前面我們回顧的是如何利用實驗、理論和計算的手段理解CO2 的溫室效應及其對氣候變化的影響。一個關鍵的問題我們還沒有談到,那就是CO2濃度是否是在隨時間升高? 地表氣溫是否在隨時間升高? 本節將從觀測的角度來回答這兩個問題。

美國加州大學圣地亞哥分校教授Charles D.Keeling(1928—2005)是第一個用儀器觀測大氣CO2濃度的。他于1958年在國際地球物理年組織的資助下，在夏威夷的Mauna Loa山峰建立了世界上第一個CO2觀測站，并開始CO2觀測，因此，提供了世界上時間最長的CO2儀器觀測資料。Keeling的觀測最初曾得到了美國自然科學基金會(NSF)的支持，但后來中止了，因為NSF認為Keeling的觀測只是常規性的工作，沒有太大意義。但在1963年，NSF使用Keeling的觀測結果發出警告：CO2增加的溫室效應有可能造成全球變暖，在1965年向美國總統科學顧問委員匯報類似的觀點時，同樣使用了Keeling的觀測結果。

圖5是Keeling觀測的大氣CO2濃度時間序列圖。CO2濃度從1958年的316ppmv(每百萬體積單位中所占的分量)增加到2006年的大約381ppmv(2012年6 月的CO2 濃度是397ppmv)。目前的CO2濃度與工業革命前的CO2濃度(280ppmv)相比，增加量已超過了100ppmv。圖中的紅線代表月平均時間序列，紅線的波動是CO2濃度的年循環，波動幅度大約是7ppmv。這是因為北半球夏季植物茂盛期間的光合作用消耗了大量的CO2，因此,北半球CO2濃度自夏季開始下降，直到9—10月植物枯萎，光合作用減弱，CO2濃度又開始回升，在次年的5月份植物繁茂之前達到最大值。Keeling發表了多篇關于大氣中CO2增加的重要論文，其中最重要的是1960和1970年的兩篇論文。在1960年，他的觀測才剛開始2年，論文在當時并沒有引起很大的轟動，但1970年的論文產生了巨大的影響，學術界和社會才開始認真地考慮人類燃燒化石燃料造成的2 增加將有可能導致全球氣候變暖。

雖然溫度的測量記錄可以追溯到17世紀或者更早，但可靠的全球平均溫度觀測記錄通常自1850年開始，因為在早期，占全球70%的海洋溫度觀測記錄很少。即使在今天，海洋表面的氣溫觀測主要是通過衛星觀測，直接的觀測仍然很難覆蓋全部海洋.在人口稀少的陸地，直接的溫度觀測同樣也很少。英國東安吉利亞(East Angilia)大學的P.D.Jones教授在這方面做了大量的工作，他整理了世界各地的各種溫度觀測資料，給出了公認比較可靠的自1850年以來的全球平均溫度時間序列。圖6是他們更新到2010年的南北半球和全球平均地表氣溫距平時間序列。無論是全球還是南北半球的平均溫度自1900年以來均呈上升趨勢，除了1940—1960年這段時間,溫度是下降的，北半球變暖較南半球強一些。線性回歸表明，在1900—2010年間，南北半球分別增溫1.12℃和0.84℃,全球平均增溫0.98℃。美國賓州州立大學教授Michael E.Mann等使用樹木年輪等替代資料推算了過去1000年的北半球地面平均氣溫變化，發現現在的氣溫在過去1000年都是最高的。除了地面氣溫，整個大氣對流層的溫度也在升高，美國華盛頓大學付強教授等使用衛星微波遙感的溫度資料計算了過去30年的對流層溫度變化趨勢，發現對流層溫度也是升高的。全球變暖是就全球平均溫度的長期的變化趨勢而言的，并非意味著持續不斷的溫度升高，因為氣候系統有其自身在不同時間尺度上的自然變化，如圖6 中60—70年代的變冷，可以被看作氣候系統自然波動的結果，也有人認為是人類活動造成的氣溶膠增加，氣溶膠散射太陽輻射，導致地面變冷。但總體來講，全球平均溫度在過去100年是升高的。