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中国西北干旱区面积广阔，生态环境承载力弱，水资源问题突出。天山河源区产流保障了山前平原的水供给。近50年以来气候变化驱动了复杂的水循环过程，该区域温度和降雨的同步增加使山区径流呈增加趋势，但天山冰川面积的退缩导致冰储量持续减少，这可能会对未来水资源配置带来不利的影响。认清过去气候变化对天山流域水文过程产生的影响和预估未来潜在的水文过程变化对西北干旱区水资源的合理配置和利用具有重要意义。 本文从区域水循环角度出发，以天山河源区冰川流域为研究对象，SWAT-RSG模型为工具，历史格点气象数据和GCM模式数据为驱动力，对过去(1961-2005年)和未来(2006-2100年)多流域水文过程模拟，分析雨、雪、冰产流年内和年际变化特征，阐明产流过程机理，归纳冰川水文规律，探索流域、区域分异，归因径流变化主导因素，评估未来水资源变化。主要在方法论和冰川水文过程认识上取得以下进展。 (1)依据统计分析理论，提出了冰川系统面积随高程分布的二阶高斯模型，可用于冰川面积分布偏态特征、集中程度和高程结构特征值的分析。基于中国第一次冰川编目，将全国冰川划分为27个冰川系统。结果表明，二阶高斯模型相比正态分布或经验公式能较好地描述冰川面积分布的偏态性和集中程度，易于计算高程特征值;采用第二次冰川编目检验了二阶高斯模型的适用性，发现气候变化导致冰川面积集中程度增加，但分布的偏态性没有发生显著变化。 (2)改进了冰川水文响应单元(GHRU)方法中更新冰川分带高程面积的算法。在冰川单元尺度，模型能够对1号冰川面积及物质平衡进行有效模拟，识别出冰川融水对1号冰川小流域径流的贡献为72％，冰融水、冰上融雪产流和冰上降雨产流在冰川融水中的比重分别为54％、30％和16％。在流域尺度上，将径流（产流）划分为冰川融水、融雪产流、降雨产流和基流，模拟得出其在乌鲁木齐河流域径流中的比例分比为11.1％、10.6％、37.8％和40.5％。模型还可以识别不同尺寸冰川面积的变化。对比两个尺度的径流变化，发现1号冰川水文单元径流的增加是由冰融水和降水共同导致的。而在流域尺度为降水主导，冰融水表现为微减小趋势。说明冰川对径流的贡献在不同尺度是不同的。 (3)通过采用SWAT-RSG模型模拟和分析1961-2005年天山河源区水文过程，发现流域的温度、降水和径流都呈显著性增加趋势(P＜0.05），但冰川对产流贡献在流域间差异明显，贡献率为7.3-67.3％，均值为28.3％。在部分冰川面积覆盖率小的流域，冰川融水表现为减少趋势。基于多流域综合分析，归纳出冰川面积覆盖率是表征流域冰川水文效应的一个有效指标。其与冰川融水贡献率、冰融水贡献率、径流系数和径流变异系数呈幂指数关系(R2＞0.58)。其中前三项随冰川面积覆盖率的增加而增大，后者随冰川面积覆盖率的增加而减小。当冰川面积覆盖率在10％以内时，冰川面积的微小变动可能会导致以上项的较大变化。冰川面积覆盖率这一指标能揭示同一区域冰川水文对气候变化响应的规律，可以用于分析和解释无资料区冰川水文过程。 (4)利用气象数据分离方法，定量分析了1961-2005年天山河源区降水和温度变化对径流变化的相对贡献。结果表明，二者变化导致流域径流增加的比例为1.6-11.5％，均值为6.6％，但径流组成并没发生较大变化;对于增加的径流中，温度和降水的平均贡献率分别为42.9％和57.1％。多流域归因分析表明，温度和降水对冰川融水和径流变化的影响与冰川面积覆盖率有密切关系(R2＞0.61)，温度的作用随冰川面积比例的增加而增大，而降水则为相反趋势，且在面积比例小于10％时，二者作用差异尤为明显。在空间分异上，在天山北坡降水为径流的主导因素，而在天山南坡为温度或二者共同主导。 (5)采用GCM模式数据在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三个情景下预估了2006-2100年各流域潜在的水文过程变化，并采用历史时期(1966-1995年)、近期(2016-2045年)和远期(2066-2095年)三个时段进行对比分析。结果表明，整个区域在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景近期温度平均上升1.76℃、1.46℃和1.80℃，降水平均增加3.8％、5.8％和5.7％;在远期温度上升2.15℃、2.99℃和5.40℃，降水平均增加4.7％、8.6％和8.4％。区域产流量近期平均增加13.4％、17.3％和17.9％，在远期分别为6.6％、16.0％和20.4％，增加最显著的是天山南坡冰川面积覆盖率较高的河流。大多数流域冰川融水和径流呈先增加后减少的趋势。对出现拐点的河流，发现径流的拐点要相对滞后于冰融水，冰融水滞后于冰川融水。基于水量平衡方法，归因分析了径流变化的主导因素。在近期降水和冰融水是整个天山径流变化的主要贡献者，而在远期天山北坡的流域将依赖于降水，而天山南坡流域为冰融水和降水共同主导。不确定性分析表明，干和冷、干和暖、湿和冷、湿和暖四个极端组合模式将会导致差异显著的径流过程。预估不同情景下冰川和水资源潜在的变化为该区域未来水资源的管理和利用提供了参考。