해수면과 적빙, 얼음 벌판, 강수량 등에 나타난 변화는 지표면 근처의 온난화와 일치한다. 이런 변화들 중 더러는 국지적으로 나타나는데, 이는 전지구적 인간 활동의 영향이라기 보다는 내부 기후 변동, 자연 강제력 또는 지역에 국한되는 인간 활동에 의한 것으로 볼 수 있다.

적빙과 얼음 벌판은 감소했다. 1960년대 말 이후로 북반구에서 적빙의 범위가 평균 10% 정도 감소한 사실은 신빙성이 아주 높다(주로 아메리카와 유라시아 대륙에 일어난 봄철 변화 때문이다). 아울러 북반구의 중고위도 지역에서 연중 얼음이 호수와 강을 덮는 기간도 20세기 들어 약 2주 정도 감소했다. 비극지역의 산악 빙하도 광범하게 퇴각했다. 북반구에서 봄과 여름 동안의 바다 얼음 범위는 1950년대에서 2000년에 이르기까지 약 10-15% 줄었고, 북극 바다 얼음의 두께도 20세기 후반 30년 동안의 봄과 초가을 사이에 40% 정도 준 것으로 보인다. 남극의 바다 얼음 범위가 1978-2000년 사이에 전지구 평균 온도 상승과 병행하여 전체적으로 변화가 없는 반면, 남극 반도의 지역적 온난화는 1990년대 동안 라센(Larsen)얼음 선반의 일부분과 프린스 구스타프( Prince Gustav)가 붕괴한 것과 일치한다. 그러나 이 얼음 선반의 손실로 인한 직접적인 영향은 없다.

해수면 변화와 관련하여, 지역적 변동 범위는 전지구 평균 해수면 상승과 비교해 상당할 것으로 예측된다. 이는 해안 지역의 해수면은 여러 가지 요인에 의해 결정되기 때문이다. 복잡한 모형에서 나온 해수면의 지역적 분포도의 신뢰도는 낮다. 그 이유는 거의 모든 모형들에서 북극해는 평균 상승보다 클 것으로 보고 남대양은 평균보다 낮을 것으로 보지만 모형이 보여주는 결과 사이에 유사성이 거의 없기 때문이다.

빙하의 퇴각은 21세기에도 계속 광범위하게 일어날 것으로 예측된다. 북반구의 적설, 영구동토, 빙해의 범위는 더욱 더 감소할 것으로 예상된다. 강수량의 증가로 인해 남극의 얼음 평상은 더 커지겠지만, 그린랜드의 얼음 평상은 유출량이 강수량의 증가를 초과할 것이므로 크기가 감소할 것이다.

대다수 모형은 해양의 열염 순환이 약화될 것을 예측하는데, 이는 유럽의 고위도 지역으로 전달되는 열이 감소되는 상황으로 이어진다(아래 그림 참조). 그러나 THC가 약화되는 모형에서도 온실가스의 농도 증가로 유럽에는 여전히 온난화가 존재한다. 현재의 예측으로는 2100년 경에 THC가 완전히 소멸되지 않을 것으로 보이지만, 몇몇 모형은 복사 강제력의 변화가 충분히 크고 오래 적용된다면 양반구 중 어느 한 곳에서 THC가 완전히, 그리고 어쩌면 돌이킬 수 없는 상태로, 소멸될 것이라 제시한다. 모형들은 THC의 감소 때문에 변화에 대한 탄성이 줄어들 것이라는 점을 보여준다(즉, 한 때 감소했던 THC가 덜 안정된 상태가 되고, 결국 소멸될 가능성이 높다).

남극 얼음 평상은 21세기에 전반적으로 질량이 증가할 가능성이 크다. 그러나 남극 서부의 얼음 평상은 다음 1,000년 동안에 질량이 크게 감소하여, 해수면이 상승하는데 수 m의 기여를 하게 될 수도 있다. 그러나 이와 관련된 기초 과정은 아직 이해가 불완전한 상태이다. 남극 서부의 얼음 평상이 해수면 아래 기초하고 있기 때문에 그 안정성에 우려를 나타내는 견해들이 있다. 그러나 이 때문에 해수면이 크게 상승하게 되는 상황은 21세기에는 가능성이 아주 낮다는데 많은 학자들이 동의한다. 현재의 기후 및 얼음 역학 모형을 따르면, 앞으로 100년 동안 남극의 얼음 평상은 강수량의 증가로 인해 전체적으로 질량이 증가하겠고, 그럼으로써 해수면이 수 센티미터 하강하는데 기여하게 된다. 남극 서부의 얼음 평상은 차후 천년 동안 해수면이 3m 상승하는데 기여할 것으로 예측된다.

그린랜드 얼음 평상은 21세기에 질량이 감소하여 해수면 상승에 수 cm 정도 기여할 것이다. 그리고 21세기 중에 유출의 증가가 강수량의 증가를 초과하여 질량을 잃을 것으로 보이고, 전체 해수면 상승에 최대 10cm 정도 기여할 것으로 예측된다. 이들 얼음 평상은 기후 온난화에 대한 반응을 계속하여 기후가 안정화 된 이후에도 수 천년 동안 해수면 상승에 계속 기여할 것이다. 기후 모형을 보면, 그린랜드의 지역적인 온난화가 전지구 평균의 1-3배 정도 될 가능성이 크다는 것을 보여준다. 얼음 평상 모형을 보면, 온난화가 계속될 경우 3℃ 이상의 지역적인 온난화로 인해 그린랜드 얼음 평상이 완전히 융해되어 약 7m의 해수면을 상승시킬 것으로 나타낸다. 1,000년 동안 5.5℃의 지역적인 온난화가 지속되면, 그린랜드는 약 3m의 해수면 상승에 기여할 것이다.