Les enregistrements paléoclimatiques avec une résolution de l’ordre du siècle montrent l’occurrence de périodes chaudes régionales et transitoires au cours des derniers 10 ka, avant la période industrielle, mais il est probable que ces réchauffements n’étaient pas synchrones à l’échelle globale. De la même manière, alors que certains enregistrements paléoclimatiques de résolution décennale montrent une variabilité quasi-périodique régionale, il est probable que ces signaux régionaux ne sont pas cohérents à l’échelle globale et ne peuvent expliquer la majeure partie du réchauffement global des derniers 100 ans.

Dans de nombreuses régions montagneuses de l’hémisphère nord, les glaciers ont reculé en réponse au réchauffement régional causé par les variations d’orbite terrestre entre 11 et 5 ka, et étaient plus réduits qu’à la fin du 20ème siècle au cours de ces épisodes chauds. Le recul quasi-global des glaciers qui se produit actuellement ne peut pas être lié aux mêmes causes naturelles, car la diminution de l’ensoleillement d’été au cours des derniers millénaires dans l’hémisphère nord devrait être favorable à une expansion de ces glaciers.

Les modèles de circulation générale (GCM) sont capables de simuler beaucoup des caractéristiques du changement climatique de l’Holocène moyen, il y a 6 ka : ceci inclut le réchauffement des moyennes latitudes, dans un contexte où la température moyenne globale fluctue peu (<0,4°C), et les changements des moussons, en réponse au forçage orbital. Dans les zones où les reconstructions sont nombreuses, les modèles ont tendance à sous-estimer les changements hydrologiques. Les modèles de climat couplés océan-atmosphère-végétation conduisent à des simulations plus réalistes et montrent le rôle amplificateur des rétroactions liées à l’océan et aux surfaces continentales dans le changement climatique.

Les modèles de climat et de végétation simulent le déplacement vers le nord de la limite de la forêt boréale en cas de réchauffement. Les données paléoclimatiques indiquent également que ces déplacements de limites de forêt jouent probablement un rôle de rétroaction positive. Ces modèles montrent également des changements de structure de la végétation et du stockage continental de carbone lorsque les conditions aux limites et les forçages climatiques changent (c-à-d présence de calottes, variations orbitales).

Les observations paléoclimatiques révèlent que la fréquence régionale des cyclones tropicaux, des crues, des sécheresses pluri-annuelles et l’intensité des moussons africaine et asiatique ont subi des changements abrupts à l’échelle de la décennie au siècle, au cours des derniers 10 ka. Cependant, les mécanismes à l’origine de ces changements abrupts sont mal compris ou n’ont pas été étudiés en détail à l’aide des modèles de climat.