ภูมิอากาศวิทยา (จาก ภาษา กรีกκλίμα , klima , "ความลาดชัน"; และ-λογία , -logia ) หรือวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศคือการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยว กับ ภูมิอากาศ ของโลก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วหมายถึงสภาพอากาศโดยเฉลี่ยในช่วงเวลาอย่างน้อย 30 ปี^{[ 1 ]}ภูมิอากาศหมายถึงสภาพบรรยากาศในช่วงเวลาที่ยาวนานไปจนถึงไม่มีกำหนด ในขณะที่สภาพอากาศหมายถึงสภาพของบรรยากาศในช่วงเวลาที่ค่อนข้างสั้น หัวข้อหลักของการวิจัยคือการศึกษาความแปรปรวนของภูมิอากาศกลไกของการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศและการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศในปัจจุบัน [ ^{2 ] [ 3 ] หัวข้อ}การศึกษานี้ถือเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์บรรยากาศและเป็นสาขาย่อยของภูมิศาสตร์กายภาพซึ่งเป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์โลกภูมิอากาศวิทยารวมถึงบางแง่มุมของสมุทรศาสตร์และชีวธรณีเคมี

วิธีการหลักที่นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศใช้คือการวิเคราะห์การสังเกตและการสร้างแบบจำลองของกระบวนการทางกายภาพที่กำหนดสภาพภูมิอากาศการพยากรณ์อากาศ ระยะสั้น สามารถตีความได้ในแง่ของความรู้เกี่ยวกับปรากฏการณ์สภาพภูมิอากาศในระยะยาว เช่น วัฏจักรภูมิอากาศ เช่นปรากฏการณ์เอลนีโญ-ความผันผวนทางใต้ (ENSO) ปรากฏการณ์แมดเดน-จูเลียน (MJO) ปรากฏการณ์แอตแลนติกเหนือ (NAO) ปรากฏการณ์อาร์กติก (AO) ปรากฏการณ์แปซิฟิกทศวรรษ (PDO) และปรากฏการณ์แปซิฟิกระหว่างทศวรรษ (IPO) แบบจำลองสภาพภูมิอากาศใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่หลากหลาย ตั้งแต่การศึกษาพลวัตของระบบสภาพอากาศและภูมิอากาศไปจนถึงการพยากรณ์สภาพภูมิอากาศในอนาคต^{[ 2 ]}

ชาวกรีกเริ่มศึกษาภูมิอากาศอย่างเป็นทางการ อันที่จริง คำว่า "ภูมิอากาศ" มาจากคำภาษากรีกว่าklimaซึ่งหมายถึง "ความลาดชัน" โดยอ้างถึงความลาดชันหรือความเอียงของแกนโลก ตำราคลาสสิกที่มีอิทธิพลมากที่สุดเกี่ยวกับภูมิอากาศคือOn Airs, Water and Places ^{[ 4 ]}ซึ่งเขียนโดยฮิปโปเครติ ส ราว 400 ปีก่อน คริสตกาล งานเขียนนี้กล่าวถึงผลกระทบของภูมิอากาศต่อสุขภาพของมนุษย์และความแตกต่างทางวัฒนธรรมระหว่างเอเชียและยุโรป^{[ 4 ]}แนวคิดที่ว่าภูมิอากาศควบคุมว่าประชากรใดจะประสบความสำเร็จขึ้นอยู่กับภูมิอากาศของพวกเขา หรือลัทธิกำหนดโดยภูมิอากาศยังคงมีอิทธิพลตลอดประวัติศาสตร์^{[ 4 ]} นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนShen Kuo (1031–1095) สรุปว่าภูมิอากาศเปลี่ยนแปลงไปตามธรรมชาติในช่วงเวลาอันยาวนาน หลังจากสังเกตไม้ไผ่ที่กลายเป็นหิน ที่พบใต้ดินใกล้กับ Yanzhou (ปัจจุบันคือYan'an มณฑล Shaanxi ) ซึ่งเป็นพื้นที่แห้งแล้งที่ไม่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตของไม้ไผ่ในเวลานั้น^{[ 5 ]}

การประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์และบารอมิเตอร์ในช่วงการปฏิวัติวิทยาศาสตร์ทำให้สามารถบันทึกข้อมูลได้อย่างเป็นระบบ ซึ่งเริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ปี ค.ศ. 1640–1642 ในอังกฤษ^{[ 4 ]}นักวิจัยด้านภูมิอากาศยุคแรก ได้แก่เอ็ดมันด์ ฮัลลีย์ผู้ตีพิมพ์แผนที่ลมค้าขายในปี ค.ศ. 1686 หลังจากการเดินทางไปยังซีกโลกใต้ เบน จามิน แฟรงคลิน (ค.ศ. 1706–1790) เป็นคนแรกที่ทำแผนที่เส้นทางของกระแสน้ำกัล ฟ์สตรีม เพื่อใช้ในการส่งจดหมายจากอเมริกาเหนือไปยังยุโรปฟรานซิส กัลตัน (ค.ศ. 1822–1911) เป็นผู้คิดค้นคำว่าแอนติไซโคลน^{[ 6 ]}เฮลมุต แลนด์สเบิร์ก (ค.ศ. 1906–1985) ส่งเสริมการใช้การวิเคราะห์ทางสถิติในด้านภูมิอากาศวิทยา

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ภูมิอากาศวิทยาเน้นไปที่การอธิบายภูมิอากาศในระดับภูมิภาคเป็นหลัก ภูมิอากาศวิทยาเชิงพรรณนานี้ส่วนใหญ่เป็นวิทยาศาสตร์ประยุกต์ โดยให้สถิติแก่เกษตรกรและผู้สนใจอื่นๆ เกี่ยวกับสภาพอากาศปกติและโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์สุดขั้ว^{[ 7 ]}ในการทำเช่นนี้ นักภูมิอากาศวิทยาต้องกำหนดสภาพภูมิอากาศปกติหรือค่าเฉลี่ยของสภาพอากาศและสภาพอากาศสุดขั้วในช่วงเวลาโดยทั่วไป 30 ปี^{[ 8 ]} แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะทราบถึงการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในอดีต เช่นยุคน้ำแข็งแต่แนวคิดที่ว่าสภาพภูมิอากาศเปลี่ยนแปลงไปอย่างค่อยเป็นค่อยไปนั้นมีประโยชน์สำหรับภูมิอากาศวิทยาเชิงพรรณนา สิ่งนี้เริ่มเปลี่ยนแปลงในช่วงหลายทศวรรษต่อมา และแม้ว่าประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะเริ่มต้นก่อนหน้านี้ แต่การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเพิ่งกลายเป็นหัวข้อหลักของการศึกษาสำหรับนักภูมิอากาศวิทยาในช่วงทศวรรษ 1970 และหลังจากนั้น^{[ 9 ]}

หัวข้อย่อยต่างๆ ของภูมิอากาศวิทยาศึกษาแง่มุมต่างๆ ของภูมิอากาศ มีการจัดหมวดหมู่หัวข้อย่อยของภูมิอากาศวิทยาที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น สมาคมอุตุนิยมวิทยาแห่งอเมริกาได้ระบุภูมิอากาศวิทยาเชิงพรรณนา ภูมิอากาศวิทยาเชิงวิทยาศาสตร์ และภูมิอากาศวิทยาประยุกต์เป็นสามหมวดหมู่ย่อยของภูมิอากาศวิทยา ซึ่งเป็นการจัดหมวดหมู่ตามความซับซ้อนและวัตถุประสงค์ของการวิจัย^{[ 10 ]}นักภูมิอากาศวิทยาประยุกต์ใช้ความเชี่ยวชาญของตนในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่นการผลิตและการเกษตร^{[ 11 ]}

