直接气象记录仅涵盖过去一两个世纪。古气候学通过解读自然档案，将气候记录向前追溯。冰芯、树木年轮、沉积层、珊瑚骨骼和化石花粉都保存着过去气温、降水和大气成分的信息。

科学家提取这些替代指标，并将其与现代测量数据进行校准。由此重建的结果揭示了冰河时代、温暖的间冰期以及远在人类仪器出现之前发生的剧烈气候转变。冰泡中温室气体的浓度表明，目前的浓度水平是数十万年来前所未有的。

古气候数据检验气候模型模拟与当今不同气候条件的能力，也为判断近期气候变化的异常程度提供了背景信息。该领域融合了地质学、化学、生物学和大气科学。

• 利用自然档案研究古代气候
• 利用冰芯、树木年轮、沉积物
• 重建温度和温室气体
• 为现代变革提供长期背景