随着全球气候持续变暖，各种极端天气频发，碳中和问题也成为全球关注的焦点。
碳中和问题因人类活动向大气中排放温室气体，导致全球变暖而起。这些温室气体以二氧化碳为主，包括少量甲烷和氧化亚氮等。研究大气与陆地、海洋间的碳循环及其介面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，是深入认识地球系统科学的关键，也是碳中和领域最前沿的科学挑战。
气候变化导致极端天气频发、海平面上升、生态系统改变，影响人类身体健康。因此，我们要了解实现碳中和过程给气候变化、公众健康和社会经济发展带来的影响和风险。
实现碳中和的四个科学问题
在世界经济论坛发布的《2021年全球风险报告》中，位列第一的风险是气候行动失败，第二是传染病，第三是生计危机……这些自然系统或社会系统的风险和危机并非孤立存在。比如，人类活动向大气中排放温室气体，导致全球变暖，而气候行动失败会引发其他危机。
人类活动带来的碳排放最终会储存到大气、陆地或海洋系统中，但碳在各系统中的含量是不断变化的。大气、陆地、海洋三个系统之间存在碳交换过程，大气里的碳可以进入海洋或陆地中，同样，海陆之间的碳也能相互交换。因此，在实现碳中和过程中，有四个和大气科学密切相关的科学问题需要关注。
一是要理解碳中和过程，知道大气中到底有多少碳，要认识气候变暖背景下大气、陆地和海洋之间碳的变化，还要知道它们之间的碳循环过程。二是建立数值模型，建立海、陆、气耦合的大气温室气体数值模拟和数值预测模型系统。由于观测站点有限，仅靠观测无法知道碳在大气、海洋和陆地的精确分布，碳循环过程及其时间变化，因此需要建立数值模拟系统，实现海-陆-气过程与温室气体排放源、吸收汇、区域和全球温室气体变化，以及区域之间传输的准确测算并预测未来变化。三是建立大气、陆地、海洋界面的物理、化学、生物过程的一体化观测系统，认识各圈层的相互作用，以及物质和能量交换过程。四是建立社会经济系统的动力学模型，认识社会经济系统与自然系统之间的相互作用，并在一体化动力学模型中实现双向耦合。
碳中和不仅是自然系统的问题，和人类活动也密切关联。比如，全球气候变暖和能源、金融、保险、旅游、健康等社会经济系统密切相关。自然系统和社会经济系统紧密相连、相互作用，因此要通过动力学模型刻画二者之间的相互作用。
须弄清影响和风险
能源转型(实现以清洁能源为主)是实现碳中和的关键之一。清洁能源中风能、太阳能都和大气状态有关，风能的产生取决于大气的状态(风速、风向等)，太阳辐射也受大气中云和气溶胶等的影响。因此，要更好地利用清洁能源，需要建立精细化大气数值模式，开展太阳辐射和风场预报。
大气状况还影响能源安全，比如，水利发电与大气降水密切相关，气温高低又影响能源消耗。此外，与大气科学有关的极端天气事件也会对能源生产和供应产生重大影响。2008年1月，南方冰冻雨雪灾害天气几乎使电力设施被毁;2021年2月，美国东部的极冷天气让一些地区的电力、能源系统崩溃;2022年夏季，中国东南部极端高温事件给电力供应带来考验。因此，加强极端天气事件的成因和影响研究、提升预报预防能力，是保证能源安全的一项重要基础性工作。
全球变暖不仅是气温变化问题，还涉及海洋温度升高、极端降水增加、冰川减少、海平面上升等，对自然环境产生一系列冲击。要想实现碳中和目标，必须对减少温室气体排放可能的影响有清晰认识，要考虑实现碳中和过程中自然环境会产生怎样的变化，这对经济社会发展和人类健康都至关重要。
德国经济问题观察家弗里德黑姆·施瓦茨在《气候经济学》中指出，天气在全球4/5的经济活动中扮演着决定性的角色。英国经济学家尼古拉斯·斯特恩在《斯特恩报告》中指出，不断加剧的温室效应将会严重影响全球经济发展，其严重程度不亚于世界大战和经济大萧条。
但碳中和过程所造成的气候变化对经济产生多大影响、有哪些风险，这些问题我们仍不清楚。目前，相关研究主要集中在气候变暖对公众健康的影响上，实际上，社会经济发展与气候变化密切联系，碳中和过程导致的气候变化对经济产生的影响亟待研究。
以科学研究推动实现碳中和
大气与陆地、海洋之间碳循环及其介面之间的物质和能量交换过程的研究，地球自然系统和人类社会经济系统之间相互作用的研究，是大气科学与其他学科深度交叉的过程，是深入认识地球系统科学的关键，也是碳中和领域最前沿的科学挑战。
对这些挑战，目前我们还给不出比较好的答案。但建立自然和社会经济耦合模型，不仅是科学制定和评估碳中和实现路径的重要工具，也是人类社会实现可持续发展的基础数字设施。
现在，数字地球建设已提上日程，上海也在建设数字化城市。自然和社会经济耦合模型，将自然和社会经济系统数字化，这会成为数字地球的重要组成部分。
当前，世界各国都在进行减排和能源替代探索，因此我们更要知道这一过程对气候变化有什么影响，对经济社会发展和公众健康有什么潜在威胁，这也是实现碳中和目标的一项基础性工作。