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指一万年以上各种时间尺度的气候变化， 一般从地球表面冰雪覆盖程度（如冰河期、间冰期的交替）反映出来， 这种气候变化幅度较大，强烈地影响到地貌和生态系统， 并在地质中保存着丰富的遗迹。这种气候变化的事实， 主要是通过对地质资料（地质构造、地质沉积物和古生物）的分析得到的， 故称地质时期的气候变化。对比分析各时期动植物化石与现代动植物分布差异， 可分辨气候的冷暖、干湿演变。
地质时代有3个大冰期：距今约6亿~5亿年前的震旦纪大冰期； 距今约3亿~2亿年间的石炭二叠纪大冰期；始于200万年前至今的第四纪大冰期。 第四纪大冰期为距今最近的一次大冰期，在两大冰期之间称间冰期即回暖期。 在大冰期内，还可以根据地质沉积物等划分若干尺度不等的亚冰期和亚间冰期。 但在亚冰期划分上有不同认识， 李四光1942年曾根据中国冰川遗迹将第四纪大冰期划分为四个亚冰期： 鄱阳亚冰期、大姑亚冰期、庐山亚冰期和大理亚冰期。
通常指大理亚冰期至现在约1万年的期间称“冰后期”气候。 后期5000年开始有文字记载，前期的5000年气候， 仍通过地质、古生物资料的分析。 这一万多年的气候基本上又可分为冷、暖、冷三个阶段。 距今约8000年前是寒冷阶段，距今8000~3000年间是温暖阶段， 现又属寒冷阶段。挪威冰川学者曾作出挪威1万年雪线升降曲线， 反映欧洲气候冷暖变化。竺可桢1972年曾根据中国物候观测、考古研究、 文献记载等作出中国近5000年温度变化曲线，其结果与欧洲总趋势是近似的。 根据中国温度变化结合各时期动植物化石演变， 中国也有四次温暖时期、四次寒冷时期。 近7000年气候变化特点是温暖期越来越短，温暖程度越来越差。 相反，寒冷期持续时间越来越长，寒冷程度趋于更加寒冷，这一点从物候现象中已证明。
约近200年来，由于现代化气象仪器出现， 可以用精确的气象记录研究气候变化，故称近代气候变化。
中国近500年有四次寒冷时期、三次回暖期：第一次寒冷期中的1493年， 中国东部沿海出现强雪暴和寒潮，降雪期长达5个月之久， 江苏北部沿海海水冻结，1513年湖南洞庭湖结冰封冻，可行人车。 第二次寒冷期中的1653年、1655年、1670年都为特冷年份， 1670年中国东部沿海曾有海水拥冰至岸，积冰为堤的记载。 第三次寒冷期中的1845年，黄河、淮河封冻长达40天。 第四次寒冷期中的1969年冬，在渤海海面出现封冻、奇寒。
从19世纪末至20世纪40年代，是世界性的增暖时期， 高山冰川退缩，雪线升高，极地区域冰层变薄，北半球冻土带北移， 海水温度升高。20世纪40年代后期至60年代，世界气候出现新的寒冷时期， 60°N以北，年平均气温比常年低2°C左右。1963年在欧洲、亚洲出现低温。 70年代各地气候异常现象频频出现，80年代以来气候异常也时有发生。
对于未来气候如何变迁，各种说法不一。一种认为气候将逐渐变冷。 因为第四纪大冰期还远未结束。前两个大冰期持续几千万年， 而第四纪大冰期距今才200万年，现代是第四纪大冰期的亚冰期或亚间冰期（回暖期）。 另一种则认为气候将逐渐变暖。原因是大气中二氧化碳含量持续增加所致。 还有一种看法则认为气候冷暖变化是气候变迁史中的正常现象， 在亚冰期中还存在很多波动，同一时期内有些地区暖温， 其他地区则干冷。全球气候变化是不平衡的。