地球氣候的形成原因十分複雜，但歸納起來主要有四大要素：太陽輻射、地軸傾斜與地球公轉、地球自轉與大氣環流、地理條件。
太陽輻射是地球氣候形成的基本要素，是地球上一切物理過程和物理現象形成的原動力；地軸適度的傾斜，並保持基本穩定，加上地球的公轉，成就了地球上的氣候帶和春夏秋冬四季；地球自轉產生了晝夜更替，自轉所產生的地轉偏向力影響著大氣環流的形成；大氣環流的形成主要是由於太陽輻射過程引起的地麵受熱不均勻、海陸分布和地球自轉的作用；受海陸分布、地形和下墊麵等其他因素影響，導致全球大氣環流的變化複雜，成就了地球各個地域多種多樣的氣候。
有人認為太陽係內其他行星上缺少地球大氣層，所以其他行星上才沒有四季，其實不是這樣。假如地軸與公轉軌道平麵垂直，像木星自轉軸那樣的傾斜度，地球不會有春夏秋冬四季的變化；假設地軸傾斜過大，或者地軸與公轉軌道平麵沒有夾角，像天王星自轉軸幾乎倒在它的軌道平麵那樣，地球上更不可能有春夏秋冬之分。沒有地軸適度的傾斜，或者沒有地球繞太陽的公轉，都不會有四季的產生，二者缺一不可。
地球自轉產生了晝夜更替，使得地球自東向西有序地接受太陽輻射，形成了自東而西有序的能量差。假設地球隻有公轉而沒有自轉，有的地方永遠是白天，有的地方永遠是黑夜，同時也就沒有了地轉偏向力的存在，地球氣候將會是另一番景象。
除以上已知因素外，氣候係統內部相互影響還有許多不可預知的因素。備受關注的厄爾尼諾現象與信風密切相關，信風減弱就會出現厄爾尼諾現象，信風異常強烈，就會出現拉尼娜現象。厄爾尼諾現象雖然造成了世界許多地區的災害，但我們不能把所有氣象災害都歸因於厄爾尼諾現象。厄爾尼諾現象帶來了災害，同時也孕育了新的有利條件和機遇。而同樣令人關注的火山爆發，一旦發生，不但讓人類蒙受重大災難，而且對氣候變化的影響也非同小可。太陽黑子和耀斑的不均衡，以及地球自身內部的原因，也對不同地域的氣候差異造成了影響。
地球各地的氣候各有特點，熱帶地區終年天氣炎熱，而高緯度地區卻異常寒冷，沙漠地區降水量很少，森林地區降水充沛。大自然如此的玄奧、巧妙和藝術，成就了地球氣候，使得生命能夠生存繁衍，不斷創造著自己的文明和文化。
2.1氣候形成的能源
2.1.1太陽輻射
太陽輻射是地球大氣、陸地和海洋增溫的唯一能源，是大氣中一切物理過程和物理現象形成的基本動力，並通過光化學反應參加到一些化學過程中。
太陽輻射在地球大氣上界的分布是由地球的天文位置決定的，稱為天文輻射。由天文輻射決定的氣候稱為天文氣候。天文氣候反映了全球氣候的空間分布和時間變化的基本輪廓。太陽輻射隨季節呈現有規律的變化，形成了地球中緯度的四季。
除太陽本身的變化外，天文輻射能量主要決定於日地距離、太陽高度角和晝長。由於地球繞太陽公轉的軌道為橢圓形，而太陽位於兩個焦點中的一個焦點上，因此日地距離時刻在變化中。太陽光線與地平麵的夾角稱為太陽高度角，它有日變化和年變化之分。太陽高度角越大，則太陽輻射越強烈。
天文輻射的時空變化特點是：全年以赤道獲得的輻射最多，極地最少。這種熱量不均勻分布，導致了地表各緯度的氣溫產生差異，在地球表麵出現了熱帶、溫帶和寒帶氣候；天文輻射夏大冬小，它導致地球上夏季溫度高而冬季溫度低。
大氣對太陽輻射的削弱作用包括大氣對太陽輻射的吸收、散射和反射，而大氣對太陽輻射的吸收也是不均勻的，當太陽輻射經過整層大氣時，0.29微米波長以下的紫外線幾乎全部被吸收，但在可見光區吸收很少，在紅外區吸收很強。大氣中吸收太陽輻射的物質主要有氧、臭氧、水汽和液態水，其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和塵埃等。雲層能強烈吸收和散射太陽輻射，同時還強烈吸收地麵反射的太陽輻射。
