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论文以水文过程对环境变化的响应为研究主题，以位于新疆维吾尔自治区天山南麓的开都河为研究区域，以水文过程分析与模拟为主要研究内容，在对开都河流域45年来河川径流、降水和气温序列、以及植被、冰川等土地利用/覆被变化(LUCC)的详细分析的基础上，揭示了开都河河川径流的年际变化特征，并利用水文模型对流域日尺度融雪径流和降雨径流进行模拟研究，进一步探讨流域日尺度水文响应研究。论文主要研究进展和创新点如下：
1、研究和发展了检测水文时间序列变化趋势中变异点和多趋势特征识别的新方法与模型，包括基于Brown-Forsythe检验的水文变异点识别方法，以及基于Mann-Kendall检验和Mann-Whitney检验的序列多趋势特征识别方法，并对开都河流域月季降水、气温和径流年序列进行了应用分析。分析表明：开都河的年径流变化经历了1958-1973年偏丰期、1974-1986年偏枯期和1987-2000年偏丰期三个阶段，且在第三阶段序列具有显著单调上升趋势。除春季径流未表现出趋势特征外，夏、秋、冬季径流与年径流具有相同的趋势特征。年均气温变化经历1958-1974年高温期、1975-1988年低温期和1989-2000年高温期三个变化时期，且夏季气温1977年后有明显升高，其他季度气温随时间变化平稳。流域降雨空间差异较明显，相比中游地区，上游降雨量更充足，时间变化性也更强。流域上游年降雨在1973年发生跳变减少，中游年降雨在1987年发生跳变增加。上游地区夏季降雨在1977-1988年间较前后两时期明显偏少，中游地区则在1987后有显著增加。
2、研究和分析了近20年来流域土地利用变化，结果表明：流域内土地利用类型变化不大，流域内大规模的冰川后退主要发生在近15年内。对以旬为时间单位的NDⅥ分析表明：近20年来各旬的NDⅥ没有显著变化，与气温、降水变化趋势有一定差异性不一致。对典型地区的植被分析表明，可能原因在于气温升高量度不够和人类过度放牧导致的草场严重退化。
3、开都河出山口径流变化主要是气候变化的结果。夏季气候变化是夏、秋、冬季径流以及年径流变化的根本原因；春季降雨、气温稳定和前期季节性积雪累积量稳定是春季径流(融雪径流)稳定的保证。降雨变化是径流变化的主导因素，气温变化引起的冰川融水变化对径流起一定的调节作用，70～80年代冰川融水减少使径流减少幅度大于降水减少幅度，而90年代冰川融水增加使径流增加幅度大于降水增加幅度。
4、利用多源遥感信息，成功地建立了流域2000-2005年的流域积雪分布序列。针对目前较高空间分辨率的积雪覆盖图云下信息缺失问题，基于地表积雪覆盖的时间变化轨迹和地表状态的空间相关性，设计了采用多源、高时间分辨率和较高空间分辨率有云积雪覆盖影像序列进行影像去云的算法，并采用C++语言开发了模型系统。系统输入数据包括：积雪覆盖序列图、流域分区图、流域DEM数据、站点气温和降水数据和需要用户确定的参数；输出为无云日积雪覆盖序列图。通过该系统和MODIS积雪产品，获得了2000-2005年开都河流域无云日积雪覆盖图，并在此基础上分析了流域降雪和融雪空间分布的一些基本特征。
5、研究和探讨了资料缺乏流域水文模拟的方法，建立了适合开都河流域的径流模拟模型。首先，针对流域地形复杂，站点稀少的特点，重点讨论了气温、降水输入变量、降雨径流系数和滞时模型参数的选取原则和对模拟结果的影响，给出了SRM融雪径流模型在开都河流域的适用性。第二，采用集总式、概念性的NAM水文模型，较好地模拟出开都河降雨径流过程，为开展流域的水资源变化研究提供了基础。