1.2.2 温室气体
从组成地球大气的成分来看，氮气（N2）占78%，氧气（O2）占21%，氩气（Ar）等差不多占了0.9%，这些占大气中99%以上的气体都不是温室气体，这些非温室气体一般来说与入射的太阳辐射相互作用极小，也基本上不与地球放射的红外长波辐射产生相互作用。也就是说，它们既不吸收也不放射热辐射，对地球气候环境的变化基本上不会产生什么影响。对地球气候环境有重大影响的是大气中含量极少的温室气体，这些气体只占大气总体积混合比的0.1%以下，但由于它们能够吸收和放射辐射，在地球能量收支中起着重要的作用。
温室气体主要包括水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO），以及氟利昂或氯氟烃类化合物（CFC）、氢代氯氟烃类化合物（HCFC）、氢氟碳化物（HFC）、全氟碳化物（PFC）和六氟化硫（SF6）等极微量气体。
水蒸气能凝结和沉降，其在大气中通常会停留十天时间，通过人为源头进入大气的流量比“自然”蒸发的要少得多。因此，它对长期的温室效应没有显著作用。这就是对流层水汽（通常低于10km高度）不被认为是造成辐射强迫的人为气体的主要原因。在平流层（大气层约10km以上的部分），人为排放对水汽确实有显著影响。平流层水汽对变暖的贡献，从强迫和反馈两方面来讲，都要比来自甲烷或二氧化碳的小得多。因此，一般认为水汽是一个反馈介质，而不是引发气候变化的强迫。而二氧化碳、甲烷等温室气体可以吸收地表长波辐射，与“温室”的作用相似，对保持全球气候的适宜性具有积极的作用。若无“温室效应”，地球表面平均气温将是零下19℃，而非现在的零上14℃。但是，一旦大气中温室气体的浓度在短时间内出现剧烈变化，气候系统中原有的稳定和平衡就会被破坏。
温室气体基本可分为两大类，一类是地球大气中所固有的，但是工业化（约1750年）以来由于人类活动排放而明显增多的温室气体，包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧等；另一类是完全由人类生产活动产生的（即人造温室气体），如氯氟烃、氟化物、溴化物、氯化物等。例如，氯氟烃（如CFC-11和CFC-12）曾被广泛用于制冷机和其他的工业生产中，人类活动排放的氯氟烃导致了地球平流层臭氧的破坏。20世纪80年代以来，由于制定了保护臭氧层的国际公约，氯氟烃等人造温室气体的排放量正逐步减少。
由于二氧化碳含量在温室气体中占比最高，且温室效应最显著，减排一般指减少二氧化碳的排放。如果考虑所有温室气体，则可将非二氧化碳温室气体排放量乘以其温室效应值（如GWP）后换算为等价二氧化碳当量，这样可以将不同温室气体的效应标准化。
地球上的碳循环主要表现为自然生态系统的绿色植物从空气中吸收二氧化碳，经光合作用转化为碳水化合物并释放出氧气，同时又通过生物地球化学循环过程及人类活动将二氧化碳释放到大气中。自然生态系统的绿色植物将吸收的二氧化碳通过光合作用转化为植物体的碳水化合物，并经过食物链的传递转化为动物体的碳水化合物，而植物和动物的呼吸作用又把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成了生物的有机体，自身贮存下来；在动、植物死亡之后，大部分动、植物的残体通过微生物的分解作用又最终以二氧化碳的形式排放到大气中，少部分在被微生物分解之前被沉积物掩埋，经过漫长的年代转化为化石燃料（煤、石油、天然气等），当这些化石燃料风化或作为燃料燃烧时，其中的碳又转化为二氧化碳排放到大气中。图1-3所示为全球碳循环过程示意图。
图1-3 全球碳循环过程示意图（单位：十亿t/年）
注：*土地利用变化与生物质燃烧。
资料来源：《中国气象百科全书·气象预报预测卷》。
大气和海洋、陆地之间也存在着碳循环，二氧化碳可由大气进入海水，也可由海水进入大气，这种碳交换发生在大气和海水的交界处；大气中的二氧化碳也可以溶解在雨水和地下水中成为碳酸并通过径流被河流输送到海洋中，这些碳酸盐通过沉积过程又形成石灰岩、白云石和碳质页岩等；在化学和物理作用下，这些岩石风化后所含的碳又以二氧化碳的形式排放到大气中。
