氧气是影响地球宜居性的关键因素,是所有好氧生物赖以生存和发展的物质基础,其与复杂生命体的形成和演化有着千丝万缕的联系。在海洋中氧气主要以溶解氧的形式存在,它是维持海洋生态系统繁荣必不可少的组分。目前海水中的富氧环境是地球系统经历几十亿年演化的结果。然而自工业革命以来,地球系统氧循环逐渐被推离了既定轨道。人类活动在现代地球氧循环中留下了清晰的印迹,其显著改变了内部各种过程,打破了循环的平衡。对于海洋来说,最为明显的表现就是溶解氧含量出现了系统性降低,海洋正变得愈来愈“缺氧”。作为地球系统氧循环的关键子环节,海洋氧循环的扰动以及海水氧浓度的变化会对海洋生物栖息地、生存环境产生深远影响。在这种情况下,探究海洋氧循环对气候变化的响应及其内在机理具有十分重大的意义。本文聚焦于目前海洋氧循环研究中的重点与难点问题,通过观测资料以及地球气候系统模式对海洋氧循环进行了较为全面的系统性研究。首先,论文利用国际耦合模式比较计划（CMIP）的结果,对全球海洋氧收支进行了量化。在这一部分中,我们对当前气候变化下海洋溶解氧含量的分布特征及长期变化趋势进行了整体评估,厘清了海洋内部各个过程变化对于海洋氧收支的贡献;而后,本文探讨了气候模式结果与观测之间存在的差异,对海洋氧循环模拟存在普遍性不足的原因进行了讨论,并选取通用地球系统模式（CESM）作为工具,通过引入气泡介导的海气氧通量参数化方案改善了模式模拟效果;接下来,论文关注了气候变化下海洋中的极端低氧事件,并将其与海洋热浪这一极端热力事件有机结合起来,对这些极端事件的发生频率、持续时间等特征进行了系统性研究,并对其时空变化进行了归因分析;最后,论文借助碳循环和氧循环之间的密切关系,以上述氧收支数据为基础,定量估算了海洋和陆地的碳吸收速率,并在碳-氧框架下预估了未来不同排放情景碳汇的变化状况。通过上述这些研究,本文取得了关于海洋氧循环的一系列前沿性、原创性成果,主要归纳为以下几个方面:（1）在全球气候变化的影响下海洋溶解氧含量出现了明显的下降,并且这种下降是全球性、长期性的。对全球海洋氧收支情况进行分析后的结果显示,海水中溶解氧正在不断从海洋“逃逸”到大气中,这是海洋氧含量减少乃至海洋缺氧的直接原因。在历史时期海气间氧通量平均约为1.6 Gt yr-1(1 Gt=1015g);而此时海洋内部生物以及沉积等过程对海洋氧库存的净补充速率仅为0.6 Gt yr-1;这些过程共同作用最终导致该时期海洋溶解氧每年大约下降1.0 Gt。论文指出海洋升温导致的一系列物理和动力过程的变化是氧下降的主导因素,这些变化阻碍了溶解氧在海洋内部的传输与循环。气候模式预测进一步表明,海气间氧通量至本世纪末将会增加为4.3 Gt/yr,这意味着未来海洋将会变得更加“缺氧”。（2）目前气候模式在模拟海洋氧循环方面与实际观测相比仍存在着一定的分歧与差异。论文发现模式对海气间氧通量模拟能力的不足可能是导致该问题的重要原因之一。本文考虑了气泡介导效应对于氧通量的影响,并将其引入到气候模式中,评估了模拟效果的变化。结果显示,以南大洋为例,引入气泡介导的方案后模式模拟海气氧通量的准确性较原始方案整体提升了约15%,在局部地区可达40%以上。基于气泡介导的参数化方案能更好的模拟出大风浪条件下高纬海洋与大气之间的氧交换过程,进而改善了模式模拟海洋氧循环的效果。（3）海洋中的极端低氧事件随着气候变化呈现出了明显的增加趋势,对海洋生物和生态系统造成了严重影响。论文通过分析发现这种极端低氧事件发生频率、持续时间以及强度均有了显著的提高,更值得注意的是,这种溶解氧大幅下降的事件与海洋热浪的耦合在过去几十年内变得越来越密切,受到自然变率和人为强迫的共同作用,二者同时发生的几率从80年代的40%左右增加至2000年后的50%以上。这种变化在海洋生物量丰富的区域更为明显,这预示着大多数海洋生物在未来将会遭受更为严重的低氧、高温等极端环境事件的复合影响。（4）论文从氧的视角对海洋及陆地的碳汇进行了量化与梳理,估算出海洋和陆地净碳吸收速率在1990-2000年期间分别为2.10±0.43和1.14±0.52 Gt C/yr,并且受到人类活动影响二者在21世纪均呈现出了上升趋势。论文还发现自然变率与人为因素共同影响了全球碳沉降系统的变化。我们论文的结果从侧面佐证了现有的碳汇估计,并在此基础上预测了不同排放情景下碳汇未来的改变趋势,为碳中和达成路径提供了重要的参考。综上,本论文以“气候变化下的海洋氧循环”为着眼点,将模式与观测结合起来,并在此基础上对模拟加以优化改进,不仅量化了气候变化下海洋氧收支的长期趋势,而且明晰了短时极端事件的影响特征,还以氧的视角为碳沉降估算提供了独到的参考。这些结果填补了目前现代海洋氧循环领域研究的空白,为进一步探索地球系统尤其是海洋的生物化学循环提供了关键科学依据,对制定海洋可持续发展战略具有十分重要的意义。