聯(lián)合國秘書長古特雷斯說，我們正進(jìn)入“氣候緊急狀態(tài)”。過去8年是全球有記錄以來最暖的8年，全球變暖仍在持續(xù)。
工業(yè)革命以來，人類不斷向大氣中排放二氧化碳、氣溶膠等，導(dǎo)致全球氣候變化，不僅對地球氣候系統(tǒng)（大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈） 產(chǎn)生了重要影響，也反過來威脅到人類的生產(chǎn)生活——這是“碳中和”問題的由來?！疤贾泻汀本褪谴髿庵刑嫉氖罩嗟?，從而抑制由于人類活動造成的大氣中二氧化碳增加所導(dǎo)致的氣候變暖。
在“碳中和”背景下，需要科學(xué)認(rèn)識氣候系統(tǒng)多圈層之間的物質(zhì)和能量交換過程，了解各圈層之間的碳循環(huán)過程，從而更加準(zhǔn)確預(yù)估未來氣候變化。這涉及大氣科學(xué)、陸地（生態(tài)）、海洋科學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域多學(xué)科交叉。
碳在大氣、陸地、海洋之間“交換”“流動”。關(guān)鍵在于人類活動造成的碳排放，引起這些自然系統(tǒng)多少變化、在哪些方面和哪個地方變化。因此，需要研究全球變暖背景下大氣、陸地、海洋的變化，特別是這些變化反過來對碳循環(huán)的影響。
為解決大氣中二氧化碳變化及其機理這個科學(xué)問題，需要建立更加精密的觀測系統(tǒng)——大氣、陸地、海洋界面的物理、化學(xué)、生物過程的一體化觀測系統(tǒng)；建立數(shù)值預(yù)報模式——海-陸-氣耦合的大氣溫室氣體數(shù)值模擬和數(shù)值預(yù)測系統(tǒng)。值得注意的是，我們傳統(tǒng)的天氣、氣候預(yù)測更多地關(guān)注物理量的預(yù)測，今后需要關(guān)注大氣中化學(xué)成分的預(yù)測，發(fā)展化學(xué)天氣和化學(xué)氣候預(yù)報。
目前的研究表明，全球變暖對天氣氣候已經(jīng)產(chǎn)生了重要影響。德國經(jīng)濟(jì)議題觀察家弗里德黑姆·施瓦茨指出，天氣在全世界五分之四的經(jīng)濟(jì)活動中扮演著決定性的角色。因此氣候變暖會影響到經(jīng)濟(jì)發(fā)展。另外，氣候變暖造成了人類賴以生存的自然系統(tǒng)的變化，如極端天氣氣候增多增強、海平面上升、生態(tài)系統(tǒng)變化等。自然系統(tǒng)的這些變化不僅影響人類社會的可持續(xù)發(fā)展，也會危害人體健康。
為防范氣候變化給人類社會帶來的風(fēng)險，保證人類社會的可持續(xù)發(fā)展，需要科學(xué)認(rèn)識氣候系統(tǒng)與人類經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)之間的相互作用，評估“碳中和”過程對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和公眾健康的潛在風(fēng)險。這涉及自然科學(xué)與社會科學(xué)的深度交叉。
構(gòu)建氣候系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)雙向耦合的模式，是評估人類活動導(dǎo)致的氣候變化及其影響和風(fēng)險，制定應(yīng)對和減緩氣候變化途徑的重要手段。比如，與天氣氣候密切相關(guān)的行業(yè)包括能源、金融、保險、水資源、食品、農(nóng)業(yè)、交通運輸、旅游、健康等行業(yè)。需要建立經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)的動力學(xué)模型，科學(xué)認(rèn)識經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間的相互作用。
為實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，需要進(jìn)行以使用清潔能源為主的能源轉(zhuǎn)型。太陽能受到大氣中云、氣溶膠等的影響，風(fēng)能受到大氣低層風(fēng)速和風(fēng)向的影響，能源消耗受到氣溫影響，水力發(fā)電與大氣降水密切相關(guān)，極端天氣氣候事件威脅能源安全。因此，需加強天氣和氣候變化對能源影響的研究及其預(yù)報能力的提升，特別是加強氣候變暖背景下極端天氣氣候事件的成因、影響和預(yù)報研究。
大氣與陸地和海洋之間的碳循環(huán)及其界面之間的物質(zhì)和能量交換過程，以及地球自然系統(tǒng)和人類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的相互作用是地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵所在，也是涉及碳中和領(lǐng)域最前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)，涉及自然科學(xué)多學(xué)科，以及自然科學(xué)與社會科學(xué)的深度交叉。
