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近百年印度洋和太平洋海温变化对全球水循环、旱涝分布、大气环流、全球及区域气候变化、极端气候等现象具有重大影响。因此理解印度洋和太平洋海温变化对于气候变化研究十分重要。前人研究多关注印度洋长期增暖趋势和太平洋年际及年代际尺度变率的气候效应，然而关于自然变率和外强迫（包括人为强迫和自然强迫）在近百年印度洋和太平洋海温变化中的相对作用，目前尚未得到系统研究和一致结论。本论文利用观测和再分析海洋和大气资料，结合CMIP5历史模拟试验，考察了自然变率和外强迫对近百年印度洋增暖和太平洋年代际变率的相对贡献及相应的物理机制，并利用数值敏感性试验讨论了在年代际尺度上热带太平洋对印度洋海温的遥强迫作用。主要结论总结如下: 一、人为强迫对20世纪后半叶印度洋增暖的影响机理 基于中国科学院大气物理研究所LASG国家重点实验室(LASG/IAP)气候系统模式FGOALS-gl的三组数值试验，即全强迫试验、自然强迫试验、控制试验，定量比较了自然变率和外强迫对20世纪后半叶印度洋增暖的相对贡献，分析了印度洋增暖的物理机制。观测资料表明1958-2004年印度洋增暖了0.5K，观测中外强迫对印度洋增暖的贡献可达90％以上。模式结果表明，外强迫中的人为强迫占外强迫贡献的98.8％。热收支诊断分析发现，由于人为强迫的作用，海表面长波辐射增加，大气环流调整导致潜热通量的大气部分加热海洋，有利于印度洋海盆尺度的增暖。FGOALS-gl的全强迫试验呈现出印度洋增暖不均匀的分布特征，具体表现为热带西印度洋增暖强于东印度洋，即正的印度洋偶极子(IOD)型分布。该增暖型与赤道东风异常紧密相关，异常东风通过大气过程减弱了风速，使得热带西印度洋蒸发减少，有利于海表面温度(SST)增暖;基于Bjerknes反馈，东风异常一方面使得东印度洋温跃层异常抬升，不利于海温升高，另一方面，赤道东风异常驱动海洋表层出现异常的向西海流，配合气候态SST的分布，热带西印度洋出现异常暖平流。因此在FGOALS-gl中，大气和海洋的耦合过程有利于赤道正的IOD增暖型分布的产生，其中海洋过程起主要贡献，人为强迫对该过程起到主要贡献，自然强迫和气候系统内部的自然变率也有部分贡献。 二、近百年印度洋增暖中温室气体和人为气溶胶的作用 基于17个CMIP5模式的历史气候分离强迫试验，考察了温室气体和人为气溶胶对1870-2005年印度洋增暖的贡献。研究结果表明，人为气溶胶的排放减缓了印度洋SST增暖速率的0.34K(100year)-1。若只考虑气溶胶的直接辐射效应，则该冷却作用被大大减弱，表明气溶胶的间接辐射效应（即气溶胶-云相互作用）对于印度洋SST变化的重要性。温室气体和人为气溶胶在印度洋海盆尺度增暖和正的IOD增暖型的形成中起到竞争作用。温室气体和人为气溶胶主要通过大气过程来改变到达海表面的辐射和湍流通量，从而使得印度洋海温出现海盆尺度的变暖和变冷。具体过程如下，温室气体的增加使得到达海表面的长波辐射增多，风场、相对湿度等大气环流的调整导致潜热通量有利于印度洋出现海盆尺度的增暖;人为气溶胶通过改变云的特性，从而减少海表面的短波辐射、长波辐射、潜热通量的大气部分，导致印度洋海盆尺度的变冷。热带印度洋正的IOD型增暖分布与赤道上的东风异常相联系，它主要与人为强迫有关。其中，温室气体主导了赤道东风异常的产生，但被人为气溶胶的直接辐射效应所抑制。 