氣候的形成和變化受多種因子的制約。近代氣候?qū)W將那些能夠影響氣候而本身不受氣候影響的因子稱(chēng)為外部因子（如太陽(yáng)輻射、地球軌道參數(shù)的變化、大陸漂移、火山活動(dòng)等）。氣候系統(tǒng)各成員之間的相互作用為內(nèi)部因子，而外部因子又必須通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，才能對(duì)氣候產(chǎn)生影響。

氣候系統(tǒng)的屬性概括為四個(gè)方面：①熱力屬性，包括空氣、水、冰和陸地表面的溫度；②動(dòng)力屬性，包括風(fēng)、洋流及與之相聯(lián)系的垂直運(yùn)動(dòng)和冰體運(yùn)動(dòng)；③水分屬性，包括空氣濕度、云量及云中含水量、降水量、土壤濕度、河湖水位、冰雪等；④靜力屬性，包括大氣和海水的密度和壓強(qiáng)、大氣的組成成分、大洋鹽度及氣候系統(tǒng)的幾何邊界和物理常數(shù)等。這些屬性在一定的外因條件下，通過(guò)氣候系統(tǒng)內(nèi)部的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生物過(guò)程而相互作用著、關(guān)聯(lián)著，并在不同時(shí)間尺度內(nèi)變化著，形成不同時(shí)期的氣候特征。

太陽(yáng)輻射是氣候形成和變化的最主要的外部因子，也是氣候系統(tǒng)的能源。大氣成分如二氧化碳、水汽、臭氧和氣溶膠等可以影響大氣中的輻射傳輸。云的輻射過(guò)程，通過(guò)反射、散射、吸收和透射等過(guò)程產(chǎn)生影響。太陽(yáng)輻射在通過(guò)大氣圈到達(dá)地表的過(guò)程中已經(jīng)有不同程度的削弱。又由于下墊面的性質(zhì)如海洋、冰雪覆蓋和陸地（具有不同地形、植被、土壤和各種土地利用方式等）的差異，對(duì)太陽(yáng)輻射的反射、吸收以及導(dǎo)致的自身增溫作用大不相同，產(chǎn)生不同的熱力屬性。同時(shí)它們又通過(guò)長(zhǎng)波輻射等方式將熱量傳輸給大氣。大氣對(duì)來(lái)自太陽(yáng)的輻射（短波輻射）的吸收率很低，對(duì)來(lái)自氣候系統(tǒng)內(nèi)部的長(zhǎng)波輻射卻易于吸收而增溫。整個(gè)氣候系統(tǒng)再以地球長(zhǎng)波輻射形式將輻射能返回宇宙空間。

氣候系統(tǒng)的動(dòng)力屬性與氣候系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。投射到地球表面的太陽(yáng)輻射能，絕大部分為下墊面所吸收，這一熱能成為促使大氣運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)能源。這種能量傳遞的起始點(diǎn)是強(qiáng)烈受熱的下墊面。由于下墊面的增熱不均，形成大尺度的水平氣溫梯度和大尺度的對(duì)流性不穩(wěn)定。氣團(tuán)從下墊面增熱（能量輸入），空氣發(fā)生鉛直上升運(yùn)動(dòng)，增加其可用位能（available potential energy）。這種位能產(chǎn)生大氣的對(duì)流活動(dòng)，或通過(guò)水平能量梯度，產(chǎn)生大尺度的大氣水平運(yùn)動(dòng)和天氣尺度擾動(dòng)，轉(zhuǎn)換為大尺度的環(huán)流動(dòng)能。風(fēng)在經(jīng)過(guò)海洋表面時(shí)，由于風(fēng)應(yīng)力作用產(chǎn)生波浪并推動(dòng)洋流，將大尺度能量直接傳輸給海洋。在經(jīng)過(guò)崎嶇不平和熱力性質(zhì)不均的陸地表面時(shí)，產(chǎn)生切變不穩(wěn)定和其他邊界效應(yīng)，在能量上轉(zhuǎn)換為小尺度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。這種動(dòng)能因摩擦作用而逐漸消耗，使風(fēng)速減小，能量逐級(jí)退化，最后轉(zhuǎn)變成分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和聲能等（輸出）。如此周而復(fù)始，下墊面不斷吸收太陽(yáng)輻射能，為大氣各種運(yùn)動(dòng)提供持續(xù)的能源。

