? 全球海洋大气相互作用
? 海洋固态圈层动力条件变化对海洋环境的影响 （6）极区环境变化与海-陆-气-冰相互作用
? 南极冰盖断面的气候与环境变化
? 极地大气海洋过程及其与全球变化的关系 ? 北极海洋与海冰的快速变化机制及其气候效应 ? 极地生态环境和生物多样性
? 极地无冰区生态环境演变对气候变化的响应 ? 极区碳的生物地球化学循环对气候变化的响应与反馈
5.8天气与气侯系统变化机制
5.8.1背景与意义
天气与气侯系统变化直接导致气象灾害的发生，诱发其它灾害。统计表明，在各类自然灾害中，气象灾害是发生频率最高、影响面最大、经济财产损失最大的灾害。在我国，气象灾害占68%。随着社会经济的快速发展，由此造成的经济和生命财产损失正在进一步加大。平均每年因气象灾害造成的经济损失占国民经济总产值的3—6％。与气象条件有关的其他自然灾害，如水土流失、泥石流、滑坡、崩塌、地面沉降、森林和草原火灾、农林草原病虫害、荒漠化等所造成的损失更是难以估算。严重地影响了我国经济和各项事业的发展。
世界天气研究计划（WWRP）对“高影响天气（即灾害性天气）的动力学与可预报性理论”给予了高度重视，将其列为 “全球观测系统研究与可预报性试验计划（THORPEX）的重要内容。提出通过开展全球大气科学观测试验和可预报性等方面的联合研究，加速提高1-14天的预报准确率，并使其预报产品能够在世界经济和社会发展中产生更大的效益。世界气候研究计划（WCRP）和国际地圈生物圈计划（IGBP）则提出了与气候变化机理及预测相关的一系列问题。如：人类活动诱发的气候变化及其对人体健康和可持续发展的影响研究，天气、气候系统模式和地球系统模式的发展，海量数据的处理、分析、同化应用与数据共享研究，以及四维、高精度、立体和多要素综合一体化的大气科学观测等。可见，天气与气侯系统变化机理与预测理论研究既是社会发展的重大需求，又是国际科学发展的前沿。
5.8.2关键科学问题
天气与气侯系统变化机制研究中的关键科学问题是： 灾害性天气预报精度的进一步提高，预报时效的延伸，以及预报对象的拓展问题；气候系统变化研究和月、季度、年际、年代际尺度气候预测理论与预测试验；人类活动-气候变化-社会经济发展的相互作用；天气、气候系统模式的发展；海量探测数据的处理、分析和同化应用；天气、气候要素探测的新原理新方法和
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新技术研究；云雾的物理和化学过程与人工影响天气问题等。
5.8.3目标与重要研究方向
目标：该领域的总目标是认识由气候系统主导的灾害性天气和气侯的各种物理、化学和生物过程，它们的时空特征、变化规律、相互联系和物理机制，捕捉重大天气、气候事件的前期征兆，改进天气预报的精度，发展新一代气候模式、预报方法和气候预测理论。 “十一五”期间重点围绕气候系统过程、模式与预测理论，灾害性天气动力学与可预报性理论，大气化学、边界层物理与大气环境，中高层大气动力学过程和云雾物理等方面开展创新研究，力争在天气与气侯系统变化机制方面取得重要进展。
重要研究方向：
（1）气候系统过程、模式与预测理论
? 气候变化的可预测性
? 多时空尺度气候变化的物理过程及其相互作用机制
? 南北半球环流系统的季节变化及其与东亚气候年际异常的关系 ? 高分辨率耦合气候系统模式 （2）灾害性天气动力学与可预报性理论
? 暴雨、冰雹等、中小尺度天气灾害动力学 ? 云物理过程及其对暴雨的影响 ? 新一代暴雨数值模式
（3）大气化学、边界层物理与大气环境
? 气溶胶、云与气候变化间的反馈过程 ? 大气化学成分变化对气候变化的影响 ? 边界层通量观测新方法
? 边界层物理化学过程与植物生理过程的相互作用 ? 陆面过程的参数化 ? 区域大气环境模式 （4）中高层大气动力学过程
? 中层大气关键要素的分布与变化规律
