圍繞人類生存環(huán)境的可持續(xù)性，認識和應對氣候變化提出了廣泛而豐富的基礎研究課題，可有力地帶動國家基礎研究水平的提升，促進原始創(chuàng)新和學科交叉，支撐科學發(fā)展，引領未來，并強化我國在國際科學界的話語權。

    基于大氣科學的可持續(xù)地球綜合模擬 氣候變化的復雜性在于其物理因素眾多、密切相關、且存在非線性行為。氣候建模本身就是一個復雜的工作，不僅包括了大氣、陸地、海洋、植被、冰川及大氣化學等因素，也計入了與人類活動有關的全球碳循環(huán)、氣溶膠等，太陽的作用是作為一個重要的輸入。氣候模式不僅包括求解有關的方程組，更離不開大量的物理參數(shù)，越精細求解，計算量越大，也可稱為氣候云計算體系。發(fā)展氣候模式與空氣污染模式相耦合的模式，建立共同預報和風險評估的科學基礎，更完整地把人類的群體行為納入氣候建模中，是一個有難度和特點的工作。大氣科學研究的一個具體目標，就是建立高置信度的氣候系統(tǒng)模式，求解這樣的氣候模式，將使人們深入理解人類與氣候的相互作用，以及是否存在人類影響氣候變化的臨界點。反之，也將進一步認識氣候變化對人類活動可持續(xù)性的制約。

    地理工程學 包括氣候在內的全球和地區(qū)性的多種變化，提出了許多涉及跨學科的對策研究課題。它又會使人們進一步深化對工業(yè)化和城市化應有的科學模式和可持續(xù)性的認識。同時，地下空間也被用作二氧化碳封存和工業(yè)廢棄物及核廢物地質儲存的場所，這些事情必須與水資源保護、食物生態(tài)系統(tǒng)維護、土壤保護、國防安全等關聯(lián)起來，進行綜合研究。尤其重要的是，只有在這種綜合研究的基礎上，才能提出可持續(xù)發(fā)展的地下基礎設施建設的科學方案。這是涉及地學、力學、生物學、機械、材料及信息技術等交叉學科的工作。人類是否有可能實施一些全球尺度的“地球工程”，不對生存環(huán)境帶來負面效應，又能遏制氣候變化的不利影響甚至改變氣候，也屬于這一研究領域。

    海洋與氣候學 海洋不僅有巨大的吸收CO2的能力，而且海洋吸收和儲存能量的能力可以緩沖極端氣候變化；另一方面，海洋表面溫度和洋流對大氣有重要影響，而海洋表面的蒸發(fā)是地球上大部分降水的來源；海洋溶解過多的CO2，會導致海洋酸性增加，從而打破海洋的化學平衡，破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)（含魚類）；氣候變化會改變海平面的高度和海洋鹽度，海洋溫度上升可能使海底天然氣水合物融化，釋放甲烷，后者又會反過來導致溫度進一步上升，而天然氣水合物（可燃冰）是重要的能源資源。海洋與氣候學的研究不僅對認識氣候變化十分重要，而且對人類認識、保護和利用海洋生物和資源具有重大意義。

    冰雪研究的多重意義 冰雪和氣候變化是互相影響的重要因素，覆蓋陸地面積約10%的冰和雪通過對太陽輻射的反射，影響著日地之間的熱交換，極地海冰覆蓋狀況的變化是氣候變化的先兆者、指示劑，又是氣候變化的驅動者。2011年11月15日我國發(fā)布的《第二次氣候變化國家評估報告》指出，近60年間，我國陸地表面溫度上升導致大部分冰川面積縮小一成。三江源地區(qū)絕大部分冰川表現(xiàn)為后退。這些明確的結論值得引起高度重視并深化規(guī)律性的研究。冰的形成和融化會影響海洋的溫度、鹽度和海水面的高度。冰川積累和融化模式受到全球氣溫和天氣模式變化的直接影響，又影響著人類淡水供應這一重大問題。高海拔地區(qū)雪線的變化影響著該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的變化，而北極海冰的變化可能會引起生物鏈的連鎖反應，乃至引發(fā)自然界和社會性的重要后果。

    陸地與氣候的相互作用 氣溫上升會引起冰川儲水融化、湖泊淡水更快蒸發(fā)，從而嚴重破壞飲用水的供應。陸地上的森林是重要的碳匯，但碳匯作用的大小可能與氣候帶有關：熱帶森林的碳匯作用可能強于北緯地區(qū)。人類對土地的利用方式會影響碳循環(huán)和氣候，這個影響包括生物地球物理作用和生物地球化學作用，研究會有助于評估和預測土地利用變化對氣候的影響，促進政府有關決策的科學化。氣候變化會導致森林和農(nóng)作物生長帶的轉移，動物的遷徙，物種分布的改變，引起生態(tài)系統(tǒng)和水文循環(huán)的變化，這些對人類的生存環(huán)境意義重大。變暖使陸地上的永凍土融化，導致向大氣排放溫室氣體，但升溫又會導致苔蘚的生長，而后者有吸收CO2的作用，需要弄清楚哪個作用更強。