联合国秘书长古特雷斯说，我们正进入“气候紧急状态”。过去8年是全球有记录以来最暖的8年，全球变暖仍在持续。
工业革命以来，人类不断向大气中排放二氧化碳、气溶胶等，导致全球气候变化，不仅对地球气候系统（大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈） 产生了重要影响，也反过来威胁到人类的生产生活——这是“碳中和”问题的由来。“碳中和”就是大气中碳的收支相抵，从而抑制由于人类活动造成的大气中二氧化碳增加所导致的气候变暖。
在“碳中和”背景下，需要科学认识气候系统多圈层之间的物质和能量交换过程，了解各圈层之间的碳循环过程，从而更加准确预估未来气候变化。这涉及大气科学、陆地（生态）、海洋科学等自然科学领域多学科交叉。
碳在大气、陆地、海洋之间“交换”“流动”。关键在于人类活动造成的碳排放，引起这些自然系统多少变化、在哪些方面和哪个地方变化。因此，需要研究全球变暖背景下大气、陆地、海洋的变化，特别是这些变化反过来对碳循环的影响。
为解决大气中二氧化碳变化及其机理这个科学问题，需要建立更加精密的观测系统——大气、陆地、海洋界面的物理、化学、生物过程的一体化观测系统；建立数值预报模式——海-陆-气耦合的大气温室气体数值模拟和数值预测系统。值得注意的是，我们传统的天气、气候预测更多地关注物理量的预测，今后需要关注大气中化学成分的预测，发展化学天气和化学气候预报。
目前的研究表明，全球变暖对天气气候已经产生了重要影响。德国经济议题观察家弗里德黑姆·施瓦茨指出，天气在全世界五分之四的经济活动中扮演着决定性的角色。因此气候变暖会影响到经济发展。另外，气候变暖造成了人类赖以生存的自然系统的变化，如极端天气气候增多增强、海平面上升、生态系统变化等。自然系统的这些变化不仅影响人类社会的可持续发展，也会危害人体健康。
为防范气候变化给人类社会带来的风险，保证人类社会的可持续发展，需要科学认识气候系统与人类经济社会系统之间的相互作用，评估“碳中和”过程对经济社会发展和公众健康的潜在风险。这涉及自然科学与社会科学的深度交叉。
构建气候系统和经济社会系统双向耦合的模式，是评估人类活动导致的气候变化及其影响和风险，制定应对和减缓气候变化途径的重要手段。比如，与天气气候密切相关的行业包括能源、金融、保险、水资源、食品、农业、交通运输、旅游、健康等行业。需要建立经济社会系统的动力学模型，科学认识经济社会系统与自然系统之间的相互作用。
为实现“碳中和”目标，需要进行以使用清洁能源为主的能源转型。太阳能受到大气中云、气溶胶等的影响，风能受到大气低层风速和风向的影响，能源消耗受到气温影响，水力发电与大气降水密切相关，极端天气气候事件威胁能源安全。因此，需加强天气和气候变化对能源影响的研究及其预报能力的提升，特别是加强气候变暖背景下极端天气气候事件的成因、影响和预报研究。
大气与陆地和海洋之间的碳循环及其界面之间的物质和能量交换过程，以及地球自然系统和人类社会经济系统之间的相互作用是地球系统科学的关键所在，也是涉及碳中和领域最前沿的科学挑战，涉及自然科学多学科，以及自然科学与社会科学的深度交叉。
