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跨越中国、印度和孟加拉国的雅鲁藏布江流域的水资源对环境变化极其敏感,在国家及区域生态平衡、环境建设与社会经济发展中起着极为重要的作用。水资源变化是综合反映流域尺度气候和下垫面变化的重要指标,但雅鲁藏布江流域由于其独特的地理位置和环境条件,造成基础研究资料匮乏,对该流域在气候变化驱动下的下垫面变化及其径流效应仍缺乏系统、全面地研究。本研究基于全球陆面同化系统(GLDAS)资料和水文气象站点观测数据,综合分析了雅鲁藏布江流域历史长期(1961-2010)年气候变化特征和径流演变规律,并以此作为分析流域下垫面变化特征的阶段划分依据,然后利用转移矩阵对流域土地利用变化进行分析。在充分利用GLDAS和遥感监测反演(气温、降水和积雪等)数据的基础上,利用构建的新一代具有雪冰响应机制的ESSI-RSM模型对流域1980-2010年水文过程进行了模拟,其中1980-1985年和1986-1990年分别作为模型预热期和率定期,将1991-2010年划分为4个时段设计16个模拟情景,定量研究了气候变化和下垫面变化对径流变化和空间产流变化的贡献率;在实际水文过程模拟情景中动态嵌入雪冰融化模块分离出雪冰融水径流,分析雅鲁藏布江流域长期雪冰融水变化特征,进一步探明了气候变化对典型下垫面(积雪和冰川)径流变化的影响。最后利用未来气候情景数据(RCP4.5和RCP8.5情景下),通过分位数映射法(Quantile-Mapping,QM)进行数据订正和本文改进的降尺度方法进行降尺度处理,得到1km×1km逐日气候预测数据集,进一步分析了雅鲁藏布江流域在IPCCRCP4.5和RCP8.5排放情景下的气候预估,并通过ESSI-RSM模型预测了未来气候情景流域径流响应情况,为该流域的水资源保护、规划与管理提供科学理论和决策依据。本研究的主要结论如下:(1)利用GLDAS数据和站点观测数据,结合基于梯度距离平方反比法(GIDS)和领域算法改进的空间降尺度方法能够较好地实现雅鲁藏布江流域高精度、高分辨率气象数据的制备。1961-2010年间雅鲁藏布江流域平均气温、降水和实际蒸散发在总体上都呈增加趋势;利用集合经验模态分解(EEMD)分析可知,气温具有强的准45年低频振荡周期,蒸散发具有强的13年低频振荡周期,而降水不具有显著的振荡周期。(2)雅鲁藏布江流域总径流年内分配不均,夏季径流约占年径流的53.0%,冬季仅为6.9%;年际变化上呈现出先减少后增加的非线性变化,转折点出现在1990s中期;利用集合经验模态分解(EEMD)分析可知,在研究期间径流具有显著的准12年和准45年的低频振荡周期。流域年径流变差系数C_v较小,在国内众多河流中表现相对稳定。(3)草地是雅鲁藏布江流域的主要土地利用类型,约占流域面积的62.6%。根据转移矩阵分析结果,在1990-2010年期间,草地的减少主要转化为城乡建设用地和林地,其它各种土地利用类型变化均不显著,但各种土地利用类型之间存在较强烈的相互转化过程。流域上游源区和下游积雪分布较多;由于积雪初日和积雪终日的共同作用,积雪日呈减少趋势。(4)在原分布式水文模型ESSI基础上,通过改进降水聚集状态判定、雪冰融水和下渗过程模块三个主要方面以及其它功能(如增加空间驱动数据接口、动态下垫面等),在VisualStudio2010平台上,以C#为开发语言和ArcObject10.2为GIS组件,构建了新一代具有雪冰响应机制的ESSI-RSM模型,在雅鲁藏布江流域的多个时段的径流模拟中纳什系数(NSE)都能够达到0.8以上,表明ESSI-RSM可以较好地适应高原寒区的水文模拟,有效提高了水文模型在高原寒区水文水资源模拟的精度。(5)1990s以来,流域内雪冰融水径流呈增加的变化趋势,对年径流的贡献率达21.1%-48.6%,多年平均贡献率为33.6%。气候变化是雅鲁藏布江流域径流和空间产流变化的主导因素,其影响远远高于下垫面变化;从时段1(1991-1995)至时段4(2006-2010),气候变化对径流变化的贡献率为99.4%,而下垫面变化对径流变化的贡献率仅为0.6%。(6)在RCP4.5和RCP8.5情景下,雅鲁藏布江流域在2050s(2036-2065年)气温呈显著的增加趋势,降水分别呈显著(RCP4.5)和不显著(RCP8.5)的增加趋势,而蒸散发呈显著的减少趋势;与RCP4.5情景相比,气候因子在RCP8.5情景下的变幅较大。径流在两个排放情景下都呈显著的增加趋势,且在RCP8.5情景下的增幅和波动都高于RCP4.5情景下。地下产(径)流变化对总径流变化的贡献率高于地表产(径)流的贡献率。