气候敏感度是温室气体强迫下气候系统如何响应的核心问题，其不确定性对历史气候变化的模拟以及未来气候预估都有重要影响。本论文利用第五次耦合模式比较计划(CMIP5)的敏感度基准试验和预估试验，通过多模式比较，分析了气候敏感度、气候反馈的不确定性，并针对气候预估中的关键问题（“2℃阈值”问题、海温增暖型和南亚夏季风预估）探讨了气候敏感度的不确定性对未来预估的影响。主要结论如下:　　一、从温度时间演变方程的角度理解海洋热吸收对时间尺度的依赖性　　对能量平衡方程和包含温度随时间演变的热力学方程（简称为时变方程）的分析表明，在瞬态响应过程中，上层海洋热吸收与温度的变化并没有简单的线性关系，因此不能通过能量平衡方程反映出来。时变方程中对温度变化的显式表达给出了上层海洋热吸收的信息，而深海的热吸收作为负反馈的一部分包含在气候总反馈中，是衡量“瞬态气候响应(TCR)”的重要指标。时变方程的数值解显示，气候系统对强迫响应的特征时间尺度τ和深海热吸收效率κ是气候系统的两个特征量，能够分别描述百年尺度内上层海洋和深层海洋的热吸收作用。上层海洋的热吸收与τ和辐射强迫的增长率有关，而深层海洋温度变化的时间尺度远大于百年，因此其热吸收可近似为表层温度变化的线性关系，比例系数即为κ。多模式结果显示，在历史气候模拟和未来百年的预估中，与τ有关的上层热吸收虽然比深海热吸收小，但仍不可忽略。　　二、不同响应阶段的气候反馈对平衡态气候敏感度不确定性的贡献　　在“Gregory回归法”的框架下，对多模式平衡态气候敏感度(ECS)的不确定性的分析表明，中国四个气候/地球系统模式在快、慢响应阶段的气候反馈存在明显的区别。快响应阶段（4倍CO2强迫下头20年的响应），反馈的差异主要来源于晴空长波反馈;在慢响应阶段（快响应之后），则主要来源于晴空短波反馈。四个模式ECS的差异主要由快响应阶段的气候反馈贡献，其次来源于慢响应阶段。CMIP5多模式的结果则反映了快、慢响应阶段内反馈强度均主导了温度响应的不确定性。快响应阶段中晴空反馈过程的贡献最大，而慢响应阶段中短波云反馈过程的贡献最大。快响应阶段中有效辐射强迫与反馈强度之间存在显著的负相关关系，而在慢响应阶段两者相对独立。基于“Gregory回归法”导出的各反馈过程之间存在较强的相互作用。　　三、多模式预估“2℃阈值”到达时间的不确定性　　多模式集合(MME)在RCP8.5、RCP6.0和RCP4.5情景下预估全球地表平均气温(GMST)相对于1861-1890年增温到达2℃的时间分别在2039、2054和2049左右。由于RCP2.6情景中减排的强度很大，其增温不会超过2℃。到达阈值时间的概率分布有明显的偏斜度，最晚到达时间较难确定。陆地增温速率在不同情景中的差异较小，而排放情景越强，海洋的增温速率越快。北半球中高纬度地区增暖的速率最快，主要由北半球的春、秋、冬三季贡献，东南太平洋、北大西洋和南大洋的增暖速率最慢，特别在北半球冬季表现最显著。低纬增温到达阈值的时间没有明显的季节变化特征。对比1961-2014年观测和模拟的温度变化与外强迫的关系表明，MME高估了外强迫引起的增暖。利用观测资料给出的敏感度进行预估，或对多模式预估的结果进行订正，两者一致显示在RCP8.5情景下到达2℃的时间在2050年左右，仅比MME的结果推迟10年;但在RCP4.5情景下增暖可能不会超过2℃。　　四、与气候敏感度有关的海温增暖不确定性模态的形成机制　　模式间经验正交函数(EOF)分析表明，海温响应不确定性的EOF1呈现全球一致增暖的特征，同时存在显著的增暖分布型，与气候敏感度的不确定性密切相关。海洋动力过程对EOF1海温型的形成起重要作用。在热带主要是与赤道附近纬向风异常相联系的海洋平流的过程的贡献，而热带外则与气旋/反气旋式环流相联系的Ekman热输送异常有关。热带的环流异常由Walker环流的减弱主导，表现出斜压结构，而热带外环流异常则表现为准定常正压Rossby波的垂直传播，呈现正压结构。太平洋热带外地区的异常Rossby波在南北半球呈不对称分布，北半球受热带波源影响，南半球则来自与南极环状模加强有关的西风带扰动。热带对流激发的向热带外传播的波动与西风急流的相互作用在热带外海温型形成中有重要作用。海温响应的EOF2不确定性模态与高纬的海冰和中低纬的层云响应有关，EOF2和EOF3也受大气环流异常导致的海洋热输送的影响。　　五、南亚夏季风环流和降水预估的不确定性与气候敏感度的关系　　在RCP4.5、RCP8.5和4×CO2三种情景下南亚夏季风(SASM)环流和降水对温室气体强迫的响应表明，预估的环流减弱，而降水增加，但均存在很大的不确定性。环流的变化与ECS密切相关，ECS越大，环流减弱越强。热带对流层上层的增暖导致海陆热力差异的减小，以及Walker环流的减弱激发的Gill响应是SASM高低层环流同时减弱的主要原因。因为增暖下垂直水汽平流的动力效应（环流减弱）和热力效应（水汽梯度增加）相互抵消，SASM降水响应与ECS的关系不显著。赤道中西太平洋增暖对SASM降水响应的不确定性有重要贡献。中西太平洋对流的增强引起赤道以南海洋大陆地区的对流抑制，下沉运动在低层辐散携带水汽越过赤道在中南半岛辐合，导致降水增加;赤道西太平洋的对流加热通过Gill响应在西北太平洋上层出现增温的极大值，减弱了SASM区域纬向的温度梯度，进一步减弱了季风Hadley环流，印度半岛出现北风异常，导致降水减少。因此印度半岛和中南半岛的降水表现出反相关关系。