气候系统由大气、海洋、陆地表面、冰雪覆盖层和生物圈等五个部分组成。太阳辐射是这个系统的主要能源。在太阳辐射的作用下，气候系统内部产生一系列的复杂过程，各个组成部分之间，通过物质交换和能量交换，紧密地联结成一个开放系统。
大气是气候系统中最容易变化的部分，例如，当外界热量输入(主要是太阳辐射)发生变化后，通过各种热量输送和交换过程能在一个月的时间内，调整对流层温度的分布。
海洋占地球表面面积的71％左右，它能吸收到达地表的大部分太阳辐射能，海水又具有很大的热容量，所以它是气候系统中一个巨大的能量贮存库。洋流在热量输送和全球热量平衡中起着巨大的作用，海洋表层在数月到数年内与大气或海冰相互发生作用，调节其温度。海洋的深层热量调节时间则需要几百年。
陆地表面具有不同的海拔高度、地形、岩石、沉积物和土壤，以及河、湖、地下水等。河、湖、地下水是水分循环中的重要组成部分，它们也是气候系统中容易变化的部分。陆块位置、高度和地形发生变化的时间尺度，在气候系统的所有组成部分中是最长的。
冰雪覆盖层包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪被等。雪被和海冰有很明显的季节变化，冰川和冰原的变化要缓慢得多。冰川和冰原的体积变化与海平面的变化有密切的联系。冰雪具有很大的反射率，在气候系统中，它是一个致冷因素。
生物圈指的是陆地上和海洋中的植物以及生存在大气、海洋和陆地的动物。生物对于大气和海洋的CO2平衡、气溶胶的产生，以及其他气体成分和盐类有关的化学平衡都有很重要的作用。植物可以随着温度、辐射和降水的变化而发生自然变化，其变化的时间尺度为一个季节到数千年不等；而且植物反过来又会改变地面反射率和粗糙度,影响水分的蒸发、蒸腾，以及地下水循环。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，也反应了气候的改变。
气候系统的属性可以概括为以下四个方面：热力属性，包括空气、水、冰和陆地的温度；动力属性，包括风、洋流及与之相联系的垂直运动和冰体移动；水分属性，包括空气湿度、云量及云中含水量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等；静力属性，包括大气和海水的密度和压强、大气的组成成分、大洋盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。这些属性在一定的外因条件下通过气候系统内部的物理过程(也有化学过程和生物过程)而互相关联着，并在不同时间尺度内变化着。
有的科学家把气候状态定义为：气候系统的全部成分在任一特定时段内的平均统计特征。这个定义的可取之处在于：
(1)它指出气候的物质基础是气候系统，而不仅仅是大气，它和天气系统是有区别的；
(2)气候是一个历史的概念，它和特定的时间阶段相联系，而不存在绝对的气候概念；
(3)某一时段的气候状态是指这一时段气候系统各属性的平均统计特征，不像天气是指某一瞬时或某一短时间内大气中气象要素和天气现象的综合。
必须指出，气候是复杂的自然地理现象之一。气候系统本身就说明了这个问题，气候的地带性和非地带性的地区差异，更足以表征它的自然地理特性。
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