围绕人类生存环境的可持续性，认识和应对气候变化提出了广泛而丰富的基础研究课题，可有力地带动国家基础研究水平的提升，促进原始创新和学科交叉，支撑科学发展，引领未来，并强化我国在国际科学界的话语权。

    基于大气科学的可持续地球综合模拟 气候变化的复杂性在于其物理因素众多、密切相关、且存在非线性行为。气候建模本身就是一个复杂的工作，不仅包括了大气、陆地、海洋、植被、冰川及大气化学等因素，也计入了与人类活动有关的全球碳循环、气溶胶等，太阳的作用是作为一个重要的输入。气候模式不仅包括求解有关的方程组，更离不开大量的物理参数，越精细求解，计算量越大，也可称为气候云计算体系。发展气候模式与空气污染模式相耦合的模式，建立共同预报和风险评估的科学基础，更完整地把人类的群体行为纳入气候建模中，是一个有难度和特点的工作。大气科学研究的一个具体目标，就是建立高置信度的气候系统模式，求解这样的气候模式，将使人们深入理解人类与气候的相互作用，以及是否存在人类影响气候变化的临界点。反之，也将进一步认识气候变化对人类活动可持续性的制约。

    地理工程学 包括气候在内的全球和地区性的多种变化，提出了许多涉及跨学科的对策研究课题。它又会使人们进一步深化对工业化和城市化应有的科学模式和可持续性的认识。同时，地下空间也被用作二氧化碳封存和工业废弃物及核废物地质储存的场所，这些事情必须与水资源保护、食物生态系统维护、土壤保护、国防安全等关联起来，进行综合研究。尤其重要的是，只有在这种综合研究的基础上，才能提出可持续发展的地下基础设施建设的科学方案。这是涉及地学、力学、生物学、机械、材料及信息技术等交叉学科的工作。人类是否有可能实施一些全球尺度的“地球工程”，不对生存环境带来负面效应，又能遏制气候变化的不利影响甚至改变气候，也属于这一研究领域。

    海洋与气候学 海洋不仅有巨大的吸收CO2的能力，而且海洋吸收和储存能量的能力可以缓冲极端气候变化；另一方面，海洋表面温度和洋流对大气有重要影响，而海洋表面的蒸发是地球上大部分降水的来源；海洋溶解过多的CO2，会导致海洋酸性增加，从而打破海洋的化学平衡，破坏海洋生态系统（含鱼类）；气候变化会改变海平面的高度和海洋盐度，海洋温度上升可能使海底天然气水合物融化，释放甲烷，后者又会反过来导致温度进一步上升，而天然气水合物（可燃冰）是重要的能源资源。海洋与气候学的研究不仅对认识气候变化十分重要，而且对人类认识、保护和利用海洋生物和资源具有重大意义。

    冰雪研究的多重意义 冰雪和气候变化是互相影响的重要因素，覆盖陆地面积约10%的冰和雪通过对太阳辐射的反射，影响着日地之间的热交换，极地海冰覆盖状况的变化是气候变化的先兆者、指示剂，又是气候变化的驱动者。2011年11月15日我国发布的《第二次气候变化国家评估报告》指出，近60年间，我国陆地表面温度上升导致大部分冰川面积缩小一成。三江源地区绝大部分冰川表现为后退。这些明确的结论值得引起高度重视并深化规律性的研究。冰的形成和融化会影响海洋的温度、盐度和海水面的高度。冰川积累和融化模式受到全球气温和天气模式变化的直接影响，又影响着人类淡水供应这一重大问题。高海拔地区雪线的变化影响着该地区的生态系统和生物多样性的变化，而北极海冰的变化可能会引起生物链的连锁反应，乃至引发自然界和社会性的重要后果。

    陆地与气候的相互作用 气温上升会引起冰川储水融化、湖泊淡水更快蒸发，从而严重破坏饮用水的供应。陆地上的森林是重要的碳汇，但碳汇作用的大小可能与气候带有关：热带森林的碳汇作用可能强于北纬地区。人类对土地的利用方式会影响碳循环和气候，这个影响包括生物地球物理作用和生物地球化学作用，研究会有助于评估和预测土地利用变化对气候的影响，促进政府有关决策的科学化。气候变化会导致森林和农作物生长带的转移，动物的迁徙，物种分布的改变，引起生态系统和水文循环的变化，这些对人类的生存环境意义重大。变暖使陆地上的永冻土融化，导致向大气排放温室气体，但升温又会导致苔藓的生长，而后者有吸收CO2的作用，需要弄清楚哪个作用更强。