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海洋碳汇在气候变化中扮演重要的角色,海气CO2通量直接反映海洋碳源汇强弱。本文利用观测数据和CMIP5模式碳循环试验结果,探究了三个关键海域——赤道太平洋、北大西洋和南大洋海气CO2通量对主导气候模态的响应过程,比较了CMIP5模式的模拟性能,预估了未来海气CO2通量的变化。主要研究结论包括:中部型厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）与赤道太平洋海气CO2通量关系更加密切。赤道太平洋海气CO2通量异常主要发生在中部型ENSO期间,原因为主导赤道太平洋海气CO2通量变化的赤道东太平洋海表水CO2分压异常主要发生在中部型ENSO期间。13个CMIP5模式均未模拟出中部型ENSO对赤道太平洋海气CO2通量变化的主导作用,原因为模式未能模拟出中部型ENSO模态或模拟的赤道东太平洋海表水CO2分压异常在中部型ENSO期间偏弱。北大西洋冬季碳汇与北大西洋涛动（NAO）正相关。空间上,格陵兰海到挪威海一带冬季海气CO2通量对NAO正响应,主要受气体传输速率影响;拉布拉多海到冰岛一带海气CO2通量对NAO负响应,主要受由溶解无机碳浓度主导的海气CO2分压差影响。13个CMIP5模式中,6个模式未能模拟出拉布拉多海到冰岛一带海气CO2通量对NAO的负响应,原因为风速响应偏弱或气体传输速率主导了海气CO2通量变化。南大洋碳汇与南极环状模（SAM）负相关。南太平洋海气CO2通量对SAM负响应,南太平洋东部经德雷克海峡到斯科舍海一带海气CO2通量对SAM正响应,主要受溶解无机碳浓度主导的海气CO2分压差影响。CMIP5模式对南大洋海气CO2通量模拟的差异较大,总量上,5个模式未能正确模拟SAM影响南大洋海气CO2通量的机制,原因为海气CO2分压差对SAM正响应或海气CO2分压差的贡献不占主导地位。利用相对偏差指标,对比了CMIP5模式模拟海气CO2通量的相对性能。用两种方法预估了21世纪海气CO2通量,缩小了预估的不确定性范围。用模式集合预估了未来不同温升情景下海气CO2通量的变化。预估海洋碳汇在21世纪末为3.68-4.57PgC/yr,且在2070年、累积碳排放达1500GtC、温升达3.5℃后不再加强。本文揭示了海气CO2通量对关键海域主导气候模态的响应过程,深化了对海洋碳循环过程的科学认识,为地球系统模式的进一步发展和改进,温室气体减排措施的制定和长期温升控制目标的确定提供了参考依据。