全球气候变暖已经成为一个不争的事实,以气候变暖为主要特征的气候变化影响最直接和最重要的领域之一就是水资源,而作为干旱区的新疆地区以山、盆相间地貌格局为特点,对气候变化尤为敏感,气候变暖加剧了水循环过程,使得这一特殊地区的气候变化更为复杂,加剧了该地区内陆河流域水文水资源的不确定性。因此,加强干旱区典型流域气候变化及其对径流过程的影响评估,预测未来气候变化情景下径流趋势,对合理配置以及可持续利用干旱区水资源,促进干旱区社会经济生态可持续发展极具现实意义。新疆的河流均发源于山区,尤其是被誉为“中亚水塔”和“固体水库”的天山山区是新疆主要河流的发源地,开都河与阿克苏河均发源于天山山区,径流的补给主要来自山区的冰川积雪融水和降雨,气温和降水变化都对其出山口径流具有显著影响。位于天山南坡的开都河与阿克苏河同时还是塔里木河的两条主要源流,两河出山口径流的变化不仅影响着下游工农业水资源的供给,同时还关系着区域社会经济的可持续发展和生态安全的维护。因此,本文选择新疆天山南坡的典型流域——开都河与阿克苏河流域为研究靶区,以气候-径流过程为主线,以径流对气候变化的响应为核心,综合运用多方法、多尺度的建模技术对气候—径流过程及其机理进行研究。主要结论如下：(1)1960-2012年天山南坡年与四季气温和降水总体呈显著上升趋势,气温在冬季增温速率最快,降水在夏季增加速率最大。突变点分析表明,天山南坡年均气温和年降水量突变时间分别为1990年和1987年,发生了由低值到高值的跃变。非线性方法综合分析结果则表明,天山南坡的年及四季气温和降水过程都表现出准周期性的多尺度振荡,同时还呈现出分形和混沌特征,是复杂的非线性系统。具体来看,天山南坡气温和降水50多年来总体上表现出明显的非线性上升趋势,其变化表现出明显的年际和年代际尺度振荡,且年际振荡在气温和降水长期变化中占据主导地位。不同区域和不同季节气温和降水变化趋势类型,不仅仅出现线性趋势能够刻画的单一上升或下降趋势,还出现了先降后升与先升后降的非线性趋势类型。天山南坡年均气温和年降水量的关联维数分别为3.2612和3.2926,都大于3小于4,这说明如果要从动力学角度刻画天山南坡年均气温和年降水过程,需要4个及以上独立变量。天山南坡年均气温和年降水过程都具有长记忆性,即该区暖湿化趋势在未来一段时间内仍会持续。(2)1960-2012年开都河与阿克苏河径流量呈显著的增加趋势,四季中尤以夏季增加速率最大。突变点分析表明,天山南坡的开都河与阿克苏河年径流量突变时间分别发在1995年和1993年左右,晚于相对应区域气温和降水突变时间,说明径流突变是对区域气候变化的滞后响应。非线性方法综合分析结果则表明,天山南坡的开都河与阿克苏河年及四季径流过程都表现出准周期性的多尺度振荡,同时还呈现出分形和混沌特征,是复杂的非线性系统。具体来看,开都河与阿克苏河径流量50多年来总体上表现出显著的非线性增加趋势,其在年际尺度上表现出准3年和准5-6年的周期性振荡,在年代际尺度上表现出准11～13年和准27～28年的周期性振荡,各分量方差贡献率显示,年际振荡在径流长期变化中占据主导地位,年代际振荡径流量变化过程中也起着重要作用。开都河与阿克苏河的年径流的关联维数分别为2.9629和3.1006,这说明如果要从动力学角度刻画开都河年径流过程需要3个及以上独立变量,而刻画阿克苏河年径流过程则需要4个及以上独立变量。开都河与阿克苏河年径流过程都具有长记忆性,即径流的增加趋势在未来一段时间内仍会持续。(3)相关分析显示,在开都河与阿克苏河源流区,年均气温和年降水量与径流量都表现为显著的正相关关系。不同的是,在开都河源流区,降水与径流的相关系数大于气温与径流的相关系数,而在阿克苏源区则是气温与径流的相关系数较大。通径分析、交叉小波和小波相干分析进一步证实了开都河流域是降水对径流的作用较气温作用更大,而阿克苏则是气温对径流的影响占主导地位,且降水和气温对两河径流的相关显著影响多集中在20世纪90年代。在开都河与阿克苏河源流区,北大西洋年代际振荡(AMO)、北半球极涡面积(VPA)以及XZH(青藏高原指数)与径流、降水和气温都表现为显著的相关关系,对比大气环流AMO、VPA、XZH与开都河及阿克苏河气温和降水的小波相干谱发现,大气环流与气温和降水的显著相关强度和范围都要大于大气环流与径流的相关强度和范围,说明大气环流对开都河与阿克苏河径流的作用主要是通过影响区域气温和降水影响进而影响径流变化的。(4)开都河与阿克苏河重构的径流年际变化趋势能够较为详细地描述原始径流序列在研究时段的波动变化；重构的径流年代际变化则有效揭示了开都河径流在不同年代丰、欠水期交替出现的状态。此外,我们发现无论是在年际尺度还是年代际尺度上,开都河与阿克苏河年径流量与年降水量和年均气温都表现为正相关关系,且在年代际尺度上相关性和显著性更强,表明年代际尺度更适于评价径流对气候波动的响应。构建的EEMD人工神经网络模型用来模拟年径流量与年降水量和年平均气温之间的非线性关系,结果进一步证实了年代际尺度更适于评价径流对气候波动的非线性响应过程。(5)基于气候-径流的非线性模型,结合敏感性分析方法,假定不同气候变化情景下,分析径流在不同时间尺度上对气候变化的敏感性发现,开都河径流对降水的敏感性在年、年际和年代际尺度下都大于对气温的敏感性,而阿克苏河径流对气温的敏感性则大于对降水的敏感性,并且在年代际尺度上两河径流对降水和气温的敏感性都最强。径流对气候要素的敏感性不仅存在尺度差异,在气候转型前后相同气候变化条件下径流的敏感性差异也是存在的,尤其是在1987年之后,开都河与阿克苏河在年代际尺度上径流对气温和降水敏感性明显增大。(6)分析径流对气候变化的响应机理发现,开都河径流对降水更为敏感是由于其径流组成是雨雪融水径流占主导,阿克苏河径流对气温更为敏感主要在于其径流组成是冰川融水径流起主要作用,这也是两河径流对气温和降水响应不同的根本原因。20世纪80年代中后期即气候转型之后,由气候变暖引起积雪和冰川的消融增加是导致开都河与阿克苏河径流显著增加的直接原因。实际上,开都河与阿克苏出山口径流的变化不仅仅是受降水和气温双重影响,还受潜在蒸发和0℃层高度等多种气候因素的综合作用,夏季0℃层高度的升降已成为影响两河径流量变化的一个至关重要的因素,尤其是对靠冰川融水补给为主的阿克苏河。此外,近年来全球气候变暖减缓及其天山地区气候变化的复杂性,加大了该区域未来气候-水文过程的不确定性,同时源流区来水量总体增加而汇入塔里木河干流水量减少的状况,都为未来水资源的安全性带来了隐忧,因而在进行水资源对气候变化的适应性对策研究的同时,要加强水资源的管控。