中国寒区分布广阔，其中多年冻土区面积约占了寒区面积的53％，高寒山区往往是中国干旱与半干旱区水资源的发源地，也是对气候变化响应的敏感区域，研究寒区的水文规律和气候变化对寒区环境和水资源的影响，具有十分重要的科学意义和应用价值。由于冰川、冻土、积雪特殊下垫面特性使得寒区陆面过程模拟要复杂，再加上海拔高，自然条件恶劣，观测站点少，现阶段寒区水文过程的研究相对薄弱。因此，本研究在现有大尺度水文模型VIC-3L的基础上，充分考虑寒区的特点，对模型进行改进和发展，并应用于高海拔寒区水文过程的研究，研究内容如下：　　 (1)首先全面回顾了寒区水文过程重要组成部分的冰川水文、冻土水文的研究进展以及我国高山寒区流域水文过程模拟的研究情况，分析了现阶段流行的20个水文模型在我国寒区流域的适用性，通过对比选择VIC-3L模型为本研究的基础模型。确定本论文的主要研究目的：在VIC模型的基础上，充分融合冰冻圈冻融过程，以模型为手段，从物理机理上研究气候变化对寒区流域水文水资源的影响机理，评价过去40年流域尺度气候变化对寒区流域水文水资源的影响，探讨冰雪和冻土变化对流域水文过程的影响，从方法上探索研究气候变化对寒区水文水资源影响的数值模拟手段。　　 (2)对VIC-3L大尺度水文模型的应用及发展进行了介绍，重点分析了模型描述的蒸发、水量平衡和能量平衡，以及冻土算法和汇流等过程所用的数学方程，认为VIC模型对高寒寒区水文过程的描述具有一定的适用性，但对冰川区水文过程的缺失是模型的主要缺陷，此外模型在寒区陆面过程能、水模拟中的参数化问题也是模型有待进一步发展的一个方面。　　 (3)作者利用国家气象站观测数据及野外自动观测站的高密度能量、气象观测资料对VIC-3L在寒区陆面过程中的水量平衡和能量平衡的各个过程的数学描述进行检验，这是研究中的重点之一。具体的研究内容包括：　　 √对VIC模型原MTCLIM辐射估算模型与现阶段比较认可的REST和Yang辐射模型在我国西北多种气候条件下太阳辐射模拟效果进行了对比分析，提出以MTCLIM模型的云层对太阳辐射的影响系数计算方法替换Yang模型中的计算方法，然后替代原VIC模型中的太阳辐射模型，从而提高了模型利用气温估算太阳辐射的精度。　　 √地表反照率受地表植物类型、土壤类型、积雪等影响，同时也受太阳高度角的影响，本研究表明一天内随太阳高度角改变，反照率也随之发生明显的变化，而现在的陆面过程模型均忽略反照率这种日内变化，以致于模型在次日时间尺度上模拟能量系统会存在一定的误差，本研究对此结合前人的研究成果提出了太阳高度角订正的反照率参数化方案，且与实际观测数据进行了对比，取得了与实测基本一致的计算结果，该方法将提高陆面模型在次日时间尺度上能、水模拟的精度。　　 √利用四个站点的涡动感热实测数据对VIC-3L模型的湍流交换算法进行检验，且与Yang的湍流交换算法进行对比，结果表明Yang算法在寒区的模拟效果要好于VIC-3L原计算方案，故用Yang湍流交换方案替代原方案。　　 √对两个多年冻土区观测站点(Amdo、Suli)的能量、土壤温湿度进行了模拟，与实测进行对比分析，总体来看两个站点的能量及地温的模拟效果比较理想，土壤湿度模拟相比要差点，尤其Suli站点，主要有以下几个原因：模型缺少对侧向流、土壤有机质的考虑；模型中土壤湿度只分成三层，这使得深层的土壤温湿度模拟效果不够理想；模型所需的部分土壤参数在实际观测中未能获得，也会影响模拟的精度，此外由于缺少实测的土壤参数，使得对土壤水热过程模拟的物理过程进行改进存在一定的困难。　　 √针对原VIC模型无冰川模块，以至于该模型在寒区冰川流域水文过程模拟存在很大缺陷，本研究在VIC模型的框架基础上提出气象要素在冰川区次格网化的冰川产流耦合方案，耦合能量平衡、度日因子两种方式来计算冰川区冰雪消融，从而提高该模型在冰川流域的模拟能力。　　 (4)利用3S技术建立研究区-阿克苏河流域VIC-3L模型的驱动数据，包括气象驱动数据、地表植被土壤数据以及汇流数据。其中日气温数据采用反距离权重梯度的方式将站点的观测气温数据插值到空间格网上，鉴于日降水的空间分布很难插值，采用APHRODITE项目提供的APHRO-V1003R1数据，并利用站点观测数据对该数据进行了对比检验；然后利用IGBP-DIS的Global Soil Data Products土壤数据库、UMD1Km Global Land cover植被数据、中国第一次冰川编目及遥感分类冰川数据等结合前人的研究结果，整理出研究区的土壤、植被、冰川数据及参数；最后利用SRTM-DEM的高程数据准备汇流模型所需的流向文件，流速文件，扩散系数文件，Mask文件，有效面积比文件等文件，从而完成了VIC模型在研究区的基本驱动数据。　　 (5)利用前面准备好的驱动数据对阿克苏河流域近38年的陆面水文过程进行模拟，冰川的消融采用能量平衡和度日因子两种方式，并对其进行了对比，随后利用模拟和观测结果对研究流域的陆面水文过程变化进行了分析，具体结果如下：　　 √采用流域内2个水文站点观测数据对模型参数进行校正，并对模拟效果进行了检验，模拟结果表明增加冰川方案之后模型模拟效果有明显改善，校正期日径流模拟NASH模型效率系数达到0.6以上，冰川覆盖率高的昆马力克河更高达到0.7以上，近38年月径流数据模拟效果总体上比较理想，均达到0.8左右，且高冰川覆盖率的流域模拟效果更为理想。　　 √比较了两种消融模型的模拟结果，日尺度上能量平衡冰川消融模型模拟效果要稍好于度日因子的方法，而月尺度上度日因子消融模型模拟的果要稍好于能量平衡模型。且指出当气温不能反应冰川消融主要能量来源的太阳辐射的情况下，度R模型所存在的问题，相比能量平衡模型可以较好地反映真实状况，但由于本研究中辐射是基于气温估算出来的，所以还存在一定的偏差，太阳辐射模型需要进行一些参数和大气状况的调整，如果以观测的太阳辐射数据作为模型的数据将会提高冰川消融模型的模拟效果。　　 √通过模型对径流组成进行分割获得各径流成分在流域总径流中所占的比例，与前人研究结果基本一致，两种冰川消融方法的平均结果，托什干河的沙罩桂兰克水文站控制的流域内冰川径流占总径流量28.8％，融雪径流为20.4％，地下径流为47.8％，降雨地表径流为3.O％；昆马力克河的协合拉水文站控制的流域内冰川径流占总径流量的61.4％，融雪径流为13.8％，地下径流为20.4％，降雨地表径流为4.4％。　　 √分析了在气候由暖干向暖湿转型的背景下，各径流成分(融雪径流、冰川径流、降雨地表径流及地下径流)的年际和年内变化变化特性。　　 √鉴于度日因子在模拟冰川消融时出现的问题，故利用能量平衡方案模拟结果，恢复了阿克苏河流域1971～2007年冰川物质平衡变化序列，与前人的研究结果进行了对比。结果与前人的研究结果相比，冰川物质平衡变化趋势基本一致，但由于所采用的降水数据的差异以致于本研究计算的冰川物质平衡偏小。　　 √利用是否运行冻土算法对输出的非冰川区径流进行对比分析表明，冻土对寒区水文过程具有重要影响，计算表明，有冻土的情况下春季融雪径流和夏季降雨径流的峰值要大，主要由于冻土的不透水作用减少了下渗，此外冻土的存在减少了实际的蒸发量，在冷季由于冻土中土壤水分的冻结，流域退水过程加快。　　 √分析流域在气候变化背景下1980s和2000s这两个时段冻土年最大消融深度、土壤层含水量以及地表温度的时空变化特性，冻土年最大消融深度和地表温度由于气温的升高均增大；流域表层土壤含水量由于降水的增多而有所增加；第二层土壤体积含水量在季节性冻土区和低海拔的多年冻土区有微弱的增加，其他区域都处于减少的状态；第三层土壤体积含水量增加的区域要大于减少的区域，但含水量减少的区域的变幅要大，故流域平均第三层土壤湿度略有减少，含水量增加明显的区域为季节性冻土和低海拔的多年冻土区。