On croit généralement que si la température change de façon significative et durable à un endroit donné de la planète, le climat qui prévaut dans cette région changera également de façon durable. C'est pourquoi toutes les considérations relatives au climat sont centrées sur les changements de température.
La température est une propriété intensive de la matière ; sa valeur ne dépend pas de la taille du système ou de la quantité de matière qu'il contient. La température change lorsque de l'énergie est introduite dans un système donné ou en est tirée.
Sur terre, l'atmosphère n'est pas parfaitement et instantanément mélangée : il n'existe aucun moyen valable de définir une température moyenne à n'importe quelle altitude, bien que 288 K (15°C) soit souvent utilisée comme température moyenne de surface pour des calculs approximatifs[1].. De plus, il y a des maxima et des minima quotidiens et une grande variabilité au cours des saisons, entre les saisons et d'une saison à l'autre.
Alors, comment détecter des hausses ou des baisses de température faibles mais constantes derrière une forêt de grandes variations ? Ce qu'il est possible de faire est d'évaluer ce qu'on appelle des anomalies : une observation donnée en un lieu donné peut être comparée à la moyenne des mesures effectuées au même endroit pendant une période de référence. La différence entre la mesure actuelle et la moyenne au cours de la période de référence est appelée anomalie.

Les anomalies provenant d'endroits bien répartis dans le monde peuvent être regroupées et, encore une fois, la moyenne peut être calculée[2]. C'est ce que fait le Met Office Hadley Centre au Royaume-Uni, au nom du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). L'ensemble de données HADCRUT4 pour la surface de la terre et de la mer peut être téléchargé sur son site Web www.metoffice.gov.uk.

  Anomalies mensuelles globales des températures de surface, en °C par rapport à la moyenne entre 1961-1990. Dataset HADCRUT4.

Ce type de série de données a été critiqué, en particulier la sélection des stations de mesure. Historiquement, la plupart des relevés de température ont été effectués sur terre dans l'hémisphère Nord, en Europe et en Amérique du Nord. L'ensemble de données est moins abondant dans l'hémisphère Sud et à la surface de la mer. De plus, les stations de mesure sont principalement situées dans des zones urbaines ou à proximité de celles-ci, où les gens sont intéressés à en savoir plus sur leur météo locale. Cela peut impliquer un biais vers des lectures plus positives puisque de telles stations ne sont pas exemptes de l'interférence du réchauffement avec les constructions environnantes telles que les bâtiments, les zones asphaltées, etc.  

En raison de leur grande variabilité à court terme, il est difficile d'utiliser les données brutes pour les analyser à long terme. La technique de lissage dans le temps consiste à faire des moyennes mobiles sur un certain nombre de lectures passées, par exemple 13 mois, et à centrer le résultat dans le milieu de cette période de temps, dans cet exemple sur le 7ème mois. Pour tenir compte des variations saisonnières, j'utilise également les moyennes de chaque mois de l'année sur une période de 7 ans, en les centrant sur le milieu de la 4^è année, tel que dans le graphique suivant, à l'aide des données de la section précédente.

La moyenne mobile mensuelle sur 7 ans (en rouge) est mieux vue sur une période plus courte où elle apparaît plus lisse que la moyenne mobile sur 13 mois (en vert) qui. elle, montre l'évolution des maximum et minimums annuels.

Sur ce graphique, la température a été mesurée par satellite. Notez le faible réchauffement depuis environ 1998. Les sauts de 1998 et 2015-2016 correspondent à l'événement El Niño dans l'océan Pacifique.

De très petites différences sont rendues visibles par les anomalies de température. Cependant, il ne faut pas oublier que la température est une dimension absolue liée au contenu énergétique du système. Vu à sa pleine échelle (ici en °C, en supposant une valeur moyenne de 14 °C), le même graphique semble beaucoup plus stable, cela serait encore moins spectaculaire si l'ordonnée commencait au zéro absolu :

La vitesse de réchauffement, exprimée en °C par siècle, est en accélération. Pour distinguer des tendances il faut appliquer un filtre, de 7 et 31 dans la figure suivante. Une oscillation ayant une période d'environ 60 ans est ainsi révélée. Ce diagramme montre bien que se préoccuper de changement climatique de saison en saison n'a pas de sens.

Histoire antérieure

Pour les séries chronologiques antérieures, les incertitudes sont assez élevées car aucune mesure réelle n'a pu être effectuée. Des approximations telles que par les analyses des cernes de croissance des arbres ont été utilisées. La célèbre représentation du bâton de hockey a été faite par Mann et al. en 1999. Étant donné que l'obtention d'un tel diagramme nécessite de lourds massages de données, une controverse continue au sujet du traitement des données n'est toujours pas résolue, même devant les tribunaux.

