20世紀的全球平面氣溫增加了0.6±0.2℃，而20世紀的90年代很可能是1861年以來（有儀器記錄的開始）最暖的10年，增溫的現象在北半球是過去一千年來最明顯的。不過仍然缺乏一千年以前的資料，同時也缺乏南半球的了解，平均而言，1950年到1993年間，每十年大約增加0.1℃，這也增加了中高緯度的無霜期。而過去40年中，大氣層8000米以下的低層大氣全球增溫的情況與陸地類似（約每十年增加0.1℃），而自1979年以來，衛星資料顯示，8000米以下低層大氣的增溫與全球地面平均氣溫增加速率不同，而主要發生的位置就是在熱帶與亞熱帶地區。種種觀察的結果顯示了，全球暖化的現象是不爭的事實，同時也將帶來許多變化。
首先是比較明顯的，自60年代以來，全球的冰雪覆蓋面積很可能減少了約10%，而北半球的高緯度地區結冰期約減少了２星期，且北極夏天的海冰厚度可能減少40%，因為海水熱容量的上升，20世紀的全球潮汐站的資料顯示，海平面約上升了0.1～0.2米。而氣候方面也有一些顯著的變化。自1950年以來極端最低溫度出現的頻率減少，而最高溫度的出現則是有所增加。70年代中期以後的聖嬰現象發生更加頻繁且持續更久，規模更大。北半球中高緯度的強降水事件頻率增加，但是熱帶地區卻不明顯。
輻射強迫是對改變地球大氣系統入射與出射能量平衡因子的測量指標，由上圖可知，大氣中的溫室氣體是造成暖化的主要原因，又以人類活動而排放的溫室氣體佔最主要的成份。模式預測顯示了現今溫度上升的比率，人為與自然界的輻射強迫均有貢獻。而在模式中也預測了，過去由於人類的活動，未來大氣溫室氣體的濃度與其輻射強迫將持續增加。目前除了溫室氣體科學認知已有相當程度之外，其他方面的研究仍不夠透徹。
上圖是IPCC對於未來的一百年（二十一世紀）做了許多氣候模式對大氣溫室氣體和氣膠濃度以及氣候進行種種預測。首先，基本肯定的是大氣中CO2的濃度因化石燃料燃燒而持續增加，而海洋與陸地吸收人為排放CO2的比例將因此而減低，即使改變陸地利用的方式來增進CO2吸收，減緩的效果仍有限。而人為排放之氣膠（硫酸鹽類、生物質、黑碳、有機碳氣膠）則因為化石燃料的使用程度與污染排放政策的控制而有增加或減少兩種可能性，但自然氣膠（海鹽、沙塵等）則會因氣候變化而增加，相對於2000年，整個21世紀由於溫室氣體所引起的的全球平均輻射強迫將持續增加，其中CO2所佔的比例約高於一半到四分之三左右。從以上預測情景做的模式下，整個二十一世紀的溫度約增加1.4~5.8℃，這個暖化的速率比二十世紀所觀測的要大，而且這個速率至少是過去一萬年來沒有過的。未來的幾十年，人類活動所導致的暖化約為每十年0.1～0.2℃，而陸地上的暖化很可能會比全球平均值要來得快，特別在北半球高緯度的寒冷季節，在北美北部、亞洲北部及中部的暖化會超過全球平均40%，而南亞和東南亞的夏季及南美南部的冬季暖化是小於全球平均。模式預測全球平均降水將會增加：２１世紀後期，北半球中高緯度和南極的冬季降水可能增加，而低緯度地區則是增加與減少的地區都有，降水的年際變化很可能會變大。
下表則是關於了20世紀後期觀測的極端天氣與氣候事件變化的信度，以及預測21世紀的變化信度，不過目前的氣候模式沒辦法對很小尺度的天氣現象（如：雷暴、龍捲風、冰雹和閃電等）進行預測：
聖嬰現象的預測模式非常複雜，目前仍有一些缺陷而受到限制。但至少目前的預測在未來100年內，聖嬰現象的強度沒有太大的變化。但即使如此，由全球暖化導致更強的乾旱或強降水事件，在聖嬰現象發生時將會加重發生旱災或洪水的危險。此外，亞洲夏季季風帶來的降水變動率將會增加。北半球的溫鹽環流在大多數的模式預測結果將逐漸減弱，導致向北半球高緯度地區熱傳輸的減少。若2100年之後的輻射強迫變化夠大，持續時間夠長，兩半球的溫鹽環流將因此而停止，且這是一個不可逆的現象。
模式預測了北半球雪蓋面積與海冰範圍將進一步的減少，而冰川會大範圍的退縮，而由於降水的增多，難及的冰蓋質量可能會增加；但是由於逕流增加要比降水的增加來的快，格陵蘭的冰蓋質量可能會減少。人們比較關心的西南極冰蓋（高爾在不願面對的真相裡所提到的那塊可能導致全球海平面上升的南極冰層）由於座落在海平面之下，而且對於其動力學了解尚未充分，但現今普遍認為２１世紀能導致海平面上升的地基冰損失是很不可能的。
對於未來的預測，需要進一步研究來提高氣候變化檢測、判別氣候變化原因與理解氣候變化，減少不確定性，以及預測未來氣候變化的能力。改善和重建觀測系統，修正氣候模式仍是未來主要的兩大工作項目。
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