“十四五”规划明确了研究所的科技布局与学科领域发展重点，包括三大主攻方向和四大新兴前沿方向。
使命定位：
“十四五”期间，研究所将立足于大气科学经典及交叉领域的基础研究、应用基础研究和核心技术，针对气候变化和气象灾害应对、生态文明建设、碳中和、美丽中国、一带一路等国家重大需求中的核心大气科学问题，引领气候变化和气象灾害的发生机理、预报方法和预估理论的发展，研发具有国际领先性能的自主可控的新一代高精度地球系统模式，突破大气环境监测预报和碳源汇盘点中的关键核心科学技术，产出若干具有世界级影响的原创成果，推动地球系统科学的原始创新，使研究所整体综合竞争力和影响力进入世界前列。
三大主攻方向：
主攻方向一：新一代地球系统模式研发及应用
地球系统模式是认识地球系统各个圈层变化规律及其耦合机制、定量预测地球系统整体变化的重要科学工具，体现了一个国家在地学研究的核心竞争力。研究所现承担国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”的建设任务，是国际上少数几个长期坚持地球系统模式自主研制和应用的研究机构。现已建成具有自主可控的中科院地球系统模式，模式核心技术和性能居国际前列，并已广泛应用于气候变化及气候灾害预测等研究。
主攻方向二：气候变化与气象灾害
当前，全球气候发生剧烈变化，极端天气气候事件和气象灾害频发，给社会造成巨大影响。阐明全球变化背景下全球和我国气候的变化机理、发展重大天气气候灾害的预报预测方法已成为当前大气科学及地球系统科学交叉的重大基础前沿科学问题，也是农业、生态、水文等领域开展预测的重要保障，是减少气候变化和气象灾害对国民经济主战场影响的重要基础，也是满足国家应对气候变化和防灾减灾的重大需求。
主攻方向三：大气环境变化与碳中和
美丽中国与碳中和是国家重大战略需求，事关生态文明建设与发展方式转变全局。大气环境变化与碳中和进程的监测、机理、模拟、调控亟需构建基于地球复杂系统理论的综合casino plus的解决方案与系统。以此为核心，该主攻方向将在大气环境中关键元素循环的理化生机制、大气探针、智慧监测模拟与智能控制、天空地一体化碳监测与评估核算取得核心技术突破，构建基于人类有序适应与自然控制论的大气环境变化与碳中和理论体系，实现国际领跑。
四大新兴前沿方向和未来技术：
新兴前沿方向和未来技术一：大数据和人工智能在大气科学中的应用
未来五年，拟从基础理论和原理上攻关基于大数据和人工智能技术的天气气候预测关键核心技术，提升对影响社会经济和人民生活的极端天气气候事件的预测水平，以满足国家和社会实际需求。
新兴前沿方向和未来技术二：行星大气过程研究
针对太阳系内的行星（以火星、金星、木星为主），研究和设计通用的行星大气数值模式。在此基础上，建立行星模拟器，模拟多种行星大气的环流和气候特征，开展关键过程的研究，如火星大气上行星尺度的沙尘暴、金星大气上层风场的超旋转等。另外，针对我国的火星探测需求，拟开展火星天气预报试验，包括同化在轨卫星和地面探测车的气象观测资料。
新兴前沿方向和未来技术三：极地大气关键物理过程研究
建立北极典型区域大气联合监测平台，开展北极大气物质能量平衡过程及低层大气结构探测，形成北极大气自主探测和国际数据共享体系，分析研究极地大气关键物理过程及其机理。
新兴前沿方向和未来技术四：临近空间大气环境研究
发展大气遥感新方法与原位探测新设备，开发空间站与卫星有效载荷关键技术，建立前沿的临近空间多要素、无缝隙、高时空分辨率探测体系；探明临近空间大气环境关键物理过程特征规律、能量交换和大气圈层耦合机制，为国家空间安全战略重大需求提供基础科技支撑。