? 中层大气动力、物理、化学和辐射过程及其相互作用 ? 平流层－对流层及中层－平流层交换过程 （5）云雾的物理和化学过程与人工影响天气
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? 云物理和化学过程及降水机制 ? 人工影响天气的有效方式和途径 ? 人工影响天气的效果检验
5.9日地空间环境与空间天气
5.9.1背景与意义
日地空间环境是人类生存发展的重要活动场所，空间天气的灾变常造成卫星失效、通信中断、导航系统失灵、飞行物跟踪识别困难，核电站变压器、电网烧毁等等，给人类活动带来巨大损失。
“十一五”期间，预计全球将有数百颗卫星上天，多批次载人航天。我国台湾－广州一线以南直至海南地区是电离层闪烁高发地区，常引起通信中断，GPS导航定位误差加大、甚至中断。航天安全、信息安全、国家安全以及巨大的商业利益前景等都对空间天气研究提出了紧迫的重大战略需求。
国际空间科学计划，如太阳探测计划（Solar probe），太阳动力学观测站（Solar Dynamics Observatory），地球空间电动力学联系探测（Geospace Eletrodynamics Connection），磁层星座计划（Magnetospheric Constellation），磁层多尺度探测（The magnetospheric Multiscale Mission）以及中层大气中的冰探测（Aeronomy of Ice in the Mesosphere）等所关注的前沿是：太阳磁场的产生、结构及其能量的转换和释放；探究电离层－热层－中层系统中的电动力学过程；探测研究磁尾及其与磁层整体变化间的关系；研究空间等离子体基本问题，如磁重联、粒子加速等；研究极区中层大气云与极区中层气象之间的联系，极区中层气候的长期变化及其与全球变化的关系等等，它们都是日地环境和空间天气研究的重要内容。
近年来，我国对空间物理的探测和研究给予了很高的重视，实施了一系列重大科学计划，如：“地球空间双星探测计划”成功实施，使双星－ClusterⅡ六点星座成为人类历史上第一个探测地球空间多时空尺度和多层次结构相互作用的多点立体观测体系；国家重大科学工程，《东半球空间环境地基综合监测子午链》--简称子午工程，已于2005年3月正式启动；空间环境的地基观测有了可喜的发展；“探月”工程已正式实施，“太阳空间望远镜计划”已进入实施前的关键阶段；新的空间探测计划--“空间风暴三星计划”、“夸父”空间天气探测计划和“太阳风等离子云射频成像计划”等正积极推动之中。
5.9.2关键科学问题
“日地空间环境与空间天气”研究中的关键科学问题是：认识日地空间环境；探索灾害性空间天气的发生机理、变化规律；空间天气灾害预报以及空间天气灾害的影响。作为“日地空间环境与空间天气”研究的第一步，拟围绕“空间天气因果链”进行研究。涉及的关键科学问
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题是：日冕物质抛射（CME）、触发机制、输出过程，源区物理过程；太阳表面结构和太阳风的三维、自洽结构，以及各种间断面对行星际扰动传播的影响；行星际扰动与磁层相互作用，磁层空间暴多时空尺度物理过程，以及磁层－电离层－中高层间大气耦合过程；空间等离子体磁重联物理过程、加热和带电粒子加速机制，以及等离子体波动和不稳定性的激发机制；空间灾变天气对信息、材料、微电子器件的损伤，以及对空间生命和人体健康影响的机理；日地系统各空间区域的预报指标、预报模式和方法；太阳多波段测量方法和技术，行星际扰动、磁层、电离层和中高层大气的成像和遥感技术，以及小卫星星座技术等。
5.9.3目标与重要研究方向
目标: 将日地系统不同空间区域的物理过程有机的联结起来，实施日地系统空间天气因果链研究。把日冕物质抛射、通过日冕和行星空间的传播、对地球空间系统的影响有机地联结起来，建立日地系统空间天气变化过程的因果链初级模式，特别是在地球空间天气多时空尺度连锁变化过程方面取得原创性成果。
