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La première de ces limitations est intrinsèque au système climatique lui-même : ce n’est tout simplement pas un système entièrement prévisible. Cette caractéristique est associé à une propriété mathématiques des équations, qui ne sont pas linéaires, et mélangent les échelles de temps et d’espace. C’est d’ailleurs pour cela qu’elles ne peuvent se résoudre de manière analytique, et que le recours à l’ordinateur est indispensable. Il existe ainsi une limite de prévision particulièrement courte pour la composante atmosphérique : à échéance de dix jours environ, l’évolution météorologique ne peut plus être prédite, parce que le caractère instable de l’écoulement a répercuté à l’ensemble du globe une toute petite erreur initiale. C’est l’effet bien connu, découvert par Edward Lorenz en 1963, popularisé sous le nom d’« effet des ailes de papillon » : il exprime que toute perturbation, aussi minime soit-elle, modifie irréversiblement l’histoire de l’atmosphère. Certaines composantes du système climatiques, telles la végétation, présentent également une complexité intrinsèque qui résulte plutôt de la diversité des processus qui entrent en compétition : il est ainsi impossible de prévoir avec certitude l’évolution de toutes les essences d’un massif forestier et leur impact climatique en retour. Mais ces incertitudes ne signifient pas qu’aucune information ne puisse être obtenue sur l’évolution du climat. Plusieurs processus guident ainsi les mouvements de l’atmosphère ou de la végétation, et organisent leur comportement. Certains sont externes au système climatique, tels les fluctuations du rayonnement solaire incident, par exemple à l’échelle saisonnière, ou les émissions de gaz à effet de serre par les activités humaines. D’autres sont internes et correspondent aux composantes lentes du système climatique, telles que l’océan, ou les grands glaciers, qui organisent son évolution à des échelles allant de quelques années (pour les couplages de l’océan tropical avec l’atmosphère) à quelques milliers d’années.