我国西北内陆河流域深居欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，降水稀少、水资源短缺、生态环境脆弱，是我国最干旱的地区。多数河流的径流对大气降水和气温变化非常敏感，水资源系统对气候变化的承受能力十分脆弱。未来全球气候变化可能加重部分流域的水资源供给压力，直接影响到水资源稀缺地区的可持续发展。以流域水文模型为基础，结合大气环流模型输出的气候变化情景分析气象要素、径流量的变化规律以及气象要素对径流的影响，可以为流域水资源规划与管理决策的制定提供一定的参考，为流域气候、水资源和生态环境的可持续发展策略制定提供一定的风险预测分析依据。本文以西北典型干旱区石羊河流域上游产流区为研究对象，采用奇异谱分析法分析了石羊河流域上游地区近50年来气温、降水和径流序列的变化特征；将VIC（VariableInfiltration Capacity-可变下渗能力）水文模型应用于流域上游地区并率定模型参数和验证模拟效果；利用SDSM（Statistical Downscaling Model-统计降尺度模型）对全球气候模式（GCMs）模拟的大尺度未来全球气候变化结果进行降尺度处理，选取HadCM3模式中A2、B2作为代表情景，分析未来气候要素的变化。以预估的未来气候情景作为验证后VIC模型的驱动，分析未来变化环境的石羊河流域的水文响应。得出如下结论：（1）通过对石羊河流域上游产流区水文气候要素的时间序列进行趋势分析，结果表明50年中四季的气温值都呈现升高的趋势，其中以冬季气温最为明显；降水量在夏季和春季明显存在增多趋势；径流在夏季有相对明显的减少趋势。降水量和径流均主要集中于5~9月，分别占全年降水量的81.8%和多年平均径流的75.4%。丰水期同月降水量年际变化稳定，同月径流变化不稳定；枯水期则同月降水量年际变化不稳定，同月径流变化稳定。使用Kendall秩次检验方法，置信度水平为0.05时，气温呈现明显的上升趋势，年降水为不明显的上升趋势；年径流呈不明显的下降趋势。（2）通过对石羊河流域水文气候要素的时间序列的奇异谱分析，得到了近50年来气温、降雨和径流月序列的振荡周期。气温月序列主要存在12月、6月及109月（约9年）三种振荡周期，降雨月序列主要存在12月、6月、4月以及156月（13年）四种振荡周期，径流月序列主要存在12月、6月、41月以及65月四种振荡周期。与前人结果相对比，奇异谱分析法在时间序列的趋势分析和中短期周期判断中具有较好的适用性和合理性，但是对于长周期的判断则存在一定的不足。（3）从能量平衡、蒸发蒸腾、产汇流等方面介绍了VIC水文模型的运行机理后，将其应用于石羊河流域上游产流地区，通过参数率定和模型验证，结果表明VIC模型在石羊河流域具有一定的适应性。模拟月径流结果与实测月径流总体过程一致，模型的效率系数在率定期和检验期分别为0.76和0.69，相关系数分别为0.96和0.89，说明VIC模型能够较好地描述流域大尺度水文过程。但是模拟结果中径流模拟值明显大于实测值，模拟结果的相对误差较大。（4）利用SDSM统计降尺度模型模拟的石羊河流域上游在未来气候情境下的气温和降水序列作为VIC模型的输入，分析了未来气候情景下该区域径流的变化。结果表明，研究区多年平均最高气温在A2情景下2020s和2050s分别比现状升高1.3和2.8℃，B2情景下两个年代分别比现状升高1.3和2.5℃；多年平均最低气温的变化量不明显，都只升高0.1℃左右；多年平均降水量在A2情景下2020s和2050s分别比现状减少7.6%和15.2%，B2情景下两个年代分别减少8.7%和13.1%。径流的变化总体为减少，同时，与降水气温一样在年代间存在差异。2020s各年间径流丰枯交替变化较为正常，2050s则在2050年前后几年间出现了明显的连续枯水期，2050s多年平均径流在A2和B2情景下分别减少13.2%和8.3%。