受自然气候的长期波动和人类活动的影响，全球气候变化已经是不争的事实。气候变化必然对生态系统、自然资源、粮食安全、极端气候事件、冰冻圈、水循环系统以及人类社会的经济发展产生一定的影响。气候变化所导致的最为显著的潜在影响是，它将会改变了全球和区域的水循环、河流系统以及径流的变化幅度。水是干旱区社会经济发展和生态稳定的限制因子。而干旱区生态水文过程极为脆弱，因而对气候变化则较为敏感。面对气候变化的事实，作为对气候变化影响较为直接的利益相关群体，科学评价当前并预估未来气候变化对各个自然环境要素及人类社会的响应，进而能够适时调整应对策略显得尤为重要。　　本研究基于气象水文观测资料、CMIP5全球气候模式以及再分析资料等数据，利用多种时间序列分析方法，统计降尺度模型，水文模型等手段分析了当前和未来平均和极端气候影响下的水文响应，主要结论如下:　　(1)黑河上游气温和潜在蒸发，径流和降水的趋势和突变呈现基本一致的变化特征，但气温和潜在蒸发对径流的影响存在时间超前和滞后效应。春季径流和夏季降水的增加对研究区1979年后径流的增加贡献较大。气温、降水和潜在蒸发对径流的影响在1970s末期之后显著加强。径流与降水的变化较为同步，1960-2008年两者间存在显著的8年变化周期。1990s之后，潜在蒸发对径流的影响存在滞后效应，径流主要受2年之前的潜在蒸发影响，潜在蒸发和径流的变化周期为6年，1990s之后两者的变化周期为4年。径流对降水较潜在蒸发更为敏感。1980-2008年间，气候变化导致的径流变化占到总径流变化的56.59％。　　(2)研究区极端降水呈现显著增加的总趋势，极强降水和强降水增加速率较大，降水强度也在增大;1960-2011年极端降水呈现明显的波动增加趋势，并且1980s后期极端降水较1980s之前显著增加。日最低温和日最高温的高值和低值都呈现增大趋势;极端气温在夏、秋和冬季呈现较为一致的变化趋势，冬季极端高温指数每十年的变化速率比其他季节都高;极端气温显著增加年主要集中在1990s之后。1980s后期东亚夏季风减弱和西太平洋副高增强是黑河上游极端气候事件增多的主要原因。另外，南方涛动指数、多元ENSO指数和北方涛动指数也对极端气温增加有一定的影响。　　(3) SDSM能够很好的模拟年和月降水和气温的基本趋势，对气温的模拟精度远高于降水，并对降水的模拟普遍略有偏低。降尺度的GCM模拟的月气温和降水与观测值间误差较小并且有很高的相关度，能够反映月气温和降水概率分布的整体特征;模式对月气温和降水均值的模拟值均偏低;模式虽然均能够反映气温的时间变化趋势，但对趋势量级模拟值偏低，而对于降水趋势和量级的模拟各模式模拟结果并不一致。几乎所有季节未来气温均较历史时期增高，不同情景下冬季平均气温均呈现增加趋势;秋季最高温平均百分比变化高于年和其他季节。黑河上游21世纪的近期和中期秋季降水相较于历史实验模拟结果呈现显著增加趋势，但夏季降水在近期、中期和末期均存在减少趋势。未来气候情景下冬季降水在本世纪末期相较于历史实验减少百分比大于20％。　　(4)基于分位数图的偏差校正方法对于调整降水高值发生的月份的模拟值偏低的现象有了较大改善，同时通过对气温的偏差校正，使得模拟与观测的气温均值基本吻合。21世纪近期RCP45情境下，CDD和CWD都存在显著的增加趋势;PRCPTOT、R10和SDII波动特征最为明显，均表现为在2024年前后达到研究时段的最低值。RCP85情景下，2016-2035年前期，大多数极端降水指数在增加，而后期则减少。21世纪近期，RCP45和RCP85情境下，四个季节最高温与最低温间的差值增大，因为气温将更加极端。　　(5) RCP45情境下年平均径流变化波动性较强，并且线性趋势变化不明显;而RCP85情境下，年平均径流则呈现微弱的增加趋势。从未来年平均径流均值来看，年平均径流较历史时期在减少。不同情境下，2016-2035年间，潜在蒸发呈现显著的增加趋势。各情境下，潜在蒸发较历史时期增加百分比大于5％。同时，几乎每一月的潜在蒸发均较历史时期有所增加。21世纪近期，黑河上游径流存在微弱减少趋势，而潜在蒸发增加趋势明显。因而未来20年，研究区水资源短缺形势在气候变化影响下将会更加严峻。