工业革命以来，人类主要通过燃烧化石燃料向大气中释放了大量CO2，CO2的累积通过温室效应造成全球变暖，引起一系列包括冰川融化、海平面上升、极端气候事件频发等问题。海洋通过海气界面吸收了大约30％的人类排放CO2，对全球变暖起着重要的缓冲作用。由于海洋观测资料匮乏，理解海气CO2通量变化的机理和预估其未来变化在很大程度上要依靠包含了海洋碳循环过程的地球系统模式(ESMs)。围绕着热带大洋海气CO2通量变化的机理问题，本论文通过观测资料的分析和CMIP5 ESMs试验结果的评估，探讨了不同海域海气CO2通量的变化特征及其主导因子。基于以上分析，我们将海洋生物地球化学模式HAMOCC嵌入海洋环流模式LICOM中，建立了一个海洋碳循环模式。主要结论总结如下:　　一、CMIP5 ESMs模拟的热带太平洋海气CO2通量年际变率　　热带太平洋海气CO2通量主要受厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)主导。在观测中，热带太平洋海气CO2通量经验正交函数分解(EOF)主导模态对应的时间序列PC1与Ni(n)o3.4指数的相关系数高达0.92。El Ni(n)o发生年，海表温度的升高导致海水CO2分压升高，从而使得海洋向大气释放的CO2增多;同时，中东太平洋海水上翻运动减弱抑制次表层高浓度溶解无机碳(DIC)向海表输送，导致海水CO2分压降低，使得海洋向大气释放的CO2减少。由于DIC的作用占主导，因此，El Ni(n)o发生年，热带太平洋向大气释放的CO2减少。14个CMIP5 ESMs模拟的热带太平洋海气CO2通量年际变率均受ENSO主导，表现为模式各自的PC1与其Ni(n)o3.4指数的相关系数为0.59到0.96之间，均通过了1％的显著性检验。但是，模式模拟的海气CO2通量对ENSO响应的空间型与观测存在较大的偏差，除了少数几个模式能够再现热带中东太平洋的海气CO2通量负异常外，其它模式并不能再现，甚至有模式模拟的海气CO2通量为正异常。为了探究CMIP5 ESMs中，热带太平洋海气CO2通量对ENSO响应空间型的偏差来源，我们挑选了2个模拟技巧较高的模式（GFDL-ESM2M和CESM1-BGC）和2个模拟技巧较低的模式（HadGEM2-ES和MPI-ESM-LR）进行对比分析。结果发现，在低技巧模式HadGEM2-ES和MPI-ESM-LR中，DIC对ENSO的负异常响应偏弱，使得SST对ENSO的正异常响应主导了海水CO2分压异常，导致海气CO2通量为正异常响应。因此，在CMIP5 ESMs中，决定热带太平洋海气CO2通量对ENSO响应的主要过程是，DIC对ENSO的负异常响应与SST对ENSO的正异常响应的相对贡献。　　二、西北太平洋海气CO2通量随季节演变的年际变率主导模态　　14个CMIP5 ESMs中，CESM1-BGC对ENSO影响热带太平洋海气CO2通量的过程具有较高的模拟技巧。因此，本章基于CESM1-BGC，采用季节依赖的EOF分析方法(S-EOF, Season-reliant EOF)，分析了西北太平洋海气CO2通量随季节演变的年际变率主导模态，并揭示了各影响因子在不同季节对其变率的相对贡献。结果表明，该主导模态对应着El Ni(n)o从发展到衰减的演变过程，表现为PC1与Ni(n)o3.4指数的相关系数从夏季到次年春季的整个ENSO循环过程中均通过了1％的显著性检验，其中最大的相关系数出现在秋季和冬季，达到了0.75以上。在El Ni(n)o发展年的夏季和秋季，正异常CO2通量主要位于菲律宾群岛以东，强度较弱。风速和海水CO2分压对其贡献相当。在El Ni(n)o成熟位相的冬季及之后的春季，西北太平洋异常反气旋建立，其西北侧的异常西南风使得中国近海气候态的偏北风减弱，从而降低气体交换输运速率，导致中国近海吸收的CO2减少。另一方面，减弱的风速通过“风-蒸发-SST”反馈在局地对应正异常海温，溶解度减小，从而增强海水CO2分压，使得海洋吸收的CO2减少。