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工业革命以来,大气CO2从～280 ppm增加到～405 ppm。一方面,大气CO2增加通过温室效应导致全球变暖。另一方面,海洋吸收CO2,降低海水pH值,造成海洋酸化。本研究使用维多利亚大学地球系统模式(UVicESCM)进行一系列模拟试验,研究大气CO2、全球变暖、海洋酸化与海洋碳循环之间的相互作用和机制。大气CO2增加引起的温度变化会通过作用于一系列海洋物理和生物化学过程,影响海洋吸收大气CO2能力。海水增温降低CO2溶解度,抑制海洋吸收大气CO2。海水增温还将减缓表层与深层海水的垂直输送,减缓北大西洋经向翻转环流,进一步抑制海洋吸收CO2。同时,海水增温通过改变海洋生物过程速率(浮游植物生长和死亡、生物碎屑再矿化等),影响海洋吸收CO2。在RCP8.5CO2浓度情景下,1800-2100年,在仅考虑大气CO2增加作用的模拟中,海洋累积CO2吸收量为586 PgC。海水增暖引起的CO2溶解度降低和海洋层结性增强分别使CO2吸收量减少了 34和13 PgC。变暖引起的海洋生物过程变化则使CO2吸收量增加了4PgC。本研究表明,大气CO2增加和全球变暖会通过影响不同海洋关键物理、化学和生物过程,对海洋吸收CO2产生重要作用。大气C02增加将导致海洋酸化。在模拟中设定大气CO2浓度从工业革命前的280ppm以每年1%的速率增加,达到初始水平的四倍后以相同速率降回至初始水平。模拟结果表明,大气CO2从工业革命前水平增加至初始水平的四倍时,海表pH从工业革命前的8.2减小至7.7([H+]增加了 2.2倍),全球平均文石饱和面(文石是CaCO3的一种存在形式,文石饱和面所在深度以下的海水相对文石未饱和,即文石将溶解)从1288 m抬升至143 m。CO2渐减至初始水平时,海表pH恢复至8.1,而文石饱和面仅恢复至630m,即对于大气CO2变化,海表化学环境响应迅速,而深海的响应则明显滞后。本研究表明,即使未来能通过人工措施减少大气CO2(CO2移除地球工程),CO2增加阶段造成的深海海洋酸化还将持续很长时间,继续威胁深海生态系统。海洋酸化将进一步通过海洋碳循环中的相关过程影响海洋吸收大气CO2能力。例如,海洋酸化会抑制海洋生物的钙化作用,增加海表碱度,促进海洋吸收CO2(钙化反馈)。同时,钙化作用的抑制将减少CaCO3向深海的输送,从而减少与CaCO3 一起沉降的有机碳,减弱海洋生物泵,从而抑制海洋吸收CO2(压重反馈)。将海洋酸化、钙化作用与生物泵的关系,通过不同参数化方案加入模式。在SRESA2CO2排放情景下,1800-2100年,在不包括钙化和压重反馈的模拟中,海洋累积CO2吸收量为530 PgC,钙化反馈使吸收量约增加4%,压重反馈使吸收量约减少3%。在更长的时间尺度上,钙化与压重反馈对海洋吸收CO2的影响加强。模拟结果还表明,压重反馈造成的有机碳在上层海洋的累积和分解,将导致上层海洋溶解氧减少。溶解氧浓度对海洋生物过程有着重要影响,溶解氧浓度的减少将影响海洋生物过程。本论文利用地球系统模式,研究了海洋碳循环与海洋酸化对大气CO2与气候变化的响应,揭示了其中的关键物理、化学与生物机制和反馈作用,这对更好地预估未来大气CO2、气候和海洋环境变化具有重要意义。