为了解决人类社会面临的可持续发展问题，WCRP的联合科学委员会提出了急需投入研究力量来应对的七大科学挑战（Grand Challenges），具体包括：冰冻圈消融及其全球影响，云、环流和气候敏感度，气候系统的碳反馈，天气和气候极端事件，粮食生产用水，区域海平面上升及其对沿海地区的影响，近期气候预测。上述挑战都是受到社会高度关注的、非常具体的热点话题，也是因正在阻碍着气候科学关键领域的进步而迫切亟待解决的科学前沿。WCRP针对七大科学挑战专门成立了各自的科学委员会，负责大挑战科学计划的组织实施。

大挑战科学计划的成功实施需要全球相关领域顶尖研究人才的合作攻关，所提出的科学问题与社会可持续发展需求密切相关，解决这些问题是实现可持续发展的重要基础。下面对七个大挑战计划的核心科学目标做扼要介绍。

1. 冰冻圈消融及其全球影响

冰冻圈是地球气候系统的重要组成部分，主要包括冰川、冰盖、冻土（季节冻土和多年冻土）、积雪、海冰和冰架。在气候变暖的大背景下，冰冻圈的加速消融不可避免，这些现象已经发生并将持续下去，其影响范围可达全球尺度。冰冻圈消融的主要影响包括：多年冻土的融化会将其固定的CO₂和甲烷释放进入大气，从而加剧全球变暖；山地冰川的退缩和冰盖的融化会导致海平面上升，同时，还会威胁到高度依赖冰川融水那些地区的水资源供给；海冰和积雪覆盖面积的减少会进一步加剧极地的增暖，并通过改变西风环流影响中低纬度地区气候；同时，北极地区陆上和海上交通线的开发使得人类活动范围进一步扩大，可能影响全球的政治和经济格局。要定量评估冰冻圈的未来变化、科学应对其影响，必须更好地理解上述影响背后的物理过程，提高地球系统模式对这些过程的模拟和预测预估能力。

2.云、环流和气候敏感度

气候敏感度是度量温室气体增加和全球升温幅度之间关系的重要指标，当前气候模拟和气候预估中的很多不确定性问题，都直接和气候敏感度有关。气候敏感度是指当CO₂浓度相对于工业革命前加倍后，气候系统完全响应达到新的平衡态时，全球平均表面气温相对于工业革命前的平衡态温度变化，又被称为“平衡态气候敏感度”（简写为ECS）。气候敏感度的高低既决定着同等温室气体强迫下预估气候增暖幅度的大小，更决定着全球温升阈值目标下温室气体的减排空间估算问题，从而直接影响到温室气体减排政策的制订和气候变化国际谈判。

从IPCC第三次科学评估报告TAR到第五次科学评估报告AR5，使用古气候代用资料、历史器测资料以及多模式多样本模拟，均未能缩小ECS的不确定性范围，目前认为ECS的可能范围为1.5-4.5°C、不可能低于1.0°C和高于6.0°C 。对于气候模式来说，目前对云认识的局限性是造成气候敏感度不确定性的重要来源，同时也是环流系统的模拟偏差的来源之一。目前亟待回答的关键科学问题包括：当前气候下的云和环流是如何耦合的？云和环流对全球变暖和其他强迫因子是如何响应的？云和环流如何通过影响地球辐射收支而产生反馈作用的？

总体而言，有三方面的因素阻碍了我们对气候敏感度和未来降水变化的估计：一是尚不能有效约束云对气候敏感度的作用；二是缺乏对区域、特别是陆上大气环流和降水变化规律的认识；三是当前的气候模式在描述云过程和大尺度动力场相互耦合方面的可信度较低。这些问题的解决需要观测、理论和数值模拟研究的密切配合。 

3. 气候系统的碳反馈

人类活动使得大量远古时期累积的碳从化石燃料中释放，进入现代的地气系统中，干扰了自然状态下的碳循环，对气候造成显著影响。尽管目前我们可以准确观测大气中的CO₂浓度，但植被、土壤和多年冻土的含碳量至少是大气的5倍，海洋含碳量至少是大气的50倍。据估计，自1870年以来化石燃料释放了约400 GtC（单位：10亿吨碳）；同时，土地利用变化主要是毁林开荒也增加了145 GtC的排放量。其中一半以上的人为碳排放被陆地和海洋系统吸收。若没有这些碳汇，大气中的CO₂浓度将会达到工业革命前的2倍多，全球温度也会上升2度以上。因此，了解这些碳库如何变化、以及碳在各个碳库之间的转移规律至关重要。这其中涉及的关键问题包括：哪些生物和非生物过程驱动和控制着陆地-海洋碳汇？21世纪中气候和碳的反馈过程是否会放大气候变化的程度？陆地和海洋中脆弱的碳库对全球变暖将如何响应？对极端气候事件如何响应？对气候突变又如何响应？

4.极端天气和气候事件

极端天气和气候事件本身是气候系统的内在特征，但越来越多的观测证据显示，极端事件正在随着气候的变化而变化。由于极端事件能够影响社会的方方面面，极端事件的破坏性往往高于气候平均态变化的影响。因此，决策者和利益攸关者对预测极端事件的需求愈发强烈，涵盖从未来几天到季节、再到年际、年代际、乃至百年等各种时间尺度。

