大气圈是包围地球整个空气层的总称，厚度有2000～3000km，总质量5.2×1015吨。大气圈由氮、氢、氧等多种气体混合组成，位于其他四大圈层之上。按照大气物理性质的不同，自下而上可以分为对流层，平流层，中间层，暖层和散逸层。大气圈主要通过大气的成分及其辐射收支的变化影响地球气候。在大气圈可以发生各种空间和时间尺度的变化，从高频的天气变化到百年以上尺度的缓慢气候变化。

大气圈从地表到对流层顶的部分称对流层，对流层顶的高度随纬度和季节变化，平均在10～15km之间，其中在赤道地区可高达18km，极区8km左右（图1.2）。虽然与大气总高度相比对流层只占很小一部分，但它却一中了大气总质量的80%和几乎全部的水汽，这是人类活动最集中，也是天气活动最剧烈的大气层，其垂直混合过程因对流和湍流活动快速进行。对流层以上到50公里左右的部分称为平流层，平流层温度随高度是增加的，主要是由于大气臭氧层吸收了太阳紫外辐射；火山爆发的尘埃和气溶胶喷射到平流层中可以影响地球的气候。平流层之上是中间层和暖层（又称电离层）以及散逸层。在气候系统中主要把它们处理作大气顶部，一般它们并不直接影响气候，而是通过辐射过程来影响地球系统和气候的。

大气圈中的大气成分是由各种气体和水汽以及固、液态质点（气溶胶）、云等组成。其中大气组成按照浓度可分为：（1）主要成分（一般浓度在1%以上），它们是：氮（N2）占78.1%（体积混合比），氧（O2）占20.9%，氩（Ar）占0.93%。这些气体是惰性气体，一般与入射的太阳辐射相互作用甚小，与地球放射的红外长波辐射也不相互作用，也就是说，他们既不吸收也不放射热辐射；（2）微量成分，其浓度在1ppm～104ppm（1%）之间，包括二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氦（He），氖（Ne），氪（Kr）等干空气成分，和水汽（H2O）；（3）痕量成分，其浓度在1ppm以下，主要包括氧化亚氮（N2O），二氧化硫（SO2），一氧化碳（CO），一氧化氮（NO）等。此外，还有一些人为产生的污染气体，浓度多为ppt量级。对地球气候有重大影响的正是大气中的许多微量和痕量气体。如二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），和氧化亚氮（N2O）。这些虽然气体只占大气总体积混合比的0.1%以下，但由于它们吸收和放射辐射，是大气中能产生温室效应的气体成分，所以这些气体又称温室气体。大气中的水汽（H2O）也是一种自然的温室气体，它可以通过相变转化成水滴、云滴与冰晶，因而对大气圈辐射收支影响很大，其体积混合比随时间和地点变化甚大，一般约占大气总体积混合比的1%左右。臭氧（O3）在地球的能量收支中也起着重要作用。大气圈下层（平流层下部和对流层）的O3是一种温室气体，而平流层中上层的O3浓度很高，形成了自然的臭氧层，它吸收太阳紫外辐射，在平流层的辐射平衡中起着重要作用。大气中悬浮的固、液态物质（如气溶胶）和云以极其复杂的方式与入射太阳辐射和地球长波辐射相互作用，进而影响地球的气候变化（丁一汇等，2003）。

大气圈是气候系统中最不稳定，变化最快的部分。大气圈不但受到其它四个圈层的直接作用与影响，而且与人类活动有最密切的关系。气候系统中其它圈层变化产生的最后影响结果都会反映在大气圈中，因而大气圈是气候系统最重要的组成部分。

水圈由所有的液态地表水体和地下水组成，既包括淡水（如江河，湖以及岩层中的水）也包括海洋的咸水。海洋和陆地的水通过蒸发或蒸散，以水汽的形式进入大气中，尤其是海洋中的水汽大量的被大气环流输送到陆地上空，在那里成云致雨。降水的一部分又以地表径流（主要是在河流中）的形式流入海洋，影响着海洋的盐分和环流。另一部分渗透入地下变成地下径流和地下水。前者又可回流到海洋，后者则储存于地下，补充不断被采汲的地下水。上述水圈循环（图1.3）周而复始，为地球的各种系统提供必需的水源。

在水圈中，对气候影响最大的是海洋。海洋占地球面积的70%左右，它可以储存和输送大量的能量。最近的估算表明，地球获得的净能量的90%都储存于海洋中。同时，海洋还可以溶解与储存大量的CO2，是全球碳循环中非常重要的部分。海洋的环流比大气环流要慢得多，它是由盐分与温度梯度产生的密度差（即热盐环流）驱动的。海洋有很大的热惯性，这主要是由于海水的热容量很大，它一方面可以阻尼或减缓剧烈的温度变化，起到地球气候调节器的作用，另一方面，由于它有较长的记忆力（尤其是在热带海洋），可以长时期通过海气相互作用影响大气的变化，成为自然气候变率的源。所以海洋对气候变化而言，被称为是一种很重要的耦合强迫，以区别于气候系统的外强迫（火山爆发、太阳活动等）（丁一汇等，2003）。

