近年来，美国波拉克（H.N.Pollack）教授在其所著《不确定的科学与不确定的世界》一书中以大量的篇幅说明了科学和客观世界充满了不确定性。从而使得在大多数人眼里以“发现规律为己任”的科学，给人类展示的总是确定性事物的本质受到了质疑和严峻的挑战。一般公众认为，科学之所以成为“科学”，就是因其揭示了某种“确定性”规律或事物的本质。最明显的例子是，牛顿“万有引力”学说诞生以来，不少科学界的权威和大师们都认为，世界万事万物的运动规律都是确定的。其实并不尽然。例如，预测未来某一事物的变化（例如天气、气候或地震等）往往具有一定的风险（即不确定性）。完全能做出与现实非常接近的预言，一般都不能如愿。近几十年来科学界讨论热烈的非线性科学、混沌理论等研究成果表明，由确定性微分方程可以导出貌似随机的混沌结果，这对于支撑许多科学问题的种种确定性观念是一种严峻的挑战。事实上，在自然界乃至人类社会中，不确定性本来就是客观存在的，这就使得许多学科的科学家们对根据一些数学物理定律而构建的种种“模型”有必要重新审视一番。例如，在大气科学中，牛顿力学应用于旋转流体而导出的Navie-stokes方程及热力学第一定律所导出的热力学方程，迄今已成为确定论的大气科学方法论的坚实基础。近二十多年来，在大气动力学基础上发展起来的动力气候数值模拟更加支持了确定论的研究方法和思想。但是，任何一门科学，人们所考察的都只是“有限现象”。自然辩证法认为，一切有限现象都包含有偶然性的成分，因此，科学所研究的一切（物理、化学、生物）过程都包含着偶然性成分，它的外在表现当然就是不确定性。从哲学理论上说，“偶然性”并不阻碍对于各种现象的科学认识，它恰恰是相对于必然性的新的生长点，随着人类对世界认识的深化，各个必然过程的交叉点上所出现的偶然性将逐渐减少，但是，人类对于无穷世界的认识，永远不可能到达“终结真理”的顶点。换言之，在我们周围发生的一切过程，其中包括天气、气候变化过程，都有确定性的一面，可预（知）报的一面，又都存在着不确定性的一面，不可预（知）报的一面。如何正确认识“确定性”与“不确定性”，以便正确处理其相应的方法论，是一个值得探讨的问题。但是当今仍有不少学者，特别沉迷于理想化模型，并特别相信对自然实况做了大量简化处理后所得到的理想化模型的计算结果。例如，全球气候变化问题，它是涉及整个人类生存的大问题，从而也成为举世瞩目的重大科学问题。日前正在北欧哥本哈根召开的世界气候大会正在从各国政府的层面，讨论人类如何应对全球气候变化问题，而所有这些国际问题的依据焦点，就是全球科学界对气候变化的科学研究结果。当前虽然理性和科学的态度占据上风，但关于气候不确定性的研究论文借助“climateprediction.net”试验也已取得了可喜的结果。而异曲同工的是，古气候的研究向纵深化发展，这类研究是减少气候不确定性的最有效的手段之一。实际上，对几百到几千万年以来地球气候变化的翔实研究，也许是我们最终能较准确地预测未来气候所必经的途径。事实上，在地学科学中往往存在着大量的包括随机性、模糊性和未确知性在内的不确定性因素及其信息。地球系统概括起来可分为五大子系统（或圈层），它们是：大气系统、陆面系统、海洋系统、冰层系统、生物系统。地球气候的变化过程，正是涉及到上述全球系统内外部各种因素的相互作用。无论用何种研究方法来诊断和预测气候的变化，必须首先深刻认识全球（气候）系统及其变化的复杂性。近二十多年来，由于地球科学的发展，特别是大气科学及其相关学科的迅速发展，人们对地球气候的形成和变化有了新的认识。“气候”的概念已不再是经典气候学定义的那种所谓“天气状况的平均”或“大气瞬时状态的长期平均”等“静态”概念。气候的形成是全球气候系统（包含大气、海洋、冰雪、陆面及生物各子系统）内外部多种因素错综复杂的相互作用的结果。由于其相互作用过程随时间的推移处于无休止的变化之中，它们涉及到各个子系统内部以及各子系统彼此之间的各种动力的、物理的、化学的和生物的过程，由此导致气候的长期平均状态和偏离平均态的各种时间尺度的变化。除此以外，整个地球气候系统还会受到各种来自天体运动和地球内部运动的渐变或突变因素的冲击而对其施加各种外部强迫，例如地球轨道参数变化、火山爆发、太阳活动等等。因此，全球或任一地（点）区的气候状态在不同的时空尺度上始终是变化的。“气候”的概念必须从气候系统的全部统计特性和物理过程及其变化来认识。   

