Lumi ja jää vaikuttavat maapallon ilmasto-olosuhteisiin monella tavalla ja erilaiset syyseuraussuhteet muodostavat monimutkaisen kokonaisuuden. Esimerkiksi puhdas, kuiva lumi heijastaa lähes kaiken siihen osuvasta auringonsäteilystä takaisin ilmakehään ja näin jäähdyttää maanpintaa, kun taas merijää estää lämmönvaihdon merten ja ilmakehän välillä. Valtamerten peittämän maapallon vesivaroista vain noin kolme prosenttia on makeata vettä ja siitä lähes 80 prosenttia on sitoutunut jäätiköihin. Jäätiköt sitovat lämpöä ja tasaavat lämpötilan vaihteluja. Merenpinnankorkeus vaihtelee jäätiköiden koon vaihtelujen mukaan ja jäätiköiden kylmien sulamisvesien virtaukset vaikuttavat jopa merivirtoihin.

Toisin kuin usein luullaan, lumi ei ole jäätynyttä vettä, vaan se syntyy härmistymällä vesihöyrystä suoraan kiinteäksi aineeksi. Lumikiteet muodostuvat alijäähtyneissä pilvissä, joissa vettä esiintyy sen kaikissa kolmessa olomuodossa. Vesihöyry härmistyy ilmassa olevien epäpuhtauksien, kuten erilaisten mineraalien, merisuolahiukkasten ja pölyn ympärille, ja näin syntyy lumikiteitä. Pilven lämpötila ja ilman kosteus määräävät syntyvän lumihiutaleen muodon.

Luonnossa esiintyvällä jäällä voi olla hyvinkin erilaisia ominaisuuksia. Joki-, järvi- ja merijäiden rakenne eroaa toisistaan ja niiden koostumus riippuu jäätyneen veden koostumuksesta. Jäätikköjää taas muodostuu lumesta.

Mitä lumi ja jää merkitsevät talven arjelle? Monilla seuduilla paikallisten ihmisten elinkeino on riippuvainen alueen lumipeitteisistä vuorista ja jäätiköistä. Arktisilla alueilla talven suojaava lumipeite on elinehto monille kasveille ja eläimille. Lisäksi lumi ja jää soveltuvat loistavasti virkistyskäyttöön. Lumella ja jäällä on siis suuri merkitys maapallolla vallitseviin olosuhteisiin, ja siksi lumi ja jää ovat myös hyvin monipuolisia ja kiehtovia tutkimuskohteita.

Lumitutkimusta tarvitaan esimerkiksi tulva- ja lumivyöryennusteita laadittaessa, teiden talvikunnossapidossa, talviurheilun kehittämishankkeissa ja ilmastotutkimuksessa. Lumisade on tehokas ilmakehän puhdistaja. Se kerää mukaansa kaasu- sekä hiukkassaasteet paljon paremmin kuin vesisade. Niinpä lumihiutaleet keräävät näytteitä ilmakehän koostumuksesta ja epäpuhtauksista matkallaan maahan. Talvinen lumipeite varastoi saasteet, joiden pitoisuuksia voidaan mitata myöhemmin luminäytteistä.

Joki-, järvi- ja merijäätutkimusta hyödynnetään vesivoiman kehitystyössä, merenkulussa ja merirakentamisessa sekä ilmastotutkimuksessa muun muassa seuraamalla ilmastonmuutosten aiheuttamia vaihteluja luonnonjäiden esiintymisessä.

Jäätikkötutkimus on tärkeä osa laajempaa ilmasto- ja saastetutkimusta ja sitä sovelletaan muun muassa vesivoimaloiden kehitystyössä alueilla, joilla jäätiköitä esiintyy. Jäätiköt syntyvät useiden ylivuotisten lumikerrosten kasautuessa ja tiivistyessä, jolloin lumi muuttuu lopulta kiinteäksi jääksi. Jokaisen lumikerroksen mukana jäätikköön varastoituu tietoa lumen satamishetkisistä ilmasto-olosuhteista. Mannerjäätiköiltä kairatuista jäänäytteistä on tulkittu ilmastohistoriaa jopa yli 400000 vuoden ajalta ja vanhimmat jäänäytteet ovat miljoonia vuosia vanhoja. Pienien vuoristojäätiköiden jää ei ole läheskään yhtä vanhaa, mutta nekin ovat tärkeitä tutkimuskohteita, sillä ne reagoivat huomattavasti mannerjäätiköitä nopeammin ilmastomuutoksiin. Niinpä niitä havainnoimalla voidaan seurata niiden esiintymisalueiden sademäärien ja lämpötilojen pitkän aikavälin muutoksia.