聯合國秘書長古特雷斯說，我們正進入“氣候緊急狀態”。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。
工業革命以來，人類不斷向大氣中排放二氧化碳、氣溶膠等，導致全球氣候變化，不僅對地球氣候系統（大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈） 產生了重要影響，也反過來威脅到人類的生產生活——這是“碳中和”
問題的由來。“碳中和”就是大氣中碳的收支相抵，從而抑制由于人類活動造成的大氣中二氧化碳增加所導致的氣候變暖。
在“碳中和”背景下，需要科學認識氣候系統多圈層之間的物質和能量交換過程，了解各圈層之間的碳循環過程，從而更加準確預估未來氣候變化。這涉及大氣科學、陸地（生態）、海洋科學等自然科學領域多學科交叉。
碳在大氣、陸地、海洋之間“交換”“流動”。關鍵在于人類活動造成的
碳排放，引起這些自然系統多少變化、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的影響。
為解決大氣中二氧化碳變化及其機理這個科學問題，需要建立更加精密的觀測系統——大氣、陸地、海洋界面的物理、化學、生物過程的一體化觀測系統；建立數值預報模式——海-陸-氣耦合的大氣溫室氣體數值模擬和數值預測系統。值得注意的是，我們傳統的天氣、氣候預測更多地關注物理量的預測，今后需要關注大氣中化學成分的預測，發展化學天氣和化學氣候預報。
目前的研究表明，全球變暖對天氣氣候已經產生了重要影響。德國經濟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濟活動中扮演著決定性的角色。因此氣候變暖會影響到經濟發展。另外，氣候變暖造成了人類賴以生存的自然系統的變化，如極端天氣氣候增多增強、海平面上升、生態系統變化等。自然系統的這些變化不僅影響人類社會的可持續發展，也會危害人體健康。
為防范氣候變化給人類社會帶來的風險，保證人類社會的可持續發展，需要科學認識氣候系統與人類經濟社會系統之間的相互作用，評估“碳中和”過程對經濟社會發展和公眾健康的潛在風險。這涉及自然科學與社會科學的深度交叉。
構建氣候系統和經濟社會系統雙向耦合的模式，是評估人類活動導致的氣候變化及其影響和風險，制定應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的行業包括能源、金融、保險、水資源、食品、農業、
交通運輸、旅游、健康等行業。需要建立經濟社會系統的動力學模型，科學認識經濟社會系統與自然系統之間的相互作用。
為實現“碳中和”目標，需要進行以使用清潔能源為主的能源轉型。太陽能受到大氣中云、氣溶膠等的影響，風能受到大氣低層風速和風向的影響，能源消耗受到氣溫影響，水力發電與大氣降水密切相關，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、影響和預報研究。
大氣與陸地和海洋之間的碳循環及其界面之間的物質和能量交換過程，以及地球自然系統和人類社會經濟系統之間的相互作用是地球系統科學的關鍵所在，也是涉及碳中和領域最前沿的科學挑戰，涉及自然科學多學科，以及自然科學與社會科學的深度交叉。