大氣層對放出的這些輻射並非無條件傳遞，而是將其中的長波輻射留下來，把其他輻射送入了太空。太陽輻射通過大氣層的過濾，一部分到達地麵，稱為直接太陽輻射；另一部分被大氣中的分子、微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達地麵，到達地麵的這部分稱為散射太陽輻射，它和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣後，其強度和光譜能量分布都發生了變化。到達地麵的太陽輻射能量比大氣上界小得多，太陽光譜上分布在紫外光譜區的太陽輻射幾乎絕跡，在可見光譜區減少40%，而在紅外光譜區增至60%。
到達地表的全球年輻射總量的分布基本上成帶狀，隻有在低緯度地區受到破壞。在赤道地區，由於多雲天氣較多，年輻射總量並非最高。在南北半球的副熱帶高壓帶，特別是在大陸荒漠地區，年輻射總量較大，最大值出現在非洲東北部。
地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一，但卻是地球大氣中所發生的一切物理過程和天氣現象的能量來源，是地球氣候形成的基本要素。太陽輻射在地球表麵分布的不均勻及其隨時間的變化，形成了各地的地域性氣候差異和明顯的季節交替。
地球上的熱量以及產生大氣運動和洋流等的能量來自太陽輻射，太陽輻射強度隨緯度和季節而變化。在同一季節裏，太陽輻射強度隨緯度增高而減小。赤道附近，太陽光幾乎直射在地球表麵上，地麵接受的熱量多，氣候就炎熱；而在兩極附近，太陽光總是以較低的角度照射，地麵接受的熱量少，因此極地及附近的地方氣候就特別寒冷。同一緯度，太陽高度角冬季低，夏季高，春秋季介於期間，以冬至日和夏至日為全年的最低點和最高點。在北半球，冬季太陽位置偏南，太陽高度角偏低，晝短夜長，到達地麵的太陽輻射量少；春季太陽位置漸北，太陽高度角增高，白晝變長，到達地麵的太陽輻射量增多，溫度升高；夏季太陽位置偏北，高度角達一年中最大，晝長夜短，到達地麵的太陽輻射量最多，溫度最高；秋季太陽直射點逐漸南移，太陽高度角減小，白晝變短，到達地麵的太陽輻射減少。
太陽輻射在地球上隨緯度的變化形成了不同的氣候帶，隨季節的變化造成了一年中四季的冷暖循環交替。
2.1.2太陽黑子
說到太陽輻射，不能不提及太陽黑子，因為太陽黑子對太陽輻射有著直接的影響。太陽黑子是太陽的光球層上發生的一種太陽活動，實際上是太陽表麵一種熾熱氣體的巨大漩渦，溫度大約為4500℃。因為其溫度比太陽的光球層表麵溫度要低1000～2000℃（光球層表麵溫度約為6000℃），對比之下，太陽黑子就像一些深暗色的斑點。太陽黑子喜歡成群結夥，很少單獨活動，當它活動劇烈時，會對地球的磁場產生影響，主要是使地球南北極和赤道的大氣環流做經向流動，從而造成惡劣天氣，使氣候轉冷。
對於太陽黑子的觀察和記載，中國是世界上最早的國家。大約在公元前140年，《淮南子》一書中就有“日中有踆烏”的記述。華夏古人用肉眼就看到了太陽裏有像三條腿的烏鴉，也就是“踆烏”。科學的發展，通過一般的光學望遠鏡觀測太陽，發現了光球層的活動，認識了太陽黑子。在距今2000多年的時候，憑肉眼能觀察到太陽中的黑子，已經非常難能可貴了。漢成帝河平元年（前28年）三月，出現了太陽黑子，被載入《漢書·五行誌》中，是世界公認最早的太陽黑子記事。書中說：“河平元年……三月己未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。”說明這次太陽黑子的活動比較強烈。
歐洲關於太陽黑子紀事最早時間是公元807年8月，當時還被誤認為是水星淩日的現象，直到1660年，意大利天文學家伽利略（1564—1642）發明天文望遠鏡後，才確認太陽黑子是確實存在的。而在此之前，中國曆史上已有關於黑子的101次記錄，這些記錄不但有時間，還有形狀、大小、位置以及變化情況等。
