地球系统是一个开放的、复杂的系统，尤其是它的复杂性越来越受到广泛的关注。地球系统的复杂性主要表现在各种相互对立、相互矛盾并存的现象的普遍存在。从系统的宏观现象到微观现象，这种复杂性现象是到处可见的。方福康教授（1999）指出：“复杂性研究是当前科学发展的前沿，其内容不但包括耗散结构理论、协同论、自组织理论、突变理论、混沌理论、分形理论等经典内容，而且近期以斯坦福为代表的自适应系统复杂性讨论，为系统理论的分析带来了新的思路和技术途径。”
方福康教授认为复杂系统的复杂性，主要表现在以下几个方面：
（1）系统是由许多同类或不同类的部分组成，每个部分都不同程度地影响系统的发展变化；
（2）系统是分层次的，每个层次的演化现象不同，发展规律也可能存在着差异；
（3）系统的耦合关系强，不同部分、不同层次，甚至同部分、同层次之间相互关联、相互作用；
（4）系统的非线性特征：组成部分或层次之间的相互作用是非线性的，这也是复杂性和多样性产生的原因之一；
（5）系统的动态性特征：复杂系统是时变系统，其结构、功能及关系都是动态的，研究复杂系统的核心问题是它的随时间的演化行为；
（6）系统的开放性，复杂系统是开放的系统，这是一个必要条件，它和复杂的环境进行物质、能量及信息的交流，从而增加了系统的适应能力。
方福康教授指出，始于20世纪70年代的复杂性认识，是基于发现了远离平衡条件下的时、空结构和非平衡自组织理论提示系统从无序向有序转变的基础原理和规律。而这些原理和规律在物理、化学和生物学，乃至社会学都适用。耗散结构理论、协同理论是自组织理论的基础，它们都讨论在远离平衡态的非线性区的系统的演化、突变规律。协同理论研究了一个系统如何自发产生一定的有序结构；并给出一个有大量子系统组成的系统，在一定条件下，子系统之间通过非线性的相互作用形成一定功能的结构表现新的有序。协同论以信息论、控制论、突变论等现代理论为基础，描述了非平衡系统从无序向有序性转化的微观机制。在复杂系统中所涉及的一些基本特征，如非线性、非平衡、突变、混沌等具有明显的普遍性。方福康还进一步指出：地球系统是一个复杂的开放的巨系统，它呈现出非线性、多尺度、自组织、有序和随机性等现象。复杂性研究可为“数字地球”的技术实现提供理论背景。
4．3．1 地球系统的复杂性综述
（1）在地理系统的动力模型中，分散与集中两种对立的过程并存现象是普遍的，并组成了地球系统的动力机制。
（2）地球系统的线性与非线性特征并存现象也是普遍存在的。对于一些系统来说，它的局部可能是线性的，但整体可能是非线性的；从系统的发展阶段来看，某一段时间系统可能表现为线性特征，而全部过程则可能为非线性过程；或从微观来看可能是线性的，但从宏观来看可能是非线性的。所以系统的过程线性与非线性并存，但以非线性为主。
（3）在地球系统的发展过程中，有序与无序并存的现象，也是客观存在的。系统在发展过程中，往往存在以下几种情况：从局部来看它可能是有序的，从整体来看，它又可能是无序的；或相反，从总体来看它可能是有序的，但它的局部可能又是无序的。从某一时段来看，它可能是有序的，但从较长时段来看，可能又是无序的；或相反，从某一时段来看，它可能是无序的，但从长时期来看，它能又是有序的。
（4）对于地球系统的数据来说，有的数据是非常精确的，但又有一些数据则是模糊的，而且也不可能做到精确。这两种数据并存的现象是普遍存在的。
（5）地球系统的时间与空间尺度的大与小、快与慢并存在现象随处可见。它们的时间跨度可以从十亿分之一秒到十亿年，空间跨度可以从纳米到数十亿光年的变化。
另外，还如前所述，系统存在系统的整体性与分异性并存的现象、渐变和突变的并存现象。