ธรณีวิทยาภูมิอากาศโบราณคือความพยายามที่จะสร้างและทำความเข้าใจสภาพภูมิอากาศในอดีตโดยการตรวจสอบบันทึกต่างๆ เช่นแกนน้ำแข็งและวงปีของต้นไม้ ( ธรณีวิทยาภูมิอากาศ ) ธรณีวิทยาพายุโบราณใช้บันทึกเหล่านี้เพื่อช่วยกำหนดความถี่ของพายุเฮอริเคนในช่วงหลายพันปี ธรณีวิทยาภูมิอากาศเชิงประวัติศาสตร์คือการศึกษาภูมิอากาศที่เกี่ยวข้องกับประวัติศาสตร์ของมนุษย์ ดังนั้นจึงเกี่ยวข้องกับช่วงไม่กี่พันปีที่ผ่านมาเป็นหลัก

ภูมิอากาศวิทยาชั้นบรรยากาศระดับล่างเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนน้ำ พลังงาน และโมเมนตัมใกล้พื้นผิว^{[ 12 ]}หัวข้อย่อยที่ระบุเพิ่มเติม ได้แก่ ภูมิอากาศวิทยาเชิงกายภาพ ภูมิอากาศวิทยาเชิงพลวัต ภูมิอากาศวิทยาพายุทอร์นาโด ภูมิอากาศวิทยาระดับ ภูมิภาค ภูมิอากาศ วิทยาชีวภาพและ ภูมิอากาศวิทยา เชิงซินอปติกการศึกษาวัฏจักรทางอุทกวิทยาในช่วงเวลาที่ยาวนานบางครั้งเรียกว่า อุทกภูมิอากาศวิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อศึกษาผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศต่อวัฏจักรน้ำ^{[ 10 ]}

การศึกษาสภาพภูมิอากาศในปัจจุบันนั้นรวมถึงข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยาที่สะสมมาเป็นเวลาหลายปี เช่น บันทึกปริมาณน้ำฝน อุณหภูมิ และองค์ประกอบของบรรยากาศ ความรู้เกี่ยวกับบรรยากาศและพลวัตของมันยังปรากฏอยู่ในแบบจำลองไม่ว่าจะเป็น แบบ จำลองทางสถิติหรือทางคณิตศาสตร์ซึ่งช่วยในการบูรณาการการสังเกตการณ์ต่างๆ และทดสอบว่าข้อมูลเหล่านั้นสอดคล้องกันได้ดีเพียงใด การสร้างแบบจำลองใช้เพื่อทำความเข้าใจสภาพภูมิอากาศในอดีต ปัจจุบัน และอนาคตที่อาจเกิดขึ้น

การวิจัยด้านภูมิอากาศเป็นเรื่องยาก เนื่องจากขนาดที่ใหญ่ ระยะเวลาที่ยาวนาน และกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งควบคุมภูมิอากาศ ภูมิอากาศถูกควบคุมโดยหลักการทางฟิสิกส์ซึ่งสามารถแสดงได้ในรูปสมการเชิงอนุพันธ์ สมการเหล่านี้มีความเชื่อมโยงกันและไม่เป็นเชิงเส้น ดังนั้นจึงได้คำตอบโดยประมาณโดยใช้วิธีการเชิงตัวเลขในการสร้างแบบจำลองภูมิอากาศโลกบางครั้งภูมิอากาศถูกจำลองเป็นกระบวนการสุ่มแต่โดยทั่วไปแล้วถือว่าเป็นเพียงการประมาณค่าสำหรับกระบวนการที่ซับซ้อนเกินกว่าจะวิเคราะห์ได้ด้วยวิธีอื่น