水圈中所有的水是通过水循环联系在一起的，它直接涉及到自然界中一系列物理、化学和生物过程。水循环对人类生存和人类社会的生产生活过程都有极其重要的意义。一方面，由于水循环的存在，人类赖以生存的水不断得到更新和补充，成为一种可重复利用的再生性资源；另一方面，水循环也使各个地区的气温、湿度等不断得到调整。

冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖等（表1.1）。目前全球陆地约有10.6%被冰雪所覆盖。海冰的面积比陆冰的面积要大，但是由于世界海洋面积广阔，海冰仅占海洋面积的6.7%。陆地雪盖有季节性的变化，海冰也有季节到几十年际的变化，而大陆冰原和冰川的变化要缓慢得多，其体积和范围显示出重大变化的周期在几百年甚至几百万年。冰川和冰原的体积变化与海平面高度的变化有很大关系。由于冰雪对太阳辐射的反射率很大，而在冰雪覆盖下，地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大影响。

冰雪圈中的大陆冰原、高山冰川、冻土、海冰等又常称为冰冻圈，它是特定气候（寒冷）作用于水体的产物，其变化与气候和水资源的变化有着密切的关系。冰冻圈变化不仅直接影响全球气候和海平面、湖泊水位和河流径流的变化，同时还会对与地表水热平衡密切相关的生态环境及人类活动产生影响。

岩石圈是指地壳和上地幔顶部坚硬岩石组成的地球外壳，其厚度从不足50km到125km以上，平均约为75km，既包括陆地，也包括海洋。岩石会受大气、水和生物等因素影响而产生机械的和化学的风化作用，使岩石破碎和形成土壤，化学成分和矿物成分发生改变，其中气候和地形条件是影响岩石分化的重要因子。岩石圈受大气过程的影响会形成覆盖层（雨水和冰雪）。火山活动是岩石圈的一部分，是一种影响地球气候的自然外强迫因子。

岩石圈的这些特征对地质时期的气候变化有巨大影响，地质构造的变化是地质年代气候变化的一个主要驱动力，但对近代在季节、年际、十年际乃至百年际的气候变化的影响基本可以忽略。在上述近代气候变化的时间尺度内，除火山爆发外，岩石圈对大气的作用主要还是发生在陆地表面。陆地表面具有不同的海拔高度和起伏形势，可分为山地、高原、平原、丘陵和盆地等地表类型。它们以不同的规模错综分布在各大洲，构成崎岖复杂的下垫面并影响着气候。在此下垫面上又因岩石、沉积物和土壤等性质的不同，对气候造成复杂多样的影响。

生物圈是地球上出现并感受到生命活动影响的地区，是地表有机体（包括微生物）及其自下而上环境的总称，是行星地球特有的圈层，也是人类诞生和生存的空间。

生物圈的概念是由奥地利地质学家休斯在1375年首次提出的，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它在地面以上达到大致23km的高度，在地面以下延伸至10km的深处，其中包括平流层的下层、整个对流层以及沉积岩圈和水圈。但绝大多数生物通常生存于地球陆地之上和海洋表面之下各约100m厚的范围内。

生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是一个生命物质与非生命物质的自我调节系统。它的形成是生物界与水圈、大气圈及岩石圈长期相互作用的结果，也对大气成分有着重要的影响，例如海洋通过生物过程大量吸收CO2以此控制大气长期的CO2浓度；通过植物—浮游生物的光合作用减少海洋表层的CO2含量，以此使大气中更多的CO2溶解于海洋中。大约在海洋上层植物—浮游生物吸收的25%碳又沉入海洋内部，在那里它不再与大气接触，储存于深海达几百或几千年，这种所谓生物泵与上述CO2的溶解过程控制着海洋—大气的CO2交换分布型。因而生物圈在碳循环中起着重要作用。

另外，生物圈还可以获得来自太阳的充足光能，使绿色植物吸收太阳能合成有机物而进入生物循环，提供生命物质所需的各种营养元素，包括O2、CO2、N、C、K、Ca、Fe、S等，生物的生命活动促进了能量转化和物质循环，并引起生物的生命活动发生变化。

生物圈的各个部分变化的时间尺度有显著差异，但它们对气候的变化都很敏感，且反过来又可以影响气候。生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡、气溶胶粒子的产生，以及其它与气体成分和盐类物质有关的化学平衡等都有很重要的作用。植物自然变化的时间尺度为一个季度到数千年不等，其可以影响地面的粗糙度、反射率以及蒸发、蒸腾和地下水循环。由于动物需要得到适当的食物和栖息地，所以动物群体的变化也反映了植物和气候的变化。人类活动既受气候的影响，又通过诸如农牧业、工业生产及城市建设等过程，不断改变土地、水资源等的利用和植被状况，从而改变地表的物理特性以及地表与大气之间的物质和能量交换，对气候产生影响。