全球碳循环过程及其研究对全球气候变化研究具有重要意义,全球碳循环过程与气候系统模式耦合的地球系统模式是目前气候模式发展的重要方向。本文首先对全球碳循环过程及其研究进展进行了介绍,然后对海洋碳循环和陆地碳循环分别进行了模拟与分析,并最终建立了一个全球碳循环模式。本文首先基于先进的海洋环流模式POP和海洋生物地球化学模型OCMIP-2,建立了一个三维动力学海洋碳循环模式。模拟结果与观测结果对比发现,模式能够真实地模拟海洋物理过程和生物地球化学过程,在此基础上利用该模式对工业革命前、工业革命以来的历史时期和21世纪各种情景排放RCPs下的海洋碳循环过程进行了模拟,发现:海洋吸收大气CO₂的区域主要在北半球中高纬度和南半球中纬度,海洋向大气释放CO₂的海洋区主要在赤道南北纬15°之间和南极绕极流区;历史时期海洋吸收大气CO₂的速率在不断增长,但是21世纪模拟发现吸收速率会在达到一峰值后下降;海洋对人为碳吸收主要在北大西洋,到2100年,整个大西洋深层都将存在人为碳,在南极附近,人为碳沿海底也向北输运到了50°S;表层海水的pH值在历史时期已经下降了0.1,21世纪还将继续下降,对于高排放路径RCP8.5,海水pH值将会降低到7.73,下降0.43,对应的海水中氢离子浓度将增加169%,将会带来严重的海洋生态问题。对陆地碳循环的模拟主要是利用NCAR陆面模式CLM3.5及其陆地碳循环模块CASA’进行的,在工业革命前模拟的基础上进行了历史时期的模拟,对1948-2004年结果分析发现:模拟的叶面指数LAI、陆地生态系统总初级生产力和净初级生产力NPP与观测结果存在很好的一致性;净生产力NPP和陆-气CO₂通量NEP都随大气CO₂浓度增长而增长,二者在大部分地区都存在上升趋势,特别是低纬度地区;NPP与NEP存在明显的年际变化;温度异常升高、降水异常减少时,陆地碳吸收将异常减少。在海洋碳循环模拟和陆地碳循环模拟的基础上,将海洋碳循环模式OCMIP-2、陆地碳循环过程CASA’,加入到FIO-ESM气候模式的海洋和陆地分量模式中,并通过大气CO₂传输方程,将海洋碳循环过程和陆地碳循环过程联系在一起,实现了全球碳循环过程与气候模式的耦合,建立了一个全球碳循环与气候模式耦合的地球系统模式。全球碳循环模式主要进行了工业革命前控制实验的模拟,模拟结果表明:大气CO₂浓度为284.3±0.37ppm,与观测一致。大气CO₂浓度在南半球大于北半球,赤道最大;在赤道和南半球随高度的增大而减小;在北半球10-30°N,垂向变化很小;在北半球30°N以北,随高度的增大而增大。陆-气CO₂通量对底层大气CO₂浓度的变化起重要作用。建立的耦合模式能够较好的模拟海洋碳循环过程,但是对陆地碳循环的模拟结果如GPP等偏小,还需要进一步探讨。