การรวบรวมบันทึกข้อมูลตัวแปรสภาพภูมิอากาศในระยะยาวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการศึกษาสภาพภูมิอากาศ ภูมิอากาศวิทยาเกี่ยวข้องกับข้อมูลโดยรวมที่นักอุตุนิยมวิทยาบันทึกไว้^{[ 13 ]}นักวิทยาศาสตร์ใช้การสังเกตสภาพภูมิอากาศทั้งทางตรงและทางอ้อม ตั้งแต่ดาวเทียมสำรวจโลกและเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ เช่น เครือข่ายเทอร์โมมิเตอร์ ทั่วโลก ไปจนถึงน้ำแข็งยุคก่อนประวัติศาสตร์ที่ สกัดจาก ธารน้ำแข็ง^{[ 14 ]}เนื่องจากเทคโนโลยีการวัดเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา บันทึกข้อมูลจึงมักไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้โดยตรง เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วเมืองต่างๆ จะมีอุณหภูมิสูงกว่าบริเวณโดยรอบการขยายตัวของเมืองจึงทำให้จำเป็นต้องแก้ไขข้อมูลอย่างต่อเนื่องเพื่อแก้ไขผลกระทบจากปรากฏการณ์เกาะความร้อนในเมือง^{[ 15 ]}

แบบจำลองสภาพภูมิอากาศใช้วิธีการเชิงปริมาณเพื่อจำลองปฏิสัมพันธ์ของชั้นบรรยากาศ มหาสมุทร พื้นผิวโลก และน้ำแข็ง แบบจำลองเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในหลากหลายวัตถุประสงค์ ตั้งแต่การศึกษาพลวัตของระบบสภาพอากาศและภูมิอากาศ ไปจนถึงการคาดการณ์สภาพภูมิอากาศในอนาคต แบบจำลองสภาพภูมิอากาศทั้งหมดจะปรับสมดุล หรือเกือบจะสมดุล ระหว่างพลังงานที่เข้ามาในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นสั้น (รวมถึงแสงที่มองเห็นได้) กับพลังงานที่แผ่ออกไปจากโลกในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นยาว (อินฟราเรด) ความไม่สมดุลใดๆ จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเฉลี่ยของโลก แบบจำลองสภาพภูมิอากาศส่วนใหญ่รวมถึงผลกระทบจากการแผ่รังสีของก๊าซเรือนกระจกเช่นคาร์บอนไดออกไซด์แบบจำลองเหล่านี้คาดการณ์แนวโน้มการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิพื้นผิวรวมถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่รวดเร็วยิ่งขึ้นในละติจูดที่สูงกว่า

แบบจำลองมีตั้งแต่แบบง่ายไปจนถึงแบบซับซ้อน:

• แบบจำลองการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีอย่างง่ายที่ถือว่าโลกเป็นจุดเดียวและหาค่าเฉลี่ยของพลังงานที่แผ่ออกไป
• สามารถขยายได้ทั้งในแนวตั้ง (แบบจำลองการแผ่รังสีและการพาความร้อน) หรือในแนวนอน
• แบบจำลองภูมิอากาศโลกที่เชื่อมโยงบรรยากาศ มหาสมุทร และน้ำแข็งในทะเล จะทำการแบ่งส่วนและแก้สมการเต็มรูปแบบสำหรับการถ่ายเทมวลและพลังงาน รวมถึงการแลกเปลี่ยนรังสี
• แบบจำลองระบบโลกยังรวมถึงชีวภาคด้วย

นอกจากนี้ ยังมีข้อมูลที่มีความละเอียดแตกต่างกันตั้งแต่ >100 กม. ถึง 1 กม. ความละเอียดสูงในแบบจำลองสภาพภูมิอากาศโลกนั้นต้องการการคำนวณสูงมาก และมีชุดข้อมูลทั่วโลกเพียงไม่กี่ชุดเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ICON ^{[ 16 ]}หรือข้อมูลที่ลดขนาดลงตามกลไก เช่น CHELSA (ข้อมูลภูมิอากาศที่มีความละเอียดสูงสำหรับพื้นที่ผิวดินของโลก) ^{[ 17 ] [ 18 ]}

