水组成，包含河、湖和地下淡水，海水。通过径流，淡水由江河流向海洋并影响海洋成分和海流。海洋覆盖地球表面约70%。海洋储存和输送大量的能量并分解和储存大量CO2。风可以驱动洋流。盐分的密度梯度及热力梯度也可以形成海洋环流，称为温盐环流，由于海洋巨大的热惯性，它对气候变化有巨大的调节作用，也是气候变化的重要能量来源。

（3）冰冻圈包含格陵兰岛和南极冰盖、大陆冰川和高原雪盖、海冰及永冻土。全球陆地约有10.6%被冰覆盖。海冰的面积比陆冰大，海冰约占海洋面积的6.7%。冰冻圈对气候变化的驱动作用包括对太阳辐射的高反射率，低热传导，大的热惯性，特别是它的变化（淡水注入和热交换）可以驱动深海环流，通过形态改变大气环流。两极地区的冰盖储存着大量的水，其体积变化（冰盖增长和融化）是海平面变化的潜在源。两极地区也可以通过永冻土影响温室气体的平衡。冰冻圈的反照率为7~9，而平均陆地为0.3。卫星观测到的北半球月平均雪盖和海冰面积分布是在12月份范围最大，8月份最小。

（4）地球的生物圈包括海洋生物和陆地生物。生物圈对大气成分有影响，它的重要性在于生物能够直接地转化和释放温室气体。通过光合作用，海洋和陆地植物，特别是森林能够把CO2转化并储存足够量的碳。于是，生物圈在碳循环过程和其他气体（如CH4和N2O）的循环过程中扮演了重要的角色。其他的有机挥发成分对大气化学有作用，同时也影响气溶胶的形成和气候变化。由于气候影响碳的储存和微量气体的交换，这会发生气候变化与微量气体浓度之间的反馈过程。气候对生物圈的作用会记录在化石、树轮、花粉中，使之成为过去气候变化的生物指标或气候代用指标。

（5）全球气候系统的第五个组分是陆面。陆面上的植被和土壤能够影响所到达的太阳能量转换，这些能量会最终给大气。加热大气的部分会以长波辐射的形式使地面增暖，一些热量用于蒸发水并进人大气中。由于土壤水汽的蒸发需要能量，湿的土壤对表面温度也有很大的影响。陆地表面的粗糙度会改变地表的风，影响大气边界层的动力特征和地气物质交换。陆面上各种土地中，草地和沙漠占了50%，农田和人类用地占10%~13%，森林占23%~33%，冻土和湿地占8%~12%。全球植被繁茂的区域主要在热带及季风区和北半球的中高纬度地带，它们与热带大气中的锋带和中纬度极锋带的位置一致。

全球气候系统构成的5个组分，以地心为中心是成层的。最外的大气层从地面到大气上界的几个毫巴气压层。在大气层中，太阳辐射可以使大气成分发生光化学反应。水圈在地球的表层。生物圈包含在水圈和大气圈中。冰冻圈在地球表面的高纬度和高海拔的地方。陆面实际上是地壳的表层。全球气候系统的范围就从地壳上层到大气的上界位置。其上是全球气候系统的下边界，可以辐射的形式与系统外发生作用。其下是深部地壳作为边界，地震和火山活动也是全球气候系统外强迫的源口。