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目前，关于CO2气候效应的模拟研究多采用全球均一CO2浓度，鲜有研究考虑CO2的空间异质性，近年来，在卫星遥感的支持下发现对流层CO2浓度存在明显的空间差异。因此，忽视CO2的空间异质性可能增加了研究结果的不确定性。本文基于CESM（Community Earth System Model）分别在空间异质性CO2和均一性CO2的条件下，模拟了CO2浓度增加对北半球温度变化的影响，通过对比两组模拟结果的差异性，阐明了空间异质性CO2对北半球温度变化的影响，揭示了造成这种影响的内在机理。研究结果表明: (1)CESM模拟的全球CO2浓度的空间差异特征在一定程度上与卫星观测相似。模拟结果再现了卫星观测显示的CO2浓度在北半球偏高，南半球浓度偏低，且北半球的中纬度地区尤为偏高的特征，并且模拟结果也再现了CO2浓度自赤道向北半球中纬度地区逐渐增加，而后缓慢降低的特征。不过，模拟的赤道向北极的CO2浓度梯度相对卫星观测的偏小。另外，模式未能再现CO2浓度自赤道向南极的纬度变化特征，并且未能再现CO2浓度在南半球的高、低值中心。 (2)CO2的空间异质性对全球各纬度地区年平均及各季节温度变化均有影响，并且基本呈现对北半球的影响程度大于南半球的特征，这与CO2空间异质性表现为北半球浓度偏高、南半球浓度偏低的特征相对应。CO2空间异质性对温度变化的影响强度因“季节”而异，其中在北半球和全球尺度上，CO2空间异质性对冬季温度变化的影响最大，其次是秋季，而后是夏季和春季;在南半球，CO2空间异质性对夏季温度变化的影响强度最大，其次是冬季，而后是秋季和春季。同时，CO2空间异质性导致温度升高速率自赤道向北半球中纬度略有增加而后迅速降低，这与CO2空间异质性的纬度分布特征基本一致。 (3)CO2空间异质性导致北半球高纬度地区温度升高速率相对偏低，这在年平均和各季节均有体现，其低值中心主要集中在北冰洋边缘、亚欧大陆和北美洲大陆北部地区。CO2空间异质性导致中低纬度地区温度升高速率相对偏高，高值区主要集中在亚欧大陆中部和北美洲西北部地区，以及赤道东太平洋地区，其中年平均温度升高区以及冬季温度升高区范围尤为广泛。此外，CO2空间异质性导致年平均及各季节的温度升高速率在西太平洋暖池偏低，在赤道太平洋东岸偏高。 (4)地表能量收支平衡的变化以及大气环流场的变化是CO2空间异质性导致地表温度变化的重要因素，但在不同纬度地区引起温度变化的因素组合特征略有差异。其中，在中高纬度地区，地表辐射平衡及大气环流的变化共同导致温度变化，并且下行长波辐射的变化是引起地表辐射平衡变化的主要因素。在低纬度赤道太平洋之外的低纬度地区，地表辐射平衡的变化是导致温度变化的主要因素，地表辐射平衡的变化主要由下行长波辐射和下行短波辐射变化的共同作用引起。赤道太平洋地区的温度变化主要受大气环流的变化影响，CO2空间异质性导致沃克环流减弱，有利于厄尔尼诺现象的发生。