前面我们回顾的是如何利用实验、理论和计算的手段理解CO2 的温室效应及其对气候变化的影响。一个关键的问题我们还没有谈到,那就是CO2浓度是否是在随时间升高? 地表气温是否在随时间升高? 本节将从观测的角度来回答这两个问题。

美国加州大学圣地亚哥分校教授Charles D.Keeling(1928—2005)是第一个用仪器观测大气CO2浓度的。他于1958年在国际地球物理年组织的资助下，在夏威夷的Mauna Loa山峰建立了世界上第一个CO2观测站，并开始CO2观测，因此，提供了世界上时间最长的CO2仪器观测资料。Keeling的观测最初曾得到了美国自然科学基金会(NSF)的支持，但后来中止了，因为NSF认为Keeling的观测只是常规性的工作，没有太大意义。但在1963年，NSF使用Keeling的观测结果发出警告：CO2增加的温室效应有可能造成全球变暖，在1965年向美国总统科学顾问委员汇报类似的观点时，同样使用了Keeling的观测结果。

图5是Keeling观测的大气CO2浓度时间序列图。CO2浓度从1958年的316ppmv(每百万体积单位中所占的分量)增加到2006年的大约381ppmv(2012年6 月的CO2 浓度是397ppmv)。目前的CO2浓度与工业革命前的CO2浓度(280ppmv)相比，增加量已超过了100ppmv。图中的红线代表月平均时间序列，红线的波动是CO2浓度的年循环，波动幅度大约是7ppmv。这是因为北半球夏季植物茂盛期间的光合作用消耗了大量的CO2，因此,北半球CO2浓度自夏季开始下降，直到9—10月植物枯萎，光合作用减弱，CO2浓度又开始回升，在次年的5月份植物繁茂之前达到最大值。Keeling发表了多篇关于大气中CO2增加的重要论文，其中最重要的是1960和1970年的两篇论文。在1960年，他的观测才刚开始2年，论文在当时并没有引起很大的轰动，但1970年的论文产生了巨大的影响，学术界和社会才开始认真地考虑人类燃烧化石燃料造成的2 增加将有可能导致全球气候变暖。

虽然温度的测量记录可以追溯到17世纪或者更早，但可靠的全球平均温度观测记录通常自1850年开始，因为在早期，占全球70%的海洋温度观测记录很少。即使在今天，海洋表面的气温观测主要是通过卫星观测，直接的观测仍然很难覆盖全部海洋.在人口稀少的陆地，直接的温度观测同样也很少。英国东安吉利亚(East Angilia)大学的P.D.Jones教授在这方面做了大量的工作，他整理了世界各地的各种温度观测资料，给出了公认比较可靠的自1850年以来的全球平均温度时间序列。图6是他们更新到2010年的南北半球和全球平均地表气温距平时间序列。无论是全球还是南北半球的平均温度自1900年以来均呈上升趋势，除了1940—1960年这段时间,温度是下降的，北半球变暖较南半球强一些。线性回归表明，在1900—2010年间，南北半球分别增温1.12℃和0.84℃,全球平均增温0.98℃。美国宾州州立大学教授Michael E.Mann等使用树木年轮等替代资料推算了过去1000年的北半球地面平均气温变化，发现现在的气温在过去1000年都是最高的。除了地面气温，整个大气对流层的温度也在升高，美国华盛顿大学付强教授等使用卫星微波遥感的温度资料计算了过去30年的对流层温度变化趋势，发现对流层温度也是升高的。全球变暖是就全球平均温度的长期的变化趋势而言的，并非意味着持续不断的温度升高，因为气候系统有其自身在不同时间尺度上的自然变化，如图6 中60—70年代的变冷，可以被看作气候系统自然波动的结果，也有人认为是人类活动造成的气溶胶增加，气溶胶散射太阳辐射，导致地面变冷。但总体来讲，全球平均温度在过去100年是升高的。