由自然和人为因素所引起的全球气候变暖使得人类赖以生存的表层地球系统发生剧变的风险不断增加。极端天气、北极甲烷爆发、永久冻土层退化、新型病毒等问题的出现以及由此所造成的全球环境变化的负面影响,一次次向我们预示着“人类世”时代面临气候失控的可能性。因此,本论文将全球变化领域研究的前沿问题之一——区域气候变化及其水文响应作为主要研究内容,选取中高纬寒区对全球变化响应强烈的典型流域——黑龙江流域为研究区,试图揭示该区域变化环境下重要的陆地水循环格局和过程的演变规律及变化趋势,为区域减缓和应对全球变化提供科学依据。论文的主要研究工作和创新点如下:1)基于多源时空观测数据和系统分析方法,本研究识别并揭示了历史时期黑龙江流域主要的气候、水文和下垫面要素变化的基本特征,为深入研究气候变化背景下流域水文过程及湿地分布动态奠定了基础。同时也为本研究核心工作之一——分布式水文模型的研发,提出了重要需求:即适用于中高纬寒区黑龙江流域的分布式水文模型的研发,一方面要能够重现流域长期历史径流序列,给出多种陆地水文通量和储量更精细的时空演变过程模拟结果,还要能够支持对复杂的下垫面和气候因素双重胁迫下的流域水循环格局和过程的变化进行量化、评估和预估。2)结合当前分布式水文模型参数化新进展,以加强模型对网格及次网格水文过程的准确表达,降低模型的不确定性及尽可能利用快速发展的高新技术手段为指导原则,对分布式水文模型ESSI,进行了必要的更新及完善,完成了其新版本ESSI-3模型的研发,实现了黑龙江全流域陆地水循环过程的精细模拟。在不同尺度和数据基础上的模型适用性评估结果表明ESSI-3模型能够很好地模拟黑龙江流域关键的水文过程如径流、蒸散发、陆地水储量、地下水储量等的时空演变。同时,本研究系统介绍了驱动ESSI-3模型所需地面气象、土壤、植被和地形及水系等参数的获取方法,解决了大范围尺度模型驱动参数获取不易的问题,并创新性地提出了一个地面气象要素空间降尺度工具集和一套针对气候模式数据不确定性评估及数据订正、融合和降尺度的新的方法体系。3)基于湿地发生、发育机理,本研究创新性地提出了一种新的湿地分布表征指标——气候-土壤-地形指数（CSTI）,并在湿地分类精度评价方法和最大熵模型支持下,有效地证明了新指数在湿地分布表征方面的优越性。同时,基于TOPMODEL模型原理,通过三参数幂指数函数法将CSTI指数和ESSI-3模型,进行了有效连接,构建了一个动态湿地模块。模块应用结果表明,其能够较好地再现黑龙江流域湿地的空间分布格局及其季节性动态变化特征。4)围绕变化环境下黑龙江流域水文过程和湿地分布的响应机制及趋势预估这一关键科学问题,本研究基于耦合了动态湿地模块的ESSI-3模型,深入分析了近20年来黑龙江流域12种关键水文过程分量对主要气候和下垫面要素变化的时空响应特征和响应机制以及未来30年不同气候变化情景下这些水文过程和流域湿地分布的变化趋势等。结果表明,一方面各水文过程分量对环境变化的响应呈现出复杂的机制以及强烈的空间异质性特征,但仍有规律可寻,且研究中识别出了流域内不同水文过程变化的主导因素和典型区域;另一方面对未来时段各水文过程分量的变化趋势的探究表明,未来复杂的气候变化环境下,流域的关键水文过程和湿地分布在空间上将呈现出或延续或加剧或扭转的变化格局,这些结果为科学、有效地应对黑龙江流域未来气候变化提供了重要的支撑。