太陽黑子是不耐寂寞的，一刻不停地在活動著，它在日麵上的大小、多少、位置和形態等，每天都不相同。太陽黑子是光球層物質劇烈運動而形成的局部強磁場區域，也是光球層活動的重要標誌，大多呈現近橢圓形，在明亮的光球背景反襯下顯得比較暗黑，倘若能把黑子單獨取出，一個大黑子便可以發出相當於滿月的光芒。長期觀測太陽黑子就會發現，日麵上黑子出現的情況不斷變化，這種變化反映了太陽輻射能量的變化。有的年份黑子多，有的年份黑子少，有時甚至幾天幾十天日麵上都沒有黑子。
太陽黑子與地球上的冷暖有直接關係，黑子數多時輻射強，地球偏暖；太陽黑子數少時輻射弱，地球偏冷。竺可楨研究得出，凡是中國古代書上對黑子記載得多的世紀，也是中國範圍內特別寒冷的冬天出現得多的世紀。也有科學家發現：植物的生長也隨著太陽黑子的出現而呈現11年周期的變化，黑子多長得快，黑子少長得慢。還有人統計了一些地區降水量的變化情況，發現這種變化也是每過11年、22年重複一遍，很可能也跟黑子數目的增減有關係。河南省氣象局高級工程師張存做過統計，發現位於豫北的新鄉市的旱澇階段與太陽黑子的世紀周期相吻合。太陽活動世紀周期的增強期，對應新鄉地區為澇段；太陽活動世紀周期的減弱期，對應新鄉地區為旱段。
太陽是地球上光和熱的源泉，它的一舉一動，都會對地球產生各種各樣的影響。太陽黑子活動的高峰期，太陽會發射大量的高能粒子流與X射線，引起地球磁暴現象，導致地球氣候異常，地球上微生物因此大量繁殖，這就為流行疾病提供了溫床。當太陽上有大群黑子出現的時候，指南針會亂抖動，不能正確地指示方向，平時很善於識別方向的信鴿會迷路，無線電通訊也會受到嚴重阻礙，甚至會突然中斷一段時間。公元1173~1976年的803年間，地球上發生了56次流行性大感冒，這56次都出現在太陽黑子活躍的年份，而在黑子活動的高峰期，死於心肌梗塞的患者數量也急劇增加。有人認為，太陽的磁場活動對地球的氣候也產生了影響，這就意味著太陽的活動可能對20世紀全球溫度的升高負有一定的責任。
除了太陽黑子外，太陽耀斑的變化對地球也有影響。太陽耀斑是一種劇烈的太陽活動，主要觀測特征是，日麵上突然出現迅速發展的亮斑閃耀，其壽命僅在幾分鍾到幾十分鍾之間，亮度上升迅速，下降較慢。特別是在太陽活動峰年，耀斑出現頻繁且強度變強。
太陽輻射是地球上一切物理過程和物理現象形成的原動力。因受地理、海陸、山地、丘陵、平原分布的影響，太陽輻射在地球上分布不均。加之太陽黑子和耀斑自身的不均衡性，還有地球自身內部熱量的逸散，從而造成了不同地域的氣候差異。
2.2四季的形成
2.2.1四季的成因
地球繞太陽公轉的軌道平麵，叫作黃道麵。地球自轉的軸線，我們稱之為地軸。計算發現，地軸與黃道麵並不垂直，而是呈66°33′的夾角，且每4.1萬年要在65.5°至67.9°之間變動一個周期，因為時間太長，故在短時間內可以認為地軸與黃道麵夾角基本恒定。因為地軸傾斜恒定，總是保持一個方向，且地球總在繞太陽公轉，當地球在黃道麵上從一個地方移動到另一個地方時，處在地球上的人類觀看太陽時，太陽的高度角也就發生了變化，給人類的視覺感不是地球變化了位置，而是太陽發生了南北移動。在地球繞太陽公轉一圈的過程中，南北半球接受太陽的輻射及熱量在不斷發生變化，於是便產生了冷暖交替的循環。
當北半球的人們正午看到太陽高度降到了最低點，日影達到最長，視覺感也就認為太陽移到了最南端。這一時刻地軸的南極向太陽傾斜，陽光直射南回歸線，南半球得到更多的太陽能量，南半球是夏季，北半球是冬季，北極出現永夜，南極出現永晝。其實自從陽光直射移往赤道以南的半年裏，北半球就成了冬半年，北半球晝短夜長，北極晨昏線以內的地方半年看不到太陽；南半球成了夏半年，南半球晝長夜短，南極晨昏線以內的地方半年太陽都在地平線以上轉圈圈。於是，當地球每年到達黃道麵這個位置的那一刻，人們便命名為“冬至”，這一天也就是冬至節氣。