   气候变化过程的复杂性首先是因气候系统各子系统本身具有显著不同的物理属性而引发。例如，大气是气候系统中最主要最活跃的子系统，人类和大部分生物赖以生存的大气，在垂直方向由对流层、平流层、中层和热层组成，其中对流层是气候变化的主要场所。大气具有易变性，动力不稳定性、能量耗散性。之所以处于运动之中，全靠其它子系统和气候系统外部（太阳辐射）能量的补偿来维持，假如没有补充大气动能的物理过程，大气运动和能量传输就会被摩擦消耗殆尽而终止运行，其时间极限大约只有一个月。由于大气密度和比热相对较小，使其在受热时易变为不稳定，因而对于外部强迫的响应比其它子系统迅速。而太阳短波辐射和地球长波辐射在大气中的传输受大气成分变化的影响，尤其是温室效应强弱变化对气候的影响相当大。此外，大气作为地球外围圈层流体，在旋转地球上运动，服从流体力学中旋转流体运动规律，具有平流和湍流特性、非线性特性及其与边界层和大气内部的磨擦效应，这些特性都可能隐含着不确定性。

海洋覆盖全球70%的面积，由于其热容量大（地球上巨大能量库），并有70米深（对海洋混合层而言），其贮热能力比大气高出30倍。它的热输送，主要通过洋流把赤道地区的多余热量向极输送，而中纬海洋中的能量则以感热、潜热和长波辐射形式释放给大气。由于洋流流速远小于风速，海洋的平流输送比大气慢10倍左右，但其输送量远高于大气。海洋表层可通过潜热将其贮热释放。海水对流的形式主要是局部冷却，而不是加热，因而海洋内部的垂直涌动受海面冷却，海水密度，含盐度影响很大，海洋上层对于大气和冰雪圈的相互作用，其特征时间尺度为几个月到几年，对深海，其特征时间尺度为数百年。海洋在气候系统中的作用主要有两方面，（1）大气~海洋耦合变化中的动力与热力相互作用；（2）海洋内部物理过程。前者为海~气间的动量、热量，物质交换，后者为海洋环流（包括深层温盐环流）的变化。由于海洋加热场的不均匀性，大气与海洋之间的各种相互作用在时空分布上都极不均匀，尤其是热带和赤道洋面的暖、冷水事件形成的物理过程(如El nino和 Lanina)更是人们关注的焦点，其变化过程很复杂，所以海-气之间的相互作用不可避免地具有不确定性。至于其它子系统及其相互作用过程其复杂性与不确定性就更加明显，例如，迄今为止，人们对陆面与大气之间的物理量交换过程的认识及其描述，仍然不够。生物圈及其内部过程的复杂性在气候模拟中的定量描述仍然是一个难题。生物界本身的变化直接影响到气候的变化；人类活动作为特殊的生物活动对气候产生直接或间接的影响，近年来人类活动产生的气候影响已经与自然气候变化量级相当。例如，人类的城市化效应，大规模开垦、放牧、砍伐森林，工地排放污染物、碳化物、粉尘，等等可严重地改变大气中某些成分的浓度（如CO_2，CH₄，CFC等），导致不断加剧的温室效应和局地地表辐射平衡与热平衡的变化。同样，植被分布、植物生长发育的季节周期都是与气候既相适应又相互制约的。所有这些都无法完全加以客观定量化。

