工业革命以来,人类活动通过化石燃料燃烧、土地利用等排放出大量二氧化碳（CO₂）,大气中的CO₂浓度迅速增加,通过温室效应引起全球变暖。目前通过全球减排措施减缓全球变暖趋势仍面临很大挑战,因此科学界提出以减少到达大气和地面的太阳辐射为目标的太阳辐射干预地球工程方法（包括平流层注射气溶胶、增加地表反照率等）,作为抑制全球变暖的备用措施。本文使用地球系统模式进行了一系列模拟试验,分析了在不同太阳辐射干预地球工程背景下,气候变化与全球碳循环的响应机制和反馈作用。首先,本研究利用维多利亚大学地球系统模式（University of Victoria Earth System Climate Model）进行了一系列模拟试验,通过直接减少太阳常数来模拟太阳辐射干预地球工程。假设在本世纪内无减排政策干预的CO₂高排放情景（A2）下,从2020年开始减少太阳辐射以抵消大气CO₂增加产生的辐射强迫。模拟结果表明,减少太阳辐射能够有效减缓CO₂增加引起的温度、海冰、以及海洋温盐环流等气候要素的变化。同时,相比高浓度大气CO₂情景,地球工程通过冷却效应影响一系列碳循环关键变量,包括增加陆地植被生产力、抑制土壤中的异养呼吸强度、增加CO₂在海水中的溶解度等,从而影响陆地和海洋对大气CO₂的吸收能力,降低大气CO₂浓度。模拟结果表明,从工业革命前到本世纪末（1800-2100年）,相比未施加地球工程的高浓度大气CO₂情景,地球工程情景下陆地与海洋的累积碳存储量增加234 GtC（24%）,大气CO₂浓度减少110 ppm（12%）。在此基础上,本文设计模拟试验量化分析了碳循环反馈作用对地球工程冷却效率的影响。本文设计了一种地球工程情景,在CO₂减排的同时,通过减少太阳辐射将全球平均升温控制在不超过工业革命前1.5℃的水平。在此种情景下,进行了两组地球工程模拟试验,一组考虑了碳循环的反馈作用,另一组没有考虑碳循环的反馈。模拟结果表明,对于同样的控温目标,考虑全球碳循环的反馈作用将减少需要实施的地球工程强度:在地球工程实施期间,相比没有考虑碳循环反馈的情景,碳循环和气候变化之间的反馈作用使得需要施加的地球工程强度（以太阳辐射变化强度为量度）最多可减少13%。本文进一步利用通用地球系统模式（Community Earth System Model）模拟的大型集合模拟试验,分析了平流层注射硫酸盐气溶胶地球工程对气候变化和陆地碳循环的影响。在RCP8.5 CO₂浓度情景下,该集合试验中设计的平流层注射硫酸盐气溶胶方案能够同时将全球平均温度、南北半球间温度梯度以及赤道极地间温度梯度稳定在当前气候态。本文的分析表明,在这种地球工程情景下,高纬度地区气候的季节周期产生了显著变化。相对于当前气候态,高纬度地区夏季显著变冷,但是冬季显著变暖,造成海冰面积的夏季扩张与冬季缩减。同时,在这种情景下,陆地吸收大气CO₂的能力也产生了显著变化。本文分析结果表明,相比RCP8.5情景,地球工程情景下陆地植被生产力降低,这主要是由于较低的温度和土壤氮含量对植被生长的限制作用。但同时地球工程的冷却效应能够抑制土壤异养呼吸强度,减少从土壤释放入大气的碳,从而提升陆地碳吸收能力,到本世纪末,相比RCP8.5情景,平流层注入硫酸盐气溶胶使得陆地中的累积碳储量增加37%。本文通过地球系统模式模拟,初步揭示了气候变化、全球碳循环和地球工程之间相互影响的作用机理,表明地球工程的实施会显著影响气候变化和全球碳循环,同时气候变化与全球碳循环的反馈作用对地球工程的冷却效率有重要影响。本研究有助于我们更加深入地认知和理解地球工程对气候系统的作用,对于全面评估地球工程对气候变化的影响具有积极意义。