The Hockey Stick. Original estimate published by the IPCC in 2001

Cependant, 13 ans plus tard, dans son 5e rapport d'évaluation[3]], le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) donne une interprétation légèrement différente du climat au cours des deux derniers millénaires, prenant de la distance par rapport à l'interprétation que Mann fit avec les cernes des arbres.
Ce sont là des exemples où les faits ne sont pas toujours aussi clairs : les données brutes nécessitent des interprétations et des analyses statistiques qui peuvent conduire à des conclusions différentes, par exemple :

• la température n'a jamais été aussi élevée qu'aujourd'hui au cours du dernier millénaire ;
• dans l'histoire récente, la terre a déjà connu des anomalies de température positives similaires à celles d'aujourd'hui (période médiévale chaude), ainsi que des anomalies négatives telles que la "petite période glaciaire" des 16-18e siècles, comme le montrent les figures suivantes.

Anomalies de température reconstituées. Rapport AR5WG1 du GIEC, chapitre 5.
Notez que les diagrammes s'arrêtent à 2000, ne montrant donc pas l'interruption de l'augmentation de la température depuis lors, bien que le rapport ait été rédigé en 2013.

Les expériences climatiques de nos ancêtres en Europe ont été décrites dans la littérature. Les périodes de chaleur et de froid sont illustrées dans la reconstruction suivante ; la coïncidence avec des événements historiques est laissée à l'imagination du lecteur.

  Périodes chaudes romaines et médiévales, période froide du moyen âge et petite ère glaciaire dans l'hémisphère nord extra-tropical. Source : Ljundgquist[4]

Gradient thermique adiabatique

A la surface de la terre, la température moyenne est d'environ 14 °C. Quand on vole en avion, on apprend qu'à 10'000 m d'altitude, la température est d'environ -50°C. Ce gradient de température est appelé gradient thermique adiabatique.

Pression et température de l'atmosphère en fonction de l'altitude à 30° de latitude nord, en mars
Source: acmg.seas.harvard.edu 

Ceci s'explique par la pression réduite à haute altitude (jusqu'au vide dans l'espace extérieur) : la température d'un volume d'air en expansion diminue, car aucun échange de chaleur n'a lieu avec l'environnement (conditions adiabatiques). Dans la troposphère, pour chaque élévation de 100 m, l'air sec se refroidit d'environ 1 °C et l'air saturé de vapeur d'eau a un taux de chute d'environ 0,5 °C/100 m. L'air humide se comporte différemment de l'air sec car, au refroidissement, l'eau se condense (et forme des nuages), ce qui entraîne un dégagement de chaleur compensant partiellement la chute adiabatique de la température.
Dans la couche atmosphérique suivante, la stratosphère, la température augmente à nouveau. Ceci est causé par l'absorption de la lumière ultraviolette du soleil et par les réactions physico-chimiques qui l'accompagnent avec la lumière UV, l'oxygène et l'azote.
Le gradient de température est à nouveau négatif dans la mésosphère.

Température de l'eau de mer

La température de l'eau de mer est le résultat de phénomènes complexes : elle  augmente lorsqu'elle est chauffée par le soleil et par l'air chaud, et diminue lorsqu'elle est exposée à un air plus frais ou lorsque l'eau s'évapore, comme part l'effet du vent. De plus, un transport vertical a lieu en raison de différences de densité liées à la température elle-même (l'eau plus froide est plus dense), au changement de teneur en sel résultant de la dilution par la pluie ou de la concentration par évaporation (l'eau plus salée est plus dense).
L'évaporation implique beaucoup plus d'énergie que l'échange de chaleur par convection ou conduction.  La température de la surface de la mer est donc un paramètre assez important, mais difficile à interpréter.
La capacité calorifique de l'eau est environ 4 fois supérieure à celle de l'air, et l'eau est mille fois plus dense que l'air. Cela signifie que toute l'atmosphère a la même capacité thermique qu'une couche océanique de 3,4 m de profondeur. Les mers constituent donc un immense réservoir de chaleur dans lequel la détection d'un changement de température de 1/1000 de °C peut être aussi importante que 1 °C dans l'atmosphère. Mais à cet égard, on se souviendra qu'il n'est pas facile de mesurer précisément la température avec une exactitude de 0,01 °C. Cette complexité signifie que les images de surveillance comme celle de la figure 10 sont spectaculaires, mais qu'elles ne permettent pas une interprétation exacte.

Température de la surface de la mer le 23 mars 2014. Source: www.ssec.wisc.edu/data/sst/

Depuis 2000, les bouées de surveillance mesurent la température et la salinité à différentes profondeurs dans le monde entier. A partir de 2014, il existe 3200 flotteurs autonomes de ce type qui enregistrent et envoient des profils similaires à la figure de gauche. Comme ces flotteurs dérivent librement dans les courants océaniques, le concept d'anomalies de température comparant des séries chronologiques de mesures de température au même endroit ne peut être appliqué.

Argo Float Profile. Source: www.argo.ucsd.edu