为了满足社会需求，回答极端事件发生和变化背后的科学问题、提高极端事件的监测和预报水平自然成为世界气候研究领域的一大挑战。极端事件种类繁多，包括干旱、洪涝、强降水事件、热浪、热带和温带风暴、沿海风暴潮等，它们发生的地点、强度、频率都需要观测数据的支撑。这些信息在短期（一年以下）可以减缓社会和生态系统面临的风险；在更长期（年代际至百年）可服务于制订有效的适应方案。国际科学界需要回答的问题有：现有的观测系统是否能够支撑极端事件的监测和变化评估？大尺度过程、区域过程和局地过程以及它们之间的相互作用对极端事件形成的相对贡献如何？气候模式模拟的极端事件及其变化有多大可信度，如何评估并改进？有哪些因素影响我们对极端事件的精准检测，从而影响对其频率和强度变化的研究？

5.粮食生产用水

民以食为天，粮食生产离不开淡水供给。人口增长和经济发展对水资源的需求越来越大，而城市化和工农业活动产生的污染物常常对可用的水资源造成威胁，气候变化也会导致水资源保有量的变化和重新分配。这些因素的叠加给21世纪可持续的水资源管理带来前所未有的严重挑战。因此，需要进一步增进科学认识、发展新的模拟和预测工具来应对全球水资源管理的迫切需求。

可用的水资源大部分来源于降水，并通过径流进行远距离输送。所以，首要的任务是掌握降水的自然变率及其对气候变化的敏感性，这依赖于观测和模拟手段的进一步提升。针对水资源问题这一挑战，需要回答的问题包括：不同的观测系统测量的降水准确性如何？哪些测量缺陷造成了不同时空尺度上降水观测的不确定性？气候变化如何影响降水特征（包括空间分布、总量、强度、频率、持续时间和类型等），特别是对极端干旱和洪涝事件有何影响？在全球和区域降水的预测和预估中，气候模式的可信度有多少？如何提高模式的性能？过去陆表和水文特征的改变如何影响了用水安全、未来又将产生何种影响？气候变化如何影响陆地生态系统、水文过程、水资源和水体质量？如何利用新的观测手段和更好的模式来提高水资源管理的水平？

6. 区域海平面上升及其对沿海地区的影响

沿岸海平面上升是人为气候变化造成的最严重的后果之一。全球平均海平面将会在数个世纪内继续上升，其上升速率和最终上升的高度，很大程度上取决于未来温室气体的排放。而未来的几十年内，区域海平面的变化和变率将远大于全球平均水平，从而造成更大的社会影响，这包括海岸的侵蚀、沿岸基础设施的破坏、自然资源和生物多样性的丧失，以及最严重的情况－－大量环境难民不得不迁徙或移民。

在全球地势较低的沿岸地区，海平面上升的后果已经开始显现，但各地海平面的具体变化和受影响的程度由海洋、大气、陆面和冰冻圈等诸多过程控制，还与一些非气候类的人为因素有关，如过度抽取地下水所造成的地表沉降等。应对区域海平面上升这一挑战，需要了解自然和人为因素影响局地海平面变化的机制，推进海平面综合观测系统的建设，促进海平面预测和预估技术的发展。具体措施包括：一是建立一套综合的方法估计历史（涵盖古气候尺度）海平面的变化；二是定量估计近期陆地冰雪融化对海平面上升的贡献；三是理解当前区域海平面变率和变化的特征和机制；四是研究区域海平面的可预报性，在此基础上，解决一系列跨学科问题，服务于沿岸地区的管理。

7. 近期气候预测

这里的“近期”(Near term)指的是未来十到二十年。这一时段的气候受自然变率和人为气候变化的共同影响，其中自然变率可能足够大以至于能够加速或抵消人为气候变化趋势^[13-16]。不同于未来百年的远期气候预估，近期气候预测以真实的气候状态为初始条件，可以针对区域尺度提供未来几年至十几年的气候变化信息。决策者和很多领域的利益攸关者（如农业、城市规划、医疗健康、民用航空业领域等）迫切需要这些信息来规划近期的行动方案。近期气候预测能够填补季节到年际预测和多年代际到长期气候预估之间的空隙，为“无缝隙”的气候服务做出重要贡献。为了应对这一挑战，实现上述目标，需要解决一系列的科学问题和数值模式技术问题，具体包括：年代际气候变率可预报性的来源有哪些？如何评估和提高全球模式对年代际变率的模拟能力？如何利用观测数据结合数据同化方案准备预测所需初始化条件，优化输入的各种外强迫因子，减少初始冲击、模式漂移和模式偏差，减少预测结果的不确定性？如何定量化预报技巧？如何针对特定区域进行降尺度和偏差校正？如何理解和解释多模式回报和预报结果及其不确定性，提供满足用户需求的近期气候预测产品？

参考文献：

周天军，陈晓龙，吴波，2018: 支撑"未来地球"计划的气候变化科学前沿问题. 科学通报, 63, 1 (2018); doi: 10.1360/N972018-00818