工业革命之后，大规模的森林砍伐使碳循环的平衡被打破，化石燃料—煤炭、石油和天然气等燃烧量不断增加，海洋和陆地生物圈不能完全吸收多排放的二氧化碳，从而导致大气中的二氧化碳浓度不断增加。目前，全世界每年燃烧化石燃料排放到大气中的二氧化碳总量折合成碳大约是60亿t，森林破坏和土地利用变化释放二氧化碳约15亿t，共75亿t。其中，37亿t会被海洋和陆地生物圈吸收（海洋约20亿t，陆地生物圈约17亿t），约有50%的二氧化碳留在了大气中，每年大气中碳的净增量大约是38亿t。留在大气中的这部分二氧化碳使全球大气中二氧化碳浓度由工业化前的280ppm（1ppm=0.0001%，即百万分比浓度）增加到2019年的410ppm，导致了全球气候系统的变暖。
甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其排放量约占全球温室气体排放的20%，对全球变暖的贡献率约占四分之一。甲烷是大气中的有机气体，主要来自地表，可分为人为源和自然源。人为源主要包括天然气泄漏、石油及煤炭开采及其他生产活动、水稻种植、反刍动物消化、动物粪便管理、燃料燃烧、垃圾填埋、污水处理等。自然源包括天然沼泽、多年冻土融解、湿地、河流湖泊、海洋、热带森林、苔原、白蚁等。全球甲烷排放量约为5.35（4.10～6.60）亿t/年，其中自然源为1.60（1.10～2.10）亿t/年、人为源为3.75（3.00～4.50）亿t/年，人为源约占70%。人类排放源可分为与化石燃料有关的排放源和生态排放源。近年来，国际社会对全球甲烷减排的关注程度明显增强。根据2021年1月国际能源署（IEA）发布的《甲烷追踪2021：帮助解决减少甲烷泄漏这一紧迫的全球挑战》报告估计，2020年全球石油和天然气行业向大气中排放的甲烷超过7000万t，一吨甲烷对气候变暖的贡献大约相当于30t二氧化碳，油气行业排放的甲烷折算为二氧化碳相当于欧盟能源相关碳排放的总和。2018年加拿大和墨西哥已将控制油气行业甲烷排放纳入实现本国国家自主贡献中的甲烷减排承诺。2020年10月，欧盟委员会（European Commission）发布了《欧盟甲烷战略》，并将于2021年推动立法，促进石油和天然气企业减少甲烷排放或泄漏。
氧化亚氮来源于地面排放，全球每年氧化亚氮排放总量约为1470万t。其中自然源（主要包括海洋以及温带、热带的草原和森林生态系统）为900万t，人为源（主要包括农田生态系统、生物质燃烧和化石燃烧、己二酸以及硝酸的生产过程）大约为570万t。大气中氧化亚氮每年的增加量约为390万t，其产生和排放的领域主要包括工业、农业、交通、能源生产和转换、土地变化和林业等，其中农业过量施氮是一个重要因素。人类主要通过施用氮肥增加农作物产量，而以氮肥所代表的活性氮一方面污染了环境，另一方面当活性氮以氧化亚氮的形式存在时，它还是增温效应最强的温室气体。目前氧化亚氮的温室效应贡献为二氧化碳的1/10。
2019年全球大气中CO2、CH4和N2O的平均浓度分别为（410.5±0.2）ppm、（1877±2）ppm和（332.0±0.1）ppm，较工业化前时代（1750年）水平分别增加48%、160%和23%，达到过去80万年来的最高水平。2019年大气主要温室气体增加造成的有效辐射强迫已达到3.14W/m2，明显高于太阳活动和火山爆发等自然因素所导致的辐射强迫，是全球气候变暖最主要的影响因素。
人类排放的温室气体和温升之间的关系非常复杂，特别是温室气体排放量、温室气体浓度和温升之间并不存在一一对应的同步变化关系，全球气候变暖的幅度与全球二氧化碳的累积排放量之间存在着近似线性的相关关系，全球二氧化碳的累积排放量越大，全球气候变暖的幅度就越高。
需要指出的是，地球大气中本身就含有一定浓度的二氧化碳，地球上许多不同的自然生态系统过程也都吸收和释放二氧化碳，因此大气中的二氧化碳浓度本身就存在时间和空间上的自然变率。当二氧化碳（不管是自然释放的还是人为排放的）进入大气中时会被风混合，并随着时间的推移而分布到全球各地。这种混合过程在北半球或南半球的尺度上需要一到两个月的时间，在全球尺度上则需要一年多的时间，因为北半球和南半球之间混合的速度很慢。