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世界气象组织和联合国环境规划署联合建立的政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panelon Climate Change，IPCC）发布的第四次评估报告指出:气候系统的变暖是不争的事实。CO2等温室气体的增加被认为是近百年来气候变暖的主要原因。CO2作为温室气体对长波辐射具有强烈的吸收作用，对全球增暖有直接贡献。另外，CO2的增加还会引起海洋、海冰和陆面状况发生相应的调整，这些调整可能又会对气候变化产生进一步的影响。国内外科学家利用海气耦合模式对不同的温室气体排放情景进行了大量的数值模拟研究。这些耦合模式模拟既包括了CO2的辐射效应，也包括了CO2增加所引起的气候系统内部反馈作用的影响。而气候系统内部的反馈作用，在CO2引起的总的气候变化中占多大比重，尚不十分清楚。在全球变暖背景下，观测的北极海冰呈现逐渐减少的趋势。北极夏季无冰是不远的将来很可能发生的事情。北极海冰的消融将改变地表与大气之间的能量和水分交换过程，从而对气候产生影响。另一方面，CO2增加还会引起海温的改变，而海温变化同样会对气候产生影响。海冰消融和海温变化的气候效应可以看作是CO2增加对气候产生的间接影响（或对气候变化的反馈作用）。CO2作为温室气体所产生的辐射效应看作其对气候的直接影响。这三者在气候变化中的相对贡献如何呢?耦合模式所模拟的气候变化是CO2的辐射效应决定的呢，还是气候系统内部反馈作用的贡献更大些?这些问题值得进行深入研究。基于以上考虑，本论文以北极海冰消融的气候效应研究为基本出发点，同时兼顾海温变化和CO2辐射效应对气候的影响，重点评估CO2增加引起的北极海冰消融、海温变化和CO2的辐射效应对气候变化的相对贡献。
本文利用大气环流模式CAM3.1，采用CMIP3中4CO2情景下INGV_ECHAM4输出的海冰和海温数据作为模式的边界条件，设计不同的敏感性试验，将CO2增加对气候变化的直接影响和间接影响区分开，重点分析在全球变暖背景下的北极海冰消融、海温变化和CO2增加的辐射效应对北半球气候变化的各自贡献，评估北极海冰消融对温度、降水等变化影响的相对重要性。数值试验的主要结论可归纳为以下几方面:
（一）温度变化:CO2增加的辐射效应（不包括海冰和海温的反馈作用）、海冰消融和海温变化都会导致对流层低层增温和高层降温，但温度变化发生转折的高度不同。海温改变和CO2增加导致的正负变温0界限在对流层顶至平流层底部，而海冰消融后正负变温0界限多出现在对流层的中低层。三者总的影响与NCEP再分析资料所反映的近50年大气温度的变化特征较一致。分析表明，北极海冰消融是北半球中高纬度对流层低层升温的主要原因;而海温变化对中低纬地区的增暖起主要作用;CO2增加对对流层低层增温的影响，在不同纬度比较均匀，春、秋、冬季对温度变化的贡献在10％左右，夏季可达30％左右。这说明以往海气耦合模式模拟的北半球高纬度增温最明显，主要是北极海冰消融的气候反馈作用。海冰和海温的反馈作用对对流层增暖的贡献大于CO2的辐射效应。但是对流层上层的降温，则是CO2的辐射效应起主导作用。
对北极地区的热源分析表明，海冰消融后所引起的感热增加是导致北极地区大气变暖的主要原因，这主要是因为海冰消融后，海面气温显著高于消融前的冰面气温。计算表明，感热增加对北极地区增暖的贡献约占50％;另外开阔水域增多，北极地区大气水汽含量增加，降水释放的凝结潜热增多对北半球高纬度增暖的贡献约占25％;北极地区净辐射冷却作用的减弱对增温的贡献约占25％。海温改变对中低纬对流层增暖影响的可能机制是:海温升高通过感热、长波辐射和降水潜热对对流层大气产生加热作用;另外伴随着海温升高，大气中水汽含量增加，水汽作为温室气体，又会对对流层增暖产生进一步贡献。
（二）降水变化:海冰消融、海温变化和CO2增加都会导致大气可降水量的增加，这与温度升高导致的大气中水汽含量的增多有关。对于北半球降水，海冰消融的主要影响区域在中高纬度，中高纬度的降水增多;海温的影响表现为赤道附近和40°N以北地区的降水增多，副热带地区降水减少;CO2的影响范围是最大的，整个北半球降水都是减少的。IPCCAR4的耦合模式模拟结果显示，21世纪末高纬度地区和热带海洋的降水增加，副热带地区降水减少。从本论文的研究来看，耦合模式模拟的高纬度地区降水增加，主要是海冰和海温的反馈作用决定的，副热带地区的降水减少则是CO2的辐射效应和海温的反馈作用共同影响的结果。
（三）环流变化:海冰消融、海温变化和CO2增加都会导致北极地区的海平面气压降低和500hPa的位势高度场升高。但在各季节，还是有所不同:海冰消融对北半球环流的影响体现在中高纬地区;海温的变化使得高纬地区春、秋、冬季海平面气压场降低，夏季升高，北半球500hPa位势高度场增加，极涡强度偏弱;CO2增加后，北半球大陆上的海平面气压场以负异常为主要特征，而北太平洋和北大西洋的海平面气压升高比较显著，夏、秋季节500hPa位势高度增加，春季极涡增强。
AO的环状模态分布和年际变化周期在海冰消融前后没有特别大的差异，准2a的变化周期仍然非常清楚;但准6a的周期延长为准8a;海冰消融后，AO正位相时北半球中纬度西风带的正异常减弱，尤其在200hPa以上高度，表明AO负位相的影响逐渐增强。
（四）东亚区域气候变化:如前所述北极海冰消融使得北半球中高纬度增温，与之相反的是，北极海冰消融使得中国东部地区冬季气温显著降低。东亚冬季气温降低的直接原因是蒙古—西伯利亚高压的增强使得冬季风增强。北极海冰消融伴随着中高纬度降水量的显著增加，欧亚大陆中北部地区的降雪增多使得表面反照率增大，导致地表吸收的热量减少，欧亚大陆中北部热源强度的减弱和冷平流的共同作用可能是西伯利亚高压增强的重要原因。
海冰消融和海温改变对东亚地区降水的影响都表现出明显的季节变化，海冰消融后秋、冬季节我国降水大幅减少;海温改变的影响表现为春、冬季降水增多，而秋季降水大范围减少;CO2增加导致东亚地区降水的整体减少。对东亚季风的影响也有很大差异，海冰消融使东亚冬、夏季风增强，海温变化使东亚冬、夏季风都减弱，而CO2的辐射变化会导致东亚冬季风减弱、夏季风增强。
从本研究我们还得到一点启发，在CO2增加所引起的气候变化不确定性研究中，气候系统内部反馈过程的不确定性应该给予更充分的重视。因为，CO2增加所引起的气候变化，其中相当大的一部分是气候系统内部反馈作用的贡献。我们对这些过程认识的多少以及数值模式对这些反馈过程模拟的准确程度，直接影响着未来气候变化预估的不确定性。