区别在于，冬季海气CO2通量受风速主导;而春季受海温影响的海水CO2分压主导。　　三、热带印度洋海气CO2通量对IOD和IOB的响应　　印度洋海温年际变率存在印度洋东西偶极子模态(IOD)和印度洋海盆一致模态(IOB)两个主导模态，IOD盛期在秋季，IOB由ENSO强迫产生，盛期在春季。本章揭示了IOD和IOB分别对秋季和春季热带印度洋海气CO2通量的影响机制，并系统评估了CESM1-BGC对以上机制的模拟能力。结果表明，观测中秋季热带印度洋海气CO2通量对IOD的响应呈现赤道以北为负异常，赤道以南为正异常的空间分布特征。海气CO2通量异常主要受风速异常主导。CESM1-BGC能够合理再现赤道以南的正异常响应，未能模拟出赤道以北的负异常。模式中主导海气CO2通量异常的仍然为风速异常。但模式模拟的海气CO2通量对IOD的响应强度偏强。IOB对春季热带印度洋海气CO2通量的影响主要位于赤道以南的印度洋，表现为正异常响应，主导因子为海水CO2分压。CESM1-BGC同样能够合理再现赤道以南印度洋海气CO2通量的正异常响应，但赤道以北的印度洋具有观测中不存在的正异常中心。模式中主导海气CO2通量异常的同样为海水CO2分压异常。海水CO2分压在赤道以南主要受SST的影响，而DIC的影响较小。　　四、中国东海和南海CO2通量的观测事实及CMIP5 ESMs对其的模拟技巧评估　　本章首先搜集整理了近二十年的中国东海和南海的走航观测数据，并结合基于观测反演的格点碳通量资料和基于卫星遥感反演的碳通量资料，分不同季节进行整理分析。三套不同观测资料均表明，中国东海在冬季、春季和全年平均为碳汇，走航观测的平均结果可以较好地代表碳汇强度。CMIP5 ESMs多模式集合平均(MME)能够合理再现冬季和春季的碳汇特征，冬季碳汇模拟偏强，夏季模拟为碳源，最终全年平均的模拟结果与观测高度一致。在冬季，模式模拟的碳汇偏强主要源于海水下沉运动模拟偏强导致的表层海水CO2分压模拟偏低。在夏季，模式中未考虑冲淡水向海洋输入的营养物质，因此生物同化作用的缺少会引起表层海水CO2分压偏高，从而造成模式模拟的中国东海夏季为碳源。在中国南海，走航观测与卫星反演资料一致地表明，在春季、夏季、秋季和全年平均为碳源，仅冬季为碳汇。而格点碳通量资料由于在中国南海使用的原始观测资料匮乏，因此并不适用于中国南海。CMIP5 ESMs对中国南海碳通量的模拟能力明显弱于中国东海，MME仅能再现观测中冬季碳汇和夏季碳源的特征，且冬季碳汇模拟的强度偏强，夏季碳源模拟的强度偏弱。而在其它季节和全年平均，模式均未能再现观测的特征。模式模拟的中国南海碳吸收能力在各个季节均偏强，主要源于海表温度模拟偏低，进而通过溶解度泵的作用造成海水CO2分压模拟偏小，使得CMIP5 ESMs模拟的中国南海向大气释放的CO2偏少。CMIP5 MME模拟中国东海和中国南海海气CO2通量的年平均趋势在近二十年均表现为负趋势，表明海洋吸收大气CO2的能力增强。　　五、海洋碳循环模式LICOM&HAMOCC模拟的海气CO2通量　　本章将德国马普气象研究所的海洋生物地球化学模式HAMOCC成功嵌入大气物理研究所（IAP）大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的全球海洋环流模式LICOM中，建立了一个对海洋碳循环过程模拟较为细致的海洋碳循环模式。随后，在大气CO2浓度恒定的状态下，将海洋碳循环模式积分3000年，直至中上层海洋达到平衡状态。通过与观测结果的对比显示，海洋碳循环模式能够较好模拟表层温度、盐度的空间分布特征。模式对溶解无机碳(DIC)和碱度(Alk)的空间分布同样具有较高的模拟技巧，虽然模式对表层DIC和Alk的绝对数值模拟较观测偏低，但对二者的差值（表征碳酸根离子浓度）空间分布具有较高的模拟能力，因此，保证了模式能够基本合理再现观测中海水CO2分压的空间分布特征。对于模式模拟的海水CO2分压与观测的偏差，则主要由碳酸根离子浓度的模拟偏差导致。而模式模拟的海水CO2分压在南印度洋和南美洲南部偏高则与这些地区较高的海温模拟偏差有关。