重要研究方向 1) 空间天气驱动源
? CME和耀斑的触发机制和动力演化模型 ? 磁场、物质和能量的三维结构输出
? CME的日冕源区及其主要特性物理参数及其物理原因
? 高能粒子能量分布的新方法，加速区的位置和物理参数及有关加速机制 ? 若干重要等离子体理论问题 2）空间天气过程
? 太阳日冕物质抛射传输的基本过程 ? 太阳物质输传播模式和日球天气图 ? 影响地球空间天气过程的主要因素 ? 因果链模式和预报方法 3）空间天气对人类活动的影响
? 空间环境和天气条件对信息系统和电波传播 ? 空间材料和空间生命的影响 4）空间天气探测新概念和新方法
? 日冕物质抛射、太阳电磁辐射和高能粒子爆发成像和观测的新方法 ? 磁层、电离层和中高层大气成像和遥感探测技术
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5.10 地球系统模式与模拟
5.10.1. 背景与意义
过去20年全球变化研究取得了重大进展，初步揭示出地球系统是一个独特的自适应系统，具有临界阈值和突变的特征；地球系统各组分之间的相互作用与反馈非常复杂，且具有多时空尺度的变化特征；人类活动以多种方式影响着地球的环境，并以多维方式互相作用，全球变化不能简单地用因果关系来解释；人类引起的地球的变化远远超过了过去50万年自然变率的范围，地球正在以前所未有的状态运行；人类活动具有使地球系统从一种状态向另一种状态转变的潜力，将给地球环境和人类带来不可逆转的灾难性后果。
然而，人类对科学奥秘的追求使我们认识到，尽管上述进展反映了我们对地球系统动力学的最新认识，但仅靠这些认知还不能诠释地球系统的整体行为和运行机制，更不能准确预测人类可能在什么时候、以什么方式改变地球系统的运行状态，使之发生突变。因此，21世纪地球科学家面临的重大挑战是深化对地球系统整体行为和运行机制的认识。美国国家研究理事会,在总结20世纪后30年地球科学的进展时指出：“我们对地球单一层圈的了解比较深入，但对不同层圈的相互作用了解较少，特别是将地球作为一个系统的整体行为知之甚少”。
为了应对上述问题的挑战，我们必须加强对主导地球系统的整体行为和运行机制的地球系统过程，地球系统各圈层间的联系和全球与区域间的联系，地球系统的演化以及地球系统模式和模拟研究。从系统层次认识地球，提升地球科学研究能力。从定性描述到定量理解地球系统，最终实现对地球系统未来变化趋势的预测，从而达到人类与地球和谐相处之目的。
必须指出，地球系统模式和模拟研究具有特别重要的地位。这是因为在地球科学特别强调综合集成的大趋势中，发展地球系统模式和开展地球系统整体行为的模拟，既是综合集成研究的最有效方法和工具，又是国际地学强国的体现。在这方面日本和西方发达国家已先行了一步。日本已于21世纪初建立了地球模拟器，并在其上运行了AFES（地球模拟器大气环流模式）和OFES（地球模拟器海洋环流模式），得到了一些重要发现和新的结果。美国宇航局地球科学事业计划（ESE）战略规划中明确指出：2002年前的任务是描述地球系统的特征，2002年至2010年认识地球系统，2010年开始对地球系统变化进行预测。因此，地球系统模式和模拟是对地球系统未来变化趋势进行预测的基础和前提。
5.10.2 关键科学问题
地球系统模式与模拟的关键科学问题是：主导地球系统整体行为的特征变量和关键过程（复杂系统的非线性过程），地球系统模式的设计和发展，地球系统重要事件和过程的模拟，地球各层圈资料同化与集成，地球系统整体变化规律与预测。
5.10.3重要研究方向
（1） 地球系统关键过程的识别
? 描述地球系统整体行为的特征变量的厘定
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