氣候系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行著復(fù)雜的物質(zhì)交換，最突出的例子是水分循環(huán)。海洋、潮濕陸地、植被通過(guò)蒸發(fā)和蒸騰作用將水汽輸送給大氣，在一定的條件下，水汽在大氣中凝結(jié)成云致雨，釋放出潛熱。大氣中的最大熱源就是這種潛熱。雨水降落除直接返回海洋外，在陸上影響土壤濕度、河湖水位和冰雪等。氣候系統(tǒng)的水分屬性與水分循環(huán)關(guān)系極為密切。

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的屬性有明顯的影響。例如在城市中，由于燃煤量大，排放到空氣中的污染物質(zhì)多，可能改變局地大氣的組成成分。據(jù)研究，在排放的污染物質(zhì)中，如果酸性物質(zhì)與堿性物質(zhì)的總量比值較大，在一定的降水條件下，通過(guò)有關(guān)的物理化學(xué)過(guò)程，會(huì)形成酸雨降落。在長(zhǎng)期受強(qiáng)酸雨影響的地區(qū)，可導(dǎo)致土壤和湖泊酸化，植物和魚(yú)類(lèi)受到嚴(yán)重危害，氣候和生態(tài)環(huán)境惡化。

在氣候系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的相互作用中，存在著大量的反饋過(guò)程，它們起著從內(nèi)部調(diào)節(jié)氣候系統(tǒng)的作用。其中有些反饋過(guò)程有使系統(tǒng)變化振幅加大的作用，稱(chēng)之為正反饋。另一類(lèi)反饋過(guò)程則有對(duì)系統(tǒng)變化的阻尼作用，稱(chēng)之為負(fù)反饋。反饋過(guò)程表明氣候系統(tǒng)各組成部分之間的耦合或相互補(bǔ)償作用。

例如，當(dāng)?shù)孛鏈囟壬邥r(shí)，蒸發(fā)加大，使大氣中水汽含量增多，由于水汽對(duì)地面長(zhǎng)波輻射的不透明性，產(chǎn)生了“溫室效應(yīng)”，從而使地表進(jìn)一步增暖，蒸發(fā)進(jìn)一步加大，這是一種正反饋過(guò)程。另一方面，當(dāng)大氣中水汽含量增多時(shí)，往往產(chǎn)生更多的云，云量的增多將會(huì)減少地面吸收的太陽(yáng)輻射，使地表降溫，因此這是一種阻尼性負(fù)反饋過(guò)程。此外，云也有阻擋地表向外放射長(zhǎng)波輻射的作用，如果這種影響勝過(guò)其對(duì)短波輻射的影響，也可以產(chǎn)生一類(lèi)正反饋過(guò)程。不同高度、不同類(lèi)型的云，對(duì)輻射的影響是不同的，必須針對(duì)具體情況作具體分析。

從氣候的自然變化中可以看出，任何正反饋?zhàn)饔帽貙⒂捎诹硪恍┱{(diào)節(jié)過(guò)程的介入而穩(wěn)定在某一水平上，否則地球氣候?qū)⑹タ刂贫兊靡话l(fā)不可收拾。如地面溫度因水汽、二氧化碳以及其他微量溫室氣體的增加而升高，地球氣候變得越來(lái)越暖，但是火山活動(dòng)所噴發(fā)出來(lái)的大量火山灰，能有效地削弱太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度，產(chǎn)生“陽(yáng)傘效應(yīng)”，使地面溫度降低。因此，氣候的自然變化總趨勢(shì)有可能在某一時(shí)期維持在某一“平均”狀態(tài)，并在這個(gè)水平線(xiàn)上級(jí)聯(lián)：英文cascade之直譯，即逐級(jí)轉(zhuǎn)換之意。

氣候的形成和變化可歸納為以下諸因子：①太陽(yáng)輻射，②宇宙地球物理因子，③環(huán)流因子（包括大氣環(huán)流和洋流），④下墊面因子（包括海陸分布、地形與地面特性、冰雪覆蓋），⑤人類(lèi)活動(dòng)的影響。本章著重闡明①、③、④因子在氣候形成中的作用，在第四章中再論述全部外因和內(nèi)因在氣候變化中的作用。