Инструментальные наблюдения за последние 157 лет показывают, что температура земной поверхности повысилась на всей планете, причем имеют место значительные региональные вариации. В среднем за последнее столетие потепление происходило в два этапа, с 1910-х по 1940-е годы (на 0,35°C) и, более существенно, с 1970-х годов до нынешнего времени (на 0,55°C). Скорость потепления за последние 25 лет также выросла; в частности, 11 из зарегистрированных самых теплых 12 лет приходятся на последние 12 лет. Что касается воздуха, то глобальные наблюдения с 1950-х годов показывают, что тропосфера (приблизительно до 10 км) нагревается с несколько более высокой скоростью, чем земная поверхность, тогда как стратосфера (около 10-30 км) с 1979 года существенно остыла. Это совпадает с прогнозами физиков и результатами большинства моделей. Подтверждением глобального потепления служит потепление океанов, повышение уровня моря, таяние ледников, отступление морских льдов в Арктике, уменьшение снежного покрова в северном полушарии.
Единого термометра для измерения глобальной температуры нет. Результаты отдельных измерений, которые ежедневно проводятся на нескольких тысячах станций, расположенных на суше по всему миру, объединяются с результатами тысяч других измерений температуры поверхности моря, которые проводятся с кораблей, плавающих по океанам, в результате чего ежемесячно выводится оценка глобальной средней температуры. Чтобы получить согласованные данные об изменениях во времени, главное – провести анализ аномалий (отклонений от климатологического среднего в каждом пункте), так как они более устойчивы к изменениям в доступности данных. Сейчас можно использовать такие измерения с 1850 года до нынешнего времени, хотя во второй половине XIX века охват был гораздо меньше глобального; после 1957 года, когда начались измерения в Антарктиде, он улучшился, а самым полным стал где-то после 1980 года, когда начались спутниковые измерения.
Если говорить о глобальном среднем, то приземная температура за последние сто лет (с 1906 по 2005 год; см. рис. 1) выросла приблизительно на 0,74°C. При этом, однако, потепление не было ни стабильным, ни одинаковым в разные времена года и в разных точках. Значительного изменения с 1850 года приблизительно до 1915 года не наблюдалось, не считая повышений и понижений, которые были связаны с естественной изменчивостью, но которые, возможно, были частично вызваны и плохим выборочным контролем. Повышение (0,35°C) было отмечено в глобальной средней температуре за период с 1910 по 1940 год, после чего последовало незначительное охлаждение (0,1°C), а потом быстрое потепление (0,55°C) вплоть до конца 2006 года (рис. 1). Самыми теплыми годами из этого ряда были 1998 и 2005 годы (которые статистически неотличимы), а 11 из 12 самых теплых лет пришлись на последние 12 лет (1995-2006 годы).
Потепление, особенно с 1970-х годов, как правило, было более значительным на суше, нежели над океанами. В сезонном разрезе потепление слегка интенсивнее в зимнем полушарии. Дополнительное потепление имеет место в городах и городских районах (что часто называют эффектом городского острова тепла), однако оно ограничено в пространственном измерении, и его эффекты учитываются путем исключения максимально возможного количества таких пунктов из данных о глобальной температуре, а также путем увеличения интервала погрешности (на рисунке – светло-серая полоса).
Несколько областей с 1901 года охладились; заметнее всего – северная часть Северной Атлантики вблизи южной Гренландии. Наиболее сильным потепление в этот период было над континентальными внутренними районами Азии и северной частью Северной Америки. Однако, поскольку это области со значительной годовой изменчивостью, наиболее очевидный сигнал о потеплении наблюдался в районах средних и низких широт, особенно над тропическими океанами. В нижней левой части рис. 1, где показана динамика температуры с 1979 года, в температурном профиле Тихого океана заметны регионы потепления и охлаждения, связанные с Эль-Ниньо.
Недавно стал возможным анализ долговременных изменений дневных экстремальных температур во многих регионах мира (в ряде частей Северной Америки, на юге Южной Америки, в Европе, северной и восточной Азии, южной Африке и Австралазии). Особенно с 1950 годов эти данные показывают уменьшение числа очень холодных дней и ночей и увеличение количества крайне жарких дней и теплых ночей (см. ЧЗВ 3.3). Продолжительность периода без морозов увеличилась в большинстве средне- и высокоширотных регионов обоих полушарий. В северном полушарии это проявляется очевиднее всего в более раннем приходе весны.
Помимо описанных выше данных о приземной температуре, проводились – с помощью метеозондов – измерения над поверхностью, причем с 1958 года был обеспечен достаточный охват над сушей, а с 1979 года используются спутниковые данные. Все данные скорректированы на изменения в контрольно-измерительных приборах и методиках наблюдения, где это необходимо. Данные микроволновых спутниковых приборов использовались для создания «спутниковых температурных протоколов» для толстых слоев атмосферы, включая тропосферу (от поверхности Земли приблизительно до 10 км) и нижнюю стратосферу (10-30 км). Несмотря на ряд новых аналитических исследований с улучшенной с перекрестной калибровкой13 приборов на разных спутниках, проведенных с 1979 года, и компенсацию изменений во времени наблюдения и высоте спутников, некоторые неопределенности в трендах остаются.
Что касается глобальных наблюдений с конца 1950-х годов, то самые последние версии всех доступных комплектов данных показывают, что тропосфера теплела с несколько большей скоростью, чем поверхность, тогда как стратосфера с 1979 года заметно остыла. Это совпадает с прогнозами физиков и результатами большинства моделей, что демонстрирует роль повышения содержания парниковых газов в потеплении тропосферы и охлаждении стратосферы, причем истощение озонового слоя значительно способствует охлаждению стратосферы.
Наблюдалось уменьшение длительности периода ледостава на реках и озерах. Кроме того, в ХХ веке имеет место практически всемирное сокращение ледовой массы и протяженности ледников; недавно стало очевидным таяние Гренландского ледового щита; во многих регионах северного полушария уменьшился снежный покров; толщина и площадь морского льда в Арктике во все времена года уменьшается, причем наиболее значительно весной и летом; теплеют океаны; из-за теплового расширения океанов и таяния материкового льда повышается уровень моря.