หัวข้อที่นักวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศศึกษานั้นประกอบด้วยสามหมวดหมู่หลัก ได้แก่ความแปรปรวนของสภาพภูมิอากาศกลไกของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในยุคปัจจุบัน^{[ 19 ]}

ปัจจัยต่างๆ มีผลต่อสภาพเฉลี่ยของบรรยากาศ ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง ตัวอย่างเช่น บริเวณละติจูดกลางจะมีวัฏจักรตามฤดูกาลของอุณหภูมิที่ชัดเจน ในขณะที่บริเวณเขตร้อนจะแสดงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยตลอดทั้งปี^{[ 20 ]}ตัวแปรสำคัญอีกประการหนึ่งของสภาพภูมิอากาศคือความเป็นทวีป: ระยะทางไปยังแหล่งน้ำขนาดใหญ่ เช่นมหาสมุทร มหาสมุทรทำหน้าที่เป็นปัจจัยปรับสมดุล ดังนั้นพื้นที่ที่อยู่ใกล้มหาสมุทรจึงมักมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างฤดูหนาวและฤดูร้อนน้อยกว่าพื้นที่ที่อยู่ไกลออกไป^{[ 21 ]}บรรยากาศมีปฏิสัมพันธ์กับส่วนอื่นๆ ของระบบภูมิอากาศโดยลมก่อให้เกิดกระแสน้ำในมหาสมุทรที่ขนส่งความร้อนไปทั่วโลก^{[ 22 ]}

การจำแนกประเภทเป็นวิธีการสำคัญในการทำให้กระบวนการที่ซับซ้อนง่ายขึ้นการจำแนกประเภทภูมิอากาศ ที่แตกต่างกัน ได้รับการพัฒนามาหลายศตวรรษ โดยเริ่มจากในสมัยกรีกโบราณวิธีการจำแนกประเภทภูมิอากาศขึ้นอยู่กับการใช้งาน ผู้ผลิต พลังงานลมจะต้องการข้อมูล (ลม) ในการจำแนกประเภทที่แตกต่างจากผู้ที่สนใจด้านการเกษตร ซึ่งปริมาณน้ำฝนและอุณหภูมิมีความสำคัญมากกว่า^{[ 23 ]} การจำแนก ประเภทภูมิอากาศแบบ Köppenซึ่งเป็นการจำแนกประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดได้รับการพัฒนาในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และอิงตามพืชพรรณ โดยใช้ข้อมูลรายเดือนเกี่ยวกับอุณหภูมิและปริมาณน้ำฝน^{[ 24 ]}

ความแปรปรวนมีหลายประเภท เช่น รูปแบบที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ของอุณหภูมิหรือตัวแปรสภาพภูมิอากาศอื่นๆ ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยดัชนีต่างๆ เช่นเดียวกับดัชนีอุตสาหกรรมดาวโจนส์ซึ่งอิงจากราคาหุ้นของ 30 บริษัท ที่ใช้เป็นตัวแทนความผันผวนของราคาหุ้นโดยทั่วไป ดัชนีสภาพภูมิอากาศก็ใช้เป็นตัวแทนองค์ประกอบสำคัญของสภาพภูมิอากาศเช่นกัน โดยทั่วไปแล้ว ดัชนีสภาพภูมิอากาศถูกสร้างขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์สองประการคือ ความเรียบง่ายและความครบถ้วน และแต่ละดัชนีมักจะแสดงถึงสถานะและช่วงเวลาของปัจจัยสภาพภูมิอากาศที่มันเป็นตัวแทน โดยธรรมชาติแล้ว ดัชนีมีความเรียบง่าย และรวมรายละเอียดมากมายเข้าไว้ในคำอธิบายโดยรวมของบรรยากาศหรือมหาสมุทร ซึ่งสามารถใช้เพื่ออธิบายปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่อระบบสภาพภูมิอากาศโลกได้

