古气候学研究过去的气候，尤其是仪器观测尚未广泛开展之前的气候。它利用冰、沉积物、树木年轮和珊瑚骨骼等自然档案中保存的证据，重建过去的环境状况。这些记录将人类对地球气候的认识扩展到数百年至数百万年的时间尺度，并有助于解释气候变化的成因、发生时间及地理格局。与连续的温度计观测记录不同，古气候重建需要对物理、化学或生物证据进行解读。(ncei.noaa.gov)
气候档案与代用指标
气候档案是保存证据的物质载体；气候代用指标则是用于推断某一环境变量的可测量特征。例如，沉积物岩芯是一种档案，而其中的化石组合或化学组成则提供代用指标。历史文献，包括收成记录、航海日志以及有关冰冻或干旱的记载，也能提供证据，但解读这些资料时，需要注意当时记录观测结果的具体背景。(ncei.noaa.gov)
主要的气候档案在地理覆盖范围、记录时长和时间分辨率方面各有不同：
- 树木年轮： 年轮宽度、木材密度和化学组成反映生长季的环境状况。树木年轮年代学可建立逐年的年代序列，而对气候的解读取决于树木生长主要受温度、水分还是其他因素限制。
- 冰芯： 冰芯保存着逐层积累的降雪、尘埃和化学信号。稳定同位素的比值有助于重建气候状况，封存其中的空气则为过去的大气组成提供证据。
- 海洋和湖泊沉积物： 化石、花粉和化学成分记录了海洋及周边地表环境的变化。花粉组合反映植被状况，由此可以推断气候条件。
- 珊瑚： 珊瑚的生长带和骨骼化学组成记录了其生长水域的环境状况。
- 洞穴沉积物： 洞穴次生沉积物包括石笋等，保存着生长层和化学信号，这些信号与进入洞穴的水以及洞穴上方的环境状况有关。(ncei.noaa.gov)
较长的记录通常不如较短、具有逐年分辨率的记录那样，能够详细反映快速变化。因此，综合不同档案时，必须明确处理采样间隔的差异，以及各次测量所代表的时间跨度差异。(ncei.noaa.gov)
测年与年代序列
重建气候既要确定当时的环境状况，也要确定这些状况出现的时间。如果季节性层理仍可辨认，研究人员便可通过逐年计数确定年代。具有鲜明特征的火山沉积物，可以为不同记录提供共同的年代标志。层理越难区分，测年的不确定性通常就越大；不同岩芯之间的相对年代对应关系，可能比其绝对历年年龄更为精确。(ncei.noaa.gov)
放射性测年可提供额外的年龄约束。放射性碳测年通过测量适宜含碳材料中碳-14的衰变来确定年龄，通常适用于距今约五万年以内的材料。铀系测年方法则用于适宜的碳酸盐沉积物，包括洞穴沉积物。在选定深度获得的测年结果，用于约束这些深度之间材料的年代序列，而非直接为每一次气候测量确定年代。(pubs.usgs.gov)
保存状况也会影响年代解读。在多孔的积雪变成致密冰之前，化学信号可能在其中迁移，融化也可能使物质重新分布。因此，按顺序排列的样品并不必然代表未经扰动的气候事件序列。(ncei.noaa.gov)
重建与不确定性
解读代用指标，需要理解环境过程如何产生所测得的信号。有些关系以物理原理为依据，另一些则通过现代观测或生态分布进行校准。校准用于确定代用指标如何响应所关注的变量，但要将这种关系应用于过去，就必须评估它是否保持了足够的稳定性。(ncei.noaa.gov)
不确定性可能来自测量、测年、保存状况，以及代用指标对多种环境因素的响应。例如，冰中的同位素信号不能直接等同于温度计读数，树木生长也未必只对温度作出响应。相互独立的档案有助于区分大范围共同经历的气候变化与局地环境效应。(ncei.noaa.gov)
空间层面的解读同样重要。单个地点的一份高分辨率记录，本身不足以确立全球性的变化格局。研究人员将各地记录汇集成网络，以研究区域和全球状况，同时注意地理覆盖的不均衡以及时间细节上的差异。(ncei.noaa.gov)
主要气候变化格局
古气候证据揭示了长期趋势和反复出现的波动。在约六千六百万年前开始的新生代，早期的温暖气候随后经历了持续数千万年的降温。涉及板块构造、大气碳储量、海洋通道和冰盖的变化，共同推动了这一演变。(ipcc.ch)
在第四纪晚期，冰期与间冰期交替的节律受到轨道变化的控制，并受到冰盖和碳循环变化的调节。二氧化碳和其他温室气体参与了这些相互作用的变化，而不是独立于气候系统的其他部分发挥作用。(ipcc.ch)
距今约二万三千至一万九千年的末次盛冰期，以北半球广阔的冰盖和较低的气温为特征。全球平均海平面比现在低约125—134米。此后的冰消期既有渐进变化，也有突变，之后才进入当前的间冰期，即全新世。(ipcc.ch)
模型、应用与数据
古气候重建结果可用于检验气候模型在不同于仪器观测时期的条件下的表现。温暖时期和冰期气候有助于约束气候敏感度，但在解读时，必须考虑背景气候的差异，以及冰盖等响应缓慢的组成部分。因此，过去的气候状况是检验模型的案例，而不是未来气候的精确翻版。(ipcc.ch)
古气候学也延长了用于认识干旱和突变的基准记录。古气候记录显示，有些持续性干旱的时长超出了许多仪器观测记录所涵盖的范围。包括美国国家海洋和大气管理局（NOAA）古气候学世界数据服务档案库在内的公共数据库，提供来自树木年轮、冰芯、珊瑚以及海洋和湖泊沉积物的代用指标测量数据和重建结果，供进一步分析使用。(ncei.noaa.gov)