全球气候变暖改变了大气圈与地圈的能量交换通道和水循环过程,造成水资源时空分布不均加剧,极端水文气象灾害频发。大气边界层容纳水汽的能力增强,大气的水汽含量上升,造成全球多数地区的极端降水强度增加。作为连结地球系统中地圈、生物圈和大气圈的纽带,水文循环承受气候变化和人类活动两方面造成的影响,降水和径流系列出现显著变化和非一致性。基于这样的背景,论文研究了全球水文气象极值事件的时空演变趋势,探讨了极端事件变化的微观物理机制,研究了不同时间尺度的降水极值事件对气候变化的热力学响应,分析了全球极端地表径流对气候变化和人类活动的响应机制,并提出了变化环境下自适应气候变化的洪水联合设计值推求方法。论文的主要研究工作和成果如下:（1）阐述了开展全球水文气象极值事件对气候变化响应研究的目的和意义,综述和讨论了水文气象极值事件的定义方法,并归纳总结了国内外气候变化对水文气象极值事件影响研究的进展和发展趋势。（2）基于全球卫星遥测、雷达和地面站网的多源数据,分析了全球极端气温、降水和径流的历史演变趋势,并通过气象水文过程揭示了极端事件变化的内在机制,考虑了气象水文事件历史演变的时空差异。结果表明:全球大部分地区的气温极值呈现上升趋势,但是美国中西部和北欧部分地区出现了气候冷却现象;全球俄罗斯以外的大部分地区出现降水极值上升趋势,由于1961～1980年间海洋到俄罗斯内陆的水汽平流减弱,俄罗斯地区出现了降水下降的显著趋势;径流极值具有较明显的空间异质性,总体来看,北美大陆、南美大陆、南欧地区、日本、澳大利亚北部地区出现大范围径流极值增加趋势,但是非洲撒哈拉沙漠和中亚等地区出现径流极值的下降趋势。（3）基于MSWEP＿V2高精度格点降水数据源,考虑了基于全事件和湿润事件的两种极值定义模式,基于Clausius-Clapeyron热力学方程对比分析了日尺度和3小时降水极值对全球气候变化的热力学响应。研究发现:3小时和日降水极值对气温的响应结构,均可以划分为单调递增型、单调下降型和Hook结构三种类型;3小时降水和日降水极值在热带以外的大部分地区一般显示亚C-C标度。同时发现基于全事件和湿润事件的极值定义模式对降水极值的气候响应结构和响应系数结果有较大影响,在热带地区尤为明显。湿润事件极值模式下,热带地区普遍为负响应系数;而全事件极值模式下,中美洲、非洲北部和南部地区、印度半岛、中南半岛、澳大利亚北部沿海等区域均显示出正响应系数。（4）开展了全球地表径流极值对大气温度和水汽含量的响应研究,从径流系数的角度推导了降水和地表径流极值气候响应系数的理论比较公式,综合分析了全球气候变化对降水极值和地表径流极值的影响机制,探讨了农业灌溉、地表覆被变化、土地利用改变等人类活动对径流形成的影响路径。研究发现:受大气热力学和动力学因素的综合影响,极端径流一般显示Hook响应结构,且该结构的形状并非稳定,其峰点温度会在未来气候变暖的驱动下升高,造成Hook曲线向更暖的方向移动。同时发现尽管存在较大的空间差异和年代际变率,全球大多数地区的地表径流极值一般呈现超C-C标度的响应结果,比降水极值具有更高的响应系数。（5）选取美国MOPEX数据集的438个流域以及中国赣江流域,基于流域尺度开展了降水径流极值对气候变化的响应研究,结果表明基于流域尺度得到的降水径流气候响应结果与气象站点的结果较为接近。以中国赣江流域为例,采用两个不同的全球气候模式生成未来气候情景,耦合统计降尺度模型和新安江模型,模拟得到了赣江流域气候情景下的气象水文过程,考虑气候变化情景径流系列的非一致性,采用年降水量作为解释变量,构建时变Copula模型,并考虑洪水的最可能组合模式,提出了自适应气候变化的两变量设计洪水推求方法,结果表明变化环境下的降水径流出现显著的非一致性,洪水的重现期等值线和联合设计值均具有较大的不确定性,说明未来进行防洪设计时有必要考虑气候变化的影响。