相反的情況，當地球移動到隔著太陽與“冬至”那個點相對稱的那個位置時，北半球的人們正午看到太陽高度升到了最高點，日影達到最短，視覺感也就認為太陽移到了最北端。這一時刻地軸的北極向太陽傾斜，陽光直射北回歸線，北半球得到更多的太陽能量，北半球是夏季，南半球是冬季，北極出現永晝，南極出現永夜。其實自從陽光直射移往赤道以北的半年裏，北半球就成了夏半年，北半球晝長夜短，北極晨昏線以內的地方半年太陽都在地平線以上轉圈圈；南半球成了冬半年，南半球晝短夜長，南極晨昏線以內的地方半年看不到太陽。於是，當地球每年到達黃道麵這個位置的那一刻，人們便命名為“夏至”，這一天也就是夏至節氣。
當地球移動到“冬至”和“夏至”兩個點的中間位置時，南北極都不對著太陽傾斜，陽光直射赤道，兩個半球得到的太陽能量相同，南北兩極地區成了晨昏狀態，南北半球晝夜時間一樣長短。由冬到夏，那個點為“春分”，由夏到冬，那個點為“秋分”。春分、秋分節氣的命名是相對於北半球而言的，南半球正好與北半球相反。
黃道麵被人為分成360°，曆法上規定地球每移動黃經15°為一個節氣。6月21~22日，地球移動到黃經90°，也就是地球北半球的“夏至”，太陽光直射北回歸線上，北半球接受的光熱最多，北半球正值曆法上的夏季；以後太陽光逐漸南移，北半球接受的太陽光熱隨之減少，9月22~24日，地球移動到黃經180°，也就是地球北半球的“秋分”，太陽光直射赤道，南北半球所受的光熱相等，這時北半球處於曆法上的秋季；秋分過後，太陽光移向南半球，12月21~23日，地球移動到黃經270°，也就是地球北半球的“冬至”，太陽光直射南回歸線，這時北半球受太陽光熱最少，正值曆法上的冬季；以後太陽光逐漸北移，北半球接受的太陽光熱隨之增多，3月20~21日，地球移動到黃經0°，也就是地球北半球的“春分”，太陽光再次直射赤道，南北半球所受的光熱相等，這時北半球處於曆法上的春季。由於地球不停地公轉，春、夏、秋、冬四季便交替不斷出現。不過，在北溫帶和南溫帶地區，四季的出現正好相反，當北溫帶的人們正穿著大棉襖的時候，南溫帶的人們卻正在海濱浴場避暑。
由此可知，春夏秋冬四季是因為地軸的傾斜和地球的公轉造成的，由於兩個半球從太陽接收到的能量不同而產生四季更替。假設地軸與黃道麵是垂直的，地球上是不可能有春夏秋冬之分的，假設隻有地軸傾斜，但地球沒有繞太陽的公轉，也不會有四季的產生，二者缺一不可。太陽係裏木星自轉軸與公轉平麵的夾角是86°52′，自轉軸與公轉平麵幾乎垂直，造成了木星上沒有分明的四季變化。有人認為是由於木星沒有地球這樣的大氣層，所以木星上才沒有四季，其實不是這樣，假如地軸也是木星自轉軸這樣的傾斜度，地球也會沒有春夏秋冬四季的變化。
假設地軸傾斜過大，或者地軸與黃道麵沒有夾角，地球上更不可能有春夏秋冬之分。太陽係中的天王星自轉軸幾乎倒在它的軌道平麵上，因此當天王星的半個球麵是夏季時，它的一個極點幾乎直對著太陽，而另外半個球麵完全處於黑暗的冬季之中。地球的公轉軌道是個橢圓，地球與太陽之間的距離也有遠近變化，這種變化使整個地球從太陽接受的總熱量會產生一些微小的差異，但這一微小的差異不足以造成地球上一年的季節變化。
春夏秋冬四季變化主要是指地球相對於太陽位置的變化，也就是天文氣候。對於真正意義上的氣候，赤道地區隻有夏季，兩極地區和高原高海拔的雪山上隻有冬季，低緯度地區沒有冬季，高緯度地區沒有夏季，隻有中緯度的平原和非高海拔地區才有分明的冬夏春秋四季。
2.2.2四季的劃分
劃分四季有各種不同的標準，中國傳統習慣是農曆，主要以天文因素作為劃分依據，由立春到穀雨的六個節氣是春季，由立夏到大暑的六個節氣是夏季，由立秋到霜降的六個節氣是秋季，由立冬到大寒的六個節氣是冬季。每一季度的時間都是三個月，以春分、夏至、秋分、冬至各日作為春、夏、秋、冬各季的中間日。
西方國家大多以月份來劃分四季，3~5月這三個月為春季，6~8月這三個月為夏季，9~11月這三個月為秋季，12~2月這三個月為冬季。雖然按照曆法將一年劃分為四季，但如果按照氣候要素（氣溫）劃分，世界不同地區四季的早晚、長短有很大差異，而且，就全球範圍來說，也不是所有地方都有四季的，在赤道和極地，隻有夏季和冬季，有些地方一年中也許隻有兩季、三季。隻有在溫帶地區，四季的界限才表現得相當明顯。