ปรากฏการณ์ เอลนีโญ-ความผันผวนทางใต้ (ENSO) เป็นปรากฏการณ์ที่เชื่อมโยงระหว่างมหาสมุทรและบรรยากาศในมหาสมุทรแปซิฟิก ซึ่งเป็นสาเหตุของความแปรปรวนของอุณหภูมิทั่วโลก^{[ 22 ]}และมีวัฏจักรระหว่างสองถึงเจ็ดปี^{[ 25 ]} ความผันผวน ของมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือเป็นรูปแบบของความแปรปรวนที่ส่วนใหญ่จำกัดอยู่ในชั้นบรรยากาศตอนล่าง คือ ชั้นโทร โปสเฟียร์ชั้นบรรยากาศด้านบน คือชั้นสตราโตสเฟียร์ก็สามารถสร้างความแปรปรวนของตัวเองได้เช่นกัน ที่สำคัญที่สุดคือความผันผวนของแมดเดน-จูเลียน (MJO) ซึ่งมีวัฏจักรประมาณ 30 ถึง 60 วันความผันผวนของมหาสมุทรแปซิฟิกในช่วงทศวรรษสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงในมหาสมุทรแปซิฟิกและชั้นบรรยากาศตอนล่างในช่วงเวลาหลายทศวรรษได้

การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเกิดขึ้นเมื่อการเปลี่ยนแปลงของระบบภูมิอากาศ ของโลกส่งผลให้เกิดรูปแบบ สภาพอากาศใหม่ที่คงอยู่เป็นระยะเวลานาน ระยะเวลานี้อาจสั้นเพียงไม่กี่ทศวรรษไปจนถึงยาวนานหลายล้านปี ระบบภูมิอากาศได้รับพลังงานเกือบทั้งหมดจากดวงอาทิตย์ ระบบภูมิอากาศยังปล่อยพลังงานออกสู่อวกาศด้วย ความสมดุลของพลังงานขาเข้าและขาออก และการไหลของพลังงานผ่านระบบภูมิอากาศ จะเป็นตัวกำหนดงบประมาณพลังงานของโลกเมื่อพลังงานขาเข้ามากกว่าพลังงานขาออก งบประมาณพลังงานของโลกจะเป็นบวกและระบบภูมิอากาศจะร้อนขึ้น หากพลังงานขาออกมากกว่า งบประมาณพลังงานจะเป็นลบและโลกจะเย็นลง^{[ 26 ]} การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศยังส่งผลต่อ ระดับน้ำทะเลเฉลี่ย ด้วย

การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศสมัยใหม่ส่วนใหญ่เกิดจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ของมนุษย์ จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งทำให้อุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ยทั่วโลก สูงขึ้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเป็นเพียงแง่มุมหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศสมัยใหม่ ซึ่งยังรวมถึงการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ของปริมาณน้ำฝนเส้นทางพายุและปริมาณเมฆ อุณหภูมิที่สูงขึ้นกำลังก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมของระบบภูมิอากาศเช่นการละลายของธารน้ำแข็งในวงกว้างระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้นและการเปลี่ยนแปลงของพืชและสัตว์^{[ 27 ]}

ตรงกันข้ามกับอุตุนิยมวิทยา ซึ่งเน้นระบบ สภาพอากาศระยะสั้นที่กินเวลาไม่เกินสองสามสัปดาห์ ภูมิอากาศวิทยาศึกษาความถี่และแนวโน้มของระบบเหล่านั้น โดยศึกษาช่วงเวลาของการเกิดเหตุการณ์สภาพอากาศในช่วงหลายปีถึงหลายพันปี รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบสภาพอากาศเฉลี่ยระยะยาวที่สัมพันธ์กับสภาพบรรยากาศนักภูมิอากาศวิทยาศึกษาทั้งลักษณะของภูมิอากาศ ไม่ว่าจะเป็นระดับท้องถิ่น ระดับภูมิภาค หรือระดับโลก และปัจจัยทางธรรมชาติหรือที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งทำให้ภูมิอากาศเปลี่ยนแปลง ภูมิอากาศวิทยาพิจารณาถึงอดีตและสามารถช่วยทำนายการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในอนาคตได้

ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจทางด้านภูมิอากาศวิทยา ได้แก่ชั้นบรรยากาศระดับล่างรูปแบบการหมุนเวียนของ อากาศ การถ่ายเทความร้อน ( การแผ่รังสีการพาความร้อนและการแฝง ) ปฏิสัมพันธ์ระหว่างบรรยากาศกับมหาสมุทรและพื้นผิวโลก (โดยเฉพาะพืชพรรณการใช้ที่ดินและลักษณะภูมิประเทศ ) และองค์ประกอบทางเคมีและกายภาพของบรรยากาศ

เทคนิคอะนาล็อกเป็นวิธีการพยากรณ์ที่ค่อนข้างยาก ซึ่งต้องอาศัยการจดจำเหตุการณ์สภาพอากาศในอดีตที่คาดว่าจะเกิดขึ้นซ้ำในเหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นในอนาคต สิ่งที่ทำให้เทคนิคนี้ยากคือแทบจะไม่มีอะนาล็อกที่สมบูรณ์แบบสำหรับเหตุการณ์ในอนาคต^{[ 28 ]} บางคนเรียกการพยากรณ์ประเภทนี้ว่าการจดจำรูปแบบ ซึ่งยังคงเป็นวิธีการที่มีประโยชน์ในการประมาณปริมาณน้ำฝนในพื้นที่ที่ไม่มีข้อมูล เช่น มหาสมุทร โดยใช้ความรู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างภาพถ่ายดาวเทียมกับอัตราการตกของฝนบนบก^{[ 29 ]}รวมถึงการพยากรณ์ปริมาณและการกระจายตัวของปริมาณน้ำฝนในอนาคต รูปแบบหนึ่งของแนวคิดนี้ที่ใช้สำหรับการพยากรณ์ระยะกลางเรียกว่าการเชื่อมโยงระยะไกลเมื่อใช้ระบบในสถานที่อื่นเพื่อช่วยกำหนดตำแหน่งของระบบภายในระบบโดยรอบ^{[ 30 ]} วิธีหนึ่งในการใช้การเชื่อมโยงระยะไกลคือการใช้ดัชนีสภาพภูมิอากาศ เช่น ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับ ENSO ^{[ 31 ]}

• เจนนี่ อักโลว์ , "สภาพอากาศเป็นอย่างไร" (บทวิจารณ์หนังสือของซาราห์ ไดรย์เรื่อง น้ำแห่งโลก: เรื่องราวของนักวิทยาศาสตร์ผู้ไขปริศนาแห่งมหาสมุทร บรรยากาศ และแผ่นน้ำแข็งของเรา และทำให้โลกสมบูรณ์สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยชิคาโก, 2019, 332 หน้า), เดอะนิวยอร์กรีวิวออฟบุ๊คส์ , เล่มที่ LXVI, ฉบับที่ 20 (19 ธันวาคม 2019), หน้า 56–58

Wikiversity มีแหล่งข้อมูลการเรียนรู้เกี่ยวกับภูมิอากาศวิทยา

• รายงานพิเศษด้านวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศ – โครงการวิจัยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกของสหรัฐอเมริกา
• KNMI Climate Explorer คือเครื่องมือสำรวจสภาพภูมิอากาศของสถาบันอุตุนิยมวิทยาแห่งเนเธอร์แลนด์ ที่แสดงกราฟความสัมพันธ์ทางภูมิอากาศของข้อมูลเชิงพื้นที่และเวลา
• ภูมิอากาศวิทยาในฐานะวิชาชีพเก็บถาวรเมื่อวันที่ 13 กรกฎาคม 2550 ที่Wayback Machineสถาบันฟิสิกส์แห่งอเมริกา บันทึกประวัติศาสตร์ของสาขาวิชาภูมิอากาศวิทยาในศตวรรษที่ 20