   就时间尺度而言，不同尺度的变化相互叠加。在地球漫长的生命史（约50亿年）上，气候已经经历了巨大的变迁，而人类历史与地球史相比，其时间极为短暂。迄今人们已经认识到的气候变化其时间尺度的跨度相当巨大。从长达数百万年，数千年的大冰期和大间冻期循环，到短于几百年、几十年甚至几年或数个月的短期气候振动，全球各地气候变化的时间尺度谱几乎覆盖了全部频率段。若以最短时间尺度取为一个月来描述这些不同时间尺度的气候变化，它可一直延伸到以万年为单位的时间尺度的气候变化。事实上，各种不同时间尺度的变化呈相互叠加、相互交织的状态。例如，在大冰期中就有相对暖期与相对冷期的气候波动，交替循环其外面尺度约为1-20万年左右。即是人们常说的所谓冰期与间冰期（为区别于大冰期与大面冰期或温暖期），又称亚冰期与亚间冰期，如第四大冰期中就有许多这类变动。当然，对每一个冰期或间冰期，也还存在着时间尺度为万年的冷暖相对期，如此等等，层次分明地相互迭加，即便是近百年气候变化记录中，也仍表现为几十年甚至10多年时间的相对冷暖波动。

    由此可见，气候变化是以不同时间尺度的气候变迁、气候变动、气候波动直至几年或数月的气候振动，气候异常交替循环，而构成的一幅幅错综复杂的气候变化图象。一般说来，较长时间尺度气候变化总是较短时间尺度的变化背景，较短时间尺度的气候变化总是迭加于较长时间尺度气候变化背景之上，从而形成一种层层嵌套，层次分明的复杂变化图象。另一方面，气候变化时间的不同时间尺度往往对应着不同的空间尺度。例如，一个地点的温度和降水其长期变化大约代表直径为10km范围的气候变化，太平洋或大西洋暖洋流的长期变化大致代表10²~10³Km的中尺度气候变化，欧亚大陆环流指数或环流型的长期变化属于10⁴Km的大尺度范围，北半球乃至全球的气候变化则代表了10⁵Km以上的行尺度变化。关于时间尺度和空间尺度的匹配，从近百年全球或半球气候变化的观测事已可见一斑。

研究表明，气候变化时空尺度的多样性是与其成因相对应的。应该说，这只是一种定性的非严格的对应关系。一般地可将气候变化因子分为两大类，一类为外部因子，一类为内部因子。前者基本上不受气候系统状况的影响，即气候系统对这些因子没有反馈作用；后者则是气候系统同倍物理过程及复杂的相互作用过程所产生的原因。例如，地球气候系统主要能量来源的太阳辐射自古以来就有变化云水滴的反射率增高，影响辐射吸收，因而许多研究指出火山灰气溶胶和人类排放气溶胶有抵消温室效应的冷却作用，在区域性气候变化中不可低估。而人类活动是近一百多年来新增加的一类气候变化原因。所有这一切，都给气候的变化增加了复杂性。

气候系统的不确定性还表现在：气候系统各子系统内部物理过程相当复杂（如大气），彼此之间又有动量，质量、能量的交换与传输，必然构成气候变化的不确定性。例如，由于大气成分有许多不确定性（如CO2浓度增加，火山灰增加，水汽变化等），实际建立的辐射过程定量关系只能通过参数化作经验性的估计和简化； 云的影响是气候系统中最不确定的复杂因素之一。它对地~气，海~气的能量和水份分布及其间接反馈效应是相当可观的。例如通过降水使大气和地面的水文过程相耦合；云滴由水汽、液态水、冰晶构成，云量分布的宏观确定，微观不确定，它不断改变地表的辐射和湍流输送，加之云中微粒的温室气体效应，因而对于地-气系统动量、热量，水汽交换及辐射都有重要影响。又如，地表反射率是陆面过程的基本参数，不同地表特征，其反射率有一定差异，且随季节而变化，很难准确测定。此外，陆面物质输送过程主要是水份循环，而蒸发、降水和地面径流等现象是主要循环形式。所有上述这些过程都有很多不确定性因素。最新研究成果还表明，大气气溶胶对短波和长波辐射有不同的复杂影响，它在对流层与平流层对辐射的直接和间接影响也不同； 至于CO₂过程所产生的温室效应是众所周知的，目前估计CO₂的人为排放量有一定的可靠性，但是，若考虑自然界的碳循环过程，尤其是海洋吸收部分，尚具有相当多的不确定性。