（一）水圈
水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上的一切液态水，其中海洋在气候形成和变化中最重要。海洋是由世界大洋和邻近海域的含盐海水所组成。其总面积为3.6亿km2，约占地球表面的71％，相当于陆地面积的2.5倍。由图1·3可见，海洋的分布在南北半球是不对称的。在北极，是由大陆包围着的北冰洋，而南极则是广大海洋包围着的南极大陆。南半球海洋的面积远大于北半球。海洋被插入其中的大陆分隔成不同的区域，按其大小而言，依次有太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。
海水是由液态水和溶于水中的盐分及气体所组成的。在每1000g海水中溶有NaCl23g，MgCl2和Na2S分别为5g和4g，此外还有少量CaCl2和KCl及其它微量盐分。海水中还溶有少量的大气中的各种气体，其中以O2和CO2对海洋生物过程和气候过程十分重要。
由于海洋对太阳辐射的反射率比陆面小，海洋单位面积所吸收的太阳辐射能比陆地多25％—50％。全球海洋表层的年平均温度要比全球陆面温度约高10℃左右。海面受热后由于波浪的作用，将热量向下传输混合，产生一个暖层。暖层平均水温在20—25℃左右。在暖层之下水温迅速下降，成为斜温层。斜温层之下是水温很低的第三层。在第三层底部水温约在0—5℃左右。在极地海洋地区从表面至洋底皆为冷水层。
据估算，到达地表的太阳辐射能约有80％为海洋表面所吸收。通过海水内部的运动，海洋上层平均厚度约为240m的水温有季节变化，其质量为8.7×1010t，热容量为36.45×1016MJ/℃；而陆面温度有季变的平均厚度只有10m，质量为3×1015t，其热容量只有2.38×1015MJ/℃。大气、海洋活动层和陆地活动层的质量比是1∶10.4∶0.55，热容量比是1∶68.5∶0.45。可见，无论从力学和热力学效应来看，海洋在气候系统中具有最大的惯性，是一个巨大的能量贮存库。如果仅考虑100m深的表层海水，即占整个气候系统总热量的95.6％。仅此一端就可见其在气候系统中的重要性。上层海洋与大气或冰的相互作用时间尺度为几个月到几年，而深层海洋的热力调整时间则为世纪尺度。
（二）陆面
陆面有时亦称岩石圈。岩石圈的变化时间尺度甚长，其中如山脉形成的时间尺度约为105—108a，大陆飘移的时间尺度约为106—109a，而陆块位置和高度变化的时间尺度则更在109a以上。它们的这些特征对地质时期的气候变化是有巨大影响的，但对近代在季节、年际、十年际乃致百年际的气候变化中是可以忽略的。在上述近代气候变化的时间尺度内，除火山爆发外，对大气的作用主要还是发生在陆地表面。因此在气候系统中通常不用岩石圈这个更广泛的名词，而采用陆面一词。
陆地表面具有不同的海拔高度和起伏形势，可分为山地、高原、平原、丘陵和盆地等类型。它们以不同的规模错综分布在各大洲之上，构成崎岖复杂的下垫面。在此下垫面上又因岩石、沉积物和土壤等性质的不同，其对气候的影响更是复杂多样。例如海陆分布与山脉大地形在动力学和热力学两方面对大气环流的形成起着重要作用。地表土壤作为大气中微粒物质的一个主要来源，在气候变化中产生巨大的影响。同时土壤还参与了气候和植被的相互作用。
（三）冰雪圈
冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖等。目前全球陆地约有10.6％被冰雪所覆盖，海冰的面积比陆冰的面积要大，但由于世界海洋面积广阔，海冰仅占海洋面积的6.7％。陆地雪盖有季节性的变化，海冰有季节性到几十年际的变化，而大陆冰原和冰川的变化要缓慢得多，只有在几百年甚至到几百万年的周期上其体积和范围才显示出重大的变化。冰川和冰原的体积变化与海平面高度的变化有很大关系。
由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大影响。它是气候系统中的一个重要子系统。
（四）生物圈
生物圈主要包括陆地和海洋中的植物，在空气、海洋和陆地生活的动物，也包括人类本身。生物圈的各部分在变化的时间尺度上有显著差异，但它们对气候的变化都很敏感，而且反过来又影响气候。生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡，气溶胶粒子的产生，以及其它与气体成分和盐类有关的化学平衡等都有很重要的作用。植物可以随着温度、辐射和降水的变化而发生自然变化。其变化的时间尺度为一个季节到数千年不等。而植物又反过来影响地面的粗糙度及反射率以及蒸发、蒸腾和地下水循环。由于动物需要得到适当的食物和栖息地，所以动物群体的变化也反映了气候的变化。人类活动既深受气候影响，又通过诸如农牧业、工业生产及城市建设等，不断改变土地、水等的利用状况，从而改变地表的物理特性以及地表与大气之间的气体交换，产生对气候的影响。
综上所述，为了弄清地球气候形成、分布和变化的机制，我们必须面对的是一个非常复杂的气候系统。它的每一个组成部分都具有十分不同的物理性质，并通过各种各样的物理过程、化学过程甚至生物过程同其它部分联系起来，共同决定各地区的气候特征。