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受全球气候变化的影响,高纬度和高海拔地区的冻土加速退化。冻土退化将改变寒区的水文和生态过程,对自然系统和人类活动造成显著的影响。青藏高原是亚洲水塔、世界第三极,是我国重要的生态安全屏障与战略资源基地。在气候变化的背景下,正确认识青藏高原典型河流源区的冻土变化及其对水文循环和生态系统的影响,对于流域水资源规划、管理和决策制定具有重要意义。本论文建立了基于贝叶斯统计理论和基于土壤冻融物理过程的两种冻土模拟模型,模拟了我国青藏高原东北部的黄河源区、黑河上游冻土的长期变化过程;在此基础上,分析了冻土变化规律及冻土变化对生态水文过程的影响。论文首先基于历史降水和气温观测数据,提出一种估算季节性冻土最大冻结深度的随机方法。通过构建Stefan公式的参数化方案,引入前期影响雨量估算土壤水分,采用马尔科夫链—蒙特卡洛方法估算了参数的概率分布,评价了冻土深度估算的不确定性。其次,论文发展并完善了分布式模型GBEHM,改进了土壤导水率、植被生态等参数化方案,使模型更加适应寒区流域特点。最后,论文对黄河源区、黑河上游冻土变化进行了模拟,分析了冻土变化对生态水文过程的影响。对于黄河源区的冻土变化,采用基于贝叶斯理论的经验方法进行估算,所得冻土深度的模拟值与实测值的平均偏差和均方根误差范围分别为(-2.9%,9.7%)和(0.13 m,0.35 m),土壤水参数不确定性占估算不确定性的1.4%至21.5%。采用分布式模型进行模拟,结果显示黄河源区多年冻土面积比例由1981-1990年的44%,减小至2001-2010年的17%。就水文变化而言,近年来气温持续升高导致实际蒸散发量增大、径流系数减小;年降水量在1981-2002年持续减少,但在2002年后显著增加。受冻土退化影响,黄河源区土壤含水量有所增加;在气温升高的协同作用下,冻土退化在一些区域促进了寒区植被的生长。针对黑河上游的分析表明,年均气温在1960-2014年以每10年0.34°C的速度升高,导致季节性冻土深度以每10年7.4 cm的速率减少。径流成分的分析表明,黑河上游的地表快径流的比例在降低,基流呈增加趋势。植被叶面积指数以每10年0.045的速率增长,生长季开始时间以每10年1.8-2.1天的速率提前。采用灰色关联度分析,证明了植被生长季开始时间的提前与冻土退化存在密切联系,冻土退化对寒区植被的影响主要体现在植被生长季的开始阶段。