A determinação da temperatura global à superfície é feita a partir de dados recolhidos em terra, sobretudo em estações de medição de temperatura em cidades, e nos oceanos, recolhidos por navios. É feita uma seleção das estações a considerar, que são as que se consideram mais confiáveis, e é feita uma correção no caso de estas se encontrarem perto de urbanizações. As tendências de todas as seções são então combinadas para se chegar a uma temperatura global.
O globo é dividido em seções de 5º latitude/5º longitude e é calculada uma média pesada da temperatura mensal média das estações escolhidas em cada seção. As seções para as quais não existem dados são deixadas em branco, sem as estimar a partir das seções vizinhas, e não entram nos cálculos. A média obtida é então comparada com a referência para o período de 1961-1990, obtendo-se o valor da anomalia para cada mês. A partir desses valores é então calculada uma média pesada correspondente à anomalia anual média global para cada Hemisfério e, a partir destas, a anomalia global.[17]
Desde janeiro de 1979, os satélites da NOAA passaram a medir a temperatura da troposfera inferior (de 1000m a 8000m de altitude) através da monitorização das emissões de microondas por parte das moléculas de oxigénio na atmosfera. O seu comprimento de onda está diretamente relacionado com a temperatura (estima-se uma precisão de medida da ordem dos 0.01 °C). Estas medições indicam um aquecimento de menos de 0.1 °C, desde 1979, em vez dos 0.4 °C obtidos a partir dos dados à superfície.
É de notar que os dois conjuntos de dados não divergem na América do Norte, Europa Ocidental e Austrália, onde se pensa que os dados das estações são registrados e mantidos de um modo mais fiável. É apenas fora destas grandes áreas que os dados divergem: onde os dados de satélite mostram uma tendência de evolução quase neutra, os dados das estações à superfície mostram um aquecimento significativo (Dentro da mesma região tropical, enquanto os dados das estações na Malásia e Indonésia mostram um aquecimento, as de Darwin e da ilha de Willis, não.)
Existe controvérsia relativamente à explicação desta divergência. Enquanto alguns pensam que existem erros graves nos dados recolhidos à superfície, e no critério de selecção das estações a considerar, outros põem a hipótese de existir um processo atmosférico desconhecido que explique uma divergência em certas partes do globo entre as duas temperaturas.
Por sua vez, Bjarne Andresen,[18] professor do Niels Bohr Institute da Universidade de Copenhaga, defende que é irrelevante considerar uma única temperatura global para um sistema tão complicado como o clima da Terra. O que é relevante é o carácter heterogéneo do clima e só faz sentido falar de uma temperatura no caso de um sistema homogéneo. Para ele, falar de uma temperatura global do planeta é tão inútil como falar no «número de telefone médio» de uma lista telefónica.
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