通过各种气象仪器对全球气候系统进行动态观测。不仅包括常规观测，也包括各种特殊项目观测，如海冰、太阳常数等项的观测。

气候监测是20世纪70年代提出来的。其目的是为了对整个气候系统进行全面的观测，以便及时发现气候系统状况的任何值得注意的变化。气候监测是气候系统研究的基础。

气候监测主要有三方面的内容：

（1）大气常规观测。19世纪后期到20世纪30年代，世界范围的气候观测只有地面气温、降水量和气压。美国最早绘制了20世纪以来北半球月平均海平面气压图。对流层气温序列最早开始于1958年，且仅限于北半球。1978年以来有了卫星观测，它能覆盖南北两个半球，成为获得覆盖最完整分辨率均匀资料的工具。近年来建立了主要限于全球陆地的全球降水量的格点序列。气温、降水量和气压这三种要素观测序列最长，也是能够反映气候状况的基本要素，成为气候监测的最主要内容。

20世纪30年代以后，逐渐有了高空探测资料。前苏联绘制了500百帕高度周期平均图。美国从40年代开始做西半球北美及邻近海域5天及30天的700百帕高度平均图。日本绘制了世界上最早的北半球500百帕高度月平均图。中国的北半球500百帕高度月平均图序列开始于1951年。目前NCAR等单位初步完成了1958年以来的再分析资料，包括各等压面的高度、温度、风及地面的气温、降水量的格点资料。由于逐日资料，不仅对气候学，对天气学与数值预报等都有重要意义。

（2）海洋及系统其他成员的常规观测。海洋是全球气候系统监测中的重要组成部分，但至今海洋资料中最丰富的是海面温度，过去海面温度主要靠商船观测。CODAS资料库收集了1850年以来的资料，其中1949年之前，特别是20世纪末之前，资料覆盖面很小。卫星观测使海温温度资料精度提高，但与船舶观测还有一定的差异，所以两者结合的资料用来绘制海面温度距平图。

海洋观测中的盐度、洋流及深海海温等很缺乏，大部分无系统观测资料，近年来才给出赤道太平洋混合层深度（用20℃等温线的深度表示）及800米深至海面的温度距平。从全球角度看，对盐度及深海海温缺少系统的长期观测资料。

雪盖和海冰面积的观测是冰雪圈监测的主要内容。1924年，前苏联建立目测海冰序列。目前美国设立了全球冰雪分析中心，公布每周及月平均南北半球海冰及雪盖面积，雪盖序列是从1966年开始，而海冰序列是从1974年开始。加拿大重建了20世纪以来的雪盖资料。

过去土壤温度及湿度的观测资料很少。近年来已经有了比较系统的资料，卫星对全球植被进行了观测，获得了高分辨率资料，为气候系统模式提供了重要的基础。

（3）非常规观测。目前许多特殊观测获得的资料，对全球气候系统的监测也十分珍贵。太阳常数观测是一个重要的内容，观测表明太阳常数的变化与太阳黑子11年周期中的黑子数成正比。因此，近百年以来以地面为基础进行的太阳常数观测是不可缺少的。但卫星观测与地面观测的详细对比，目前尚缺少。

大气中微量气体的观测也十分重要，冰芯气泡提供了二氧化碳的长序列。其他微量气体如甲烷、氯氟碳化物等也建立了相应的序列。如平流层气溶胶观测对研究火山爆发的气候影响也很重要，也有了相应的卫星观测资料。