三、近30年热带东太平洋海温变冷和气候变化的形成机理 利用多套SST资料证实了1979-2008年热带东太平洋变冷的可靠性，并指出变冷最显著的区域位于赤道外而非赤道上。全球SST长期变化最显著的三个主导模态分别为全球增暖模态、太平洋年代际振荡(IPO)模态和大西洋多年代际振荡(AMO)模态，通过对各模态的空间分布和时间序列进行重建考察了三者的作用。发现近30年热带东太平洋SST的变冷主要由IPO在1998/1999年由正位相向负位相的转变引起，其作用超过了全球增暖模态的作用。基于四套SST资料集合平均的定量分析，全球变暖模态抵消了IPO模态所导致的变冷强度的一半左右，AMO模态在1990s的位相转变使得热带东太平洋出现微弱的变暖，部分抵消了IPO模态引起的变冷，并使得观测中赤道上的变冷趋势不显著。通过线性回归对三个模态所对应的气候异常进行分析，1979-2008年热带东太平洋表面气温的变冷、赤道太平洋的东风异常、热带太平洋海平面气压东西梯度的加强、以及亚洲季风区降水的增多等变化均由IPO模态的位相转变主导。 四、近百年太平洋海温的年代际变率:自然变率和外强迫 基于8个CMIP5模式的129组试验结果，考察了自然变率、温室气体和人为气溶胶对观测中近百年的太平洋年代际变率振幅大小和时间演变的调制作用。1861-2005年，太平洋年代际变率存在几次明显的位相转变，均由自然变率主导产生，但也会受到外强迫的影响。不同分离强迫试验结果表明，温室气体和人为气溶胶的共同作用使得热带太平洋的增暖强于热带外海域，呈现出类似太平洋年代际变率主导模态正位相的分布型，因而有利于其正位相的出现。温室气体强迫使得到达海表面的长波辐射增多，加热SST，尤其在热带太平洋出现SST增暖的极大值中心;人为气溶胶强迫通过云-气溶胶的相互作用，使得到达北太平洋海面的短波辐射显著减少，导致该海域SST剧烈变冷，同时抵消了温室气体强迫下该海域SST的显著增暖。因此，在温室气体和人为气溶胶共同作用下，热带太平洋的增暖趋势得以凸显，呈现出太平洋年代际变率正位相的增暖型分布，有利于其正位相的出现。 五、热带太平洋对印度洋海温年代际变率的作用 叠加在长期增暖趋势之上，印度洋海温还存在年代际尺度的变化。利用观测和数值敏感试验相结合的手段，来区分不同因子（主要包括外强迫、自然变率、热带太平洋的遥强迫）对近百年印度洋SST年代际变率的贡献。观测中IPO模态与印度洋SST的年代际变率有关，IPO正（负）位相有利于印度洋区域平均SST暖（冷）异常的出现。若在耦合模式中规定热带东太平洋SST的异常为观测值，其它区域的海洋与大气自由耦合，那么模式便可以合理地再现观测中印度洋SST年代际变率主导模态的时间演变特征，以及观测中印度洋SST年代际变化的强度。尽管外强迫主导了印度洋SST的增暖趋势，但自然变率主导了其年代际变率，这主要是通过IPO的遥强迫实现的，它对印度洋SST年代际增暖的贡献可以达到外强迫的一半，在IPO正（负）位相增强（减弱）了外强迫的增暖。具体大气和海洋过程可以描述如下，当IPO为正（负）位相时，热带太平洋Walker环流减弱（加强），印度洋上空出现异常下沉（上升）气流，云量减少（增加），使得到达海表面的净热通量增加（减少）;与此同时，风应力使得暖水在印度洋堆积（减少），风应力旋度在海洋中激发异常的下沉（上升）运动。这种大气和海洋耦合的过程变化有利于印度洋海温出现暖（冷）异常。