ภูมิอากาศวิทยา (อังกฤษ: climatology จากภาษากรีก κλίμα, klima แปลว่า "สถานที่ หรือเขต" และ-λογία หรือ -logia) หรือ ภูมิอากาศศาสตร์ (climate science) คือการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับภูมิอากาศซึ่งนิยามทางวิทยาศาสตร์ว่าคือสภาพของลมฟ้าอากาศเฉลี่ยในช่วงระยะเวลาหนึ่ง[1] ในสาขาการศึกษาสมัยใหม่ถือเป็นสาขาหนึ่งของบรรยากาศศาสตร์และสาขาย่อยของภูมิศาสตร์กายภาพซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวิทยาศาสตร์โลก ภูมิอากาศวิทยาปัจจุบันศึกษาทั้งสมุทรศาสตร์และชีวธรณีเคมี องค์ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับภูมิอากาศสามารถนำมาใช้ในการพยากรณ์อากาศระยะสั้นโดยใช้เทคนิคแอนะล็อก เช่น เอลนีโญ-ความผันผวนซีกโลกใต้ (El Niño–Southern Oscillation: ENSO) ความผันผวนแมดเดน–จูเลียน (Madden–Julian oscillation: MJO) ความผันผวนแอตแลนติกเหนือ (North Atlantic oscillation: NAO) ภาวะวงแหวนซีกโลกเหนือ (Northern Annular Mode: NAM) ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าความผันผวนอาร์กติก (Arctic oscillation: AO) ดัชนีแปซิฟิกเหนือ (Northern Pacific: NP) ความผันผวนทศวรรษแปซิฟิก (Pacific Decadal Oscillation: PDO) และความผันผวนระหว่างทศวรรษแปซิฟิก (Interdecadal Pacific Oscillation: IPO) แบบจำลองภูมิอากาศถูกนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์ที่หลากหลายสำหรับการศึกษาตั้งแต่การศึกษาพลวัตของลมฟ้าอากาศและระบบภูมิอากาศไปจนถึงการคาดการณ์ภูมิอากาศในอนาคต ลมฟ้าอากาศเป็นที่รู้จักกันว่าคือสภาพของบรรยากาศในช่วงเวลาหนึ่ง ในขณะภูมิอากาศเกี่ยวข้องกับสภาพบรรยากาศในช่วงเวลานาน[2]