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碳循环与全球气候变化之间具有复杂的相互作用，地球系统模式是研究碳循环与气候变化相互作用的重要工具，陆地碳循环是地球系统模式中不可或缺的生物化学过程之一。本文在大气物理研究所(IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)研发的气候系统模式Flexible GlobalOcean-Atmosphere-Land System Model, Spectral Version2(FGOALS-s2)中，增加陆地碳循环模块，发展FGOALS-s2的地球系统版本(以下简称“ESMFGOALS-s2”)，并且用研发的ESM FGOALS-s2研究碳循环在历史时期及未来的变化，结合观测资料，评估模式的模拟性能，同时揭示ESM FGOALS-s2对CO2浓度和气候变化的敏感性。具体结果总结如下: (1)成功在气候模式FGOALS-s2中引入了陆地碳循环模块，并通过两组试验评估模式对陆地碳循环模拟结果的合理性。在FGOALS-s2气候场驱动陆地碳循环试验中，ESM FGOALS-s2模拟的陆地主要的碳通量和碳库为:陆地总初级生产力(GPP)为121.12 Pg Cyr-1，接近于基于观测的值123±8 Pg Cyr-1;植被的呼吸作用（生长呼吸和维持呼吸;Ra）为71.51 Pg Cyr-1，因此净初级生产力(NPP)为49.61 Pg Cyr-1，处于多模式45～60 PgCyr-1的范围内，而土壤的呼吸作用(Rh)为49.57 Pg Cyr-1。陆地总的碳库为1934.03 Pg C，其中包含了611.23Pg C的植被碳库和1322.81Pg C的土壤碳库，接近于最新Intergovernmental Panelon Climate Change Fifth Assessment Report(IPCC AR5)的估计值。同时在完整的碳循环平衡试验中，由陆地和海洋碳循环模拟的大气CO2浓度没有表现出明显的趋势变化(-0.0047 ppmyr-1)，表明ESM FGOALS-s2具有很好的稳定性。 (2)运用ESM FGOALS-s2进行从1850年到2012年历史时期模拟，并对其模拟的碳收支、气候态、季节循环和年际变率进行评估，指出模拟偏差的可能原因。在碳收支方面，模拟的大气CO2浓度有所偏高（2012年偏高21.5 ppm）。但是ESM FGOALS-s2中全球碳循环的碳守恒性很好，从各个模块的吸收来看，大气中停留的碳略高于观测，而陆地碳吸收过分偏弱，使得海洋吸收偏强。在年平均的气候态上，ESM FGOALS-s2模拟的全球温度偏高、绝大多数地区降水偏少，共同导致了土壤含水量偏低。气候场的偏差使得模式中模拟的年平均GPP(NPP)在热带和北半球中高纬地区有所偏低，叶面积指数(LAI)在热带地区模拟的比较合理，但是在北半球中高纬地区也明显偏小，这主要由该地区模拟的针叶林和寒带草偏少所致。在季节循环方面，GPP和LAI在中高纬地区虽然存在季节变化，但是变化强度明显偏弱。从LAI出现最大值和最小值的时间来说，ESM FGOALS-s2模拟的时间点均滞后于观测资料大约1～2个月。而在年际尺度上，ESM FGOALS-s2能很好地模拟出大气CO2增长率(CGR)对ElNi(n)o-Southern Oscillation(ENSO)的敏感性，且指出热带陆地碳循环的年际变率是CGR变化的主要原因，和前人的研究一致。这主要归功于ESM FGOALS-s2能很好地模拟出热带地区温度和降水对ENSO的响应，表明ESM FGOALS-s2对碳循环的年际变率具有很好的模拟性能。 (3)运用ESM FGOALS-s2开展高排放情景RCP8.5预估试验和将CO2浓度和气候作用分离的碳-浓度及碳-气候反馈敏感性试验。ESM FGOALS-s2在RCP8.5的预估中能反映出碳循环与气候变化之间的正反馈过程，其模拟的陆地碳在未来会进一步释放，同时海洋对人为排放的吸收相比历史时期会降低12.3％。在碳-浓度反馈试验中，由于CO2的施肥效应，全球陆地的NPP和Rh均会增加，且热带地区最强。而在碳-气候变化反馈试验中，由于温度增高和降水的增多，中高纬地区陆地植被NPP和Rh等增强;热带亚马逊地区由于温度的升高、降水的减少，导致了NPP的减弱;全球总的净生态系统生产力(NEP)减少，导致陆地碳库减少，进一步证实了碳循环-气候变化之间的正反馈过程。 (4)评估包括ESM FGOALS-s2在内的参加第5次耦合模式比较计划(CMIP5)的地球系统模式对热带陆气碳通量(CFTA)年际变率模拟性能。首先通过观测资料和最新的动态植被模式来认识碳循环年际变率，然后评估CMIP5地球系统模式的模拟性能。在观测资料方面，通过统计分析，Mauna Loa CGR的年际变率对温度和降水的敏感性分别为2.92±0.20 PgCyr-1 K-1和-0.46±0.07PgCyr-1100 mm-1，且7个最新的陆地碳循环模式一致地显示热带NPP决定了Mauna Loa CGR的变率。包括ESM FGOALS-s2在内的12个CMIP5模式能够很好的模拟出热带CFTA是全球陆气碳通量年际变率的主要贡献者。虽然绝大多数模式对ENSO的响应偏强，但是能够反映出NPP是年际变率的主要生物过程。从对温度和降水的敏感性来看，绝大多数的模式模拟的温度响应比较合理，但是模拟的降水敏感性偏强，在一定程度上解释了目前地球系统模式中CFTA对ENSO响应偏强。 (5)研究包括ESM FGOALS-s2的CMIP58个地球系统模式中大气CO2年际变率的温度敏感性与其碳-气候反馈参数之间的关系。研究主要聚焦在热带陆地碳库的变化，并且发现随着温度的增加，热带陆地生态系统会释放出碳(-31.02到-169.31 GtC K-1)，再次证实了碳循环与气候的正反馈过程。进一步分析了热带陆地碳变化的气候敏感性与模拟的历史时期大气CO2增长率对热带温度变率的敏感性之间的关系，并发现他们之间只存在较弱的线性关系。最后，用这个线性条件去限定模式预测热带陆地碳变化的气候敏感性的不确定性，发现除了碳-气候反馈参数的概率分布的平均值有所减小外，基本上不能减小其方差。