气候变化是地球科学目前研究的热点之一，认识气候变化的过程与特征是分析其对资源、环境、经济和生态过程影响的前提。渭河流域地处我国西北黄土高原东南部干旱半干旱地区，生态环境脆弱，旱涝灾害多发，面临许多生态和环境问题。本文基于渭河流域及其周边45个气象站点1951-2009年逐年实测气温、降水量和应用联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的Penman-Monteith公式计算的潜在蒸散量，采用趋势分析、空间插值、Mann-Kendall突变检测法、经验函数正交分解、Morlet小波分析、距平累积等方法，研究了渭河流域主要气象要素变化过程、突变点和空间分布特征等，取得如下主要结论：（1）在研究时段内，渭河流域年均气温逐年升高趋势明显。1951-2009年渭河流域的年均气温增温速率0.252℃/10a，年平均最低气温的上升趋势（0.261℃/10a）大于年平均最高气温（0.255℃/10a）。流域内年均温和年平均最低温突变点集中出现在1980s末及1990s初期；而年平均最高温在1994年前后发生突变。采用小波分析方法，分析了流域年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温的周期性，结果表明：渭河流域气温均存在19a、33a，尤以33a周期最为显著。渭河流域年平均气温整体从东向西、从南向北递减的趋势。但不同年代等温线位置有较大变动，根据流域边界和等温线围成的区域面积表征这种变化。年平均气温以多年平均气温9.5℃为阈值，高于9.5℃的区域面积从1960s的34.67%上升至2000年后的69.10%；以最低气温多年平均值3℃为阈值，高于3℃等温线与流域边界围成的面积从1950s的68.55%上升至2000年后的85.75%。气温日较差从1950s至1970s下降，1980s后略微上升，日较差大于11℃区域所占流域总面积比，首先从1950s的55.96%下降至1980s的41.58%，而后又上升至2000年后的61.07%。（2）渭河流域年内降水集中在夏季和秋季，年降水量从1951-2009年有逐年代下降的趋势，气候倾向率是-14.6mm/10a。流域降水量亦发生突变点，在西北部地区多出现在2007年左右，南部地区出现在1970年前后，而在流域西部地区降水量突变点则出现在1986年前后。受大尺度天气系统影响，流域年降水量异常的主要特点是降水量变化的一致性，也存在南北差异和东西差异。渭河流域降雨具有一定的周期性特征。渭河流域年降水量存在存在19a、32a，尤以32a为显著，这与温度变化的周期相一致。采用距平累积方法分析表明降水量具有显著的阶段性特征。主要存在1951-1957年、1993-2002年和2004-2009年大多数站点的降水量均低于多年平均值；1951-1968大多数站点的降水量高于多年平均值；其他时期，降水量围绕多年平均值震荡，特征不明显。（3）在渭河流域全年的潜在蒸散量中，春季和夏季的贡献最大，冬季的潜在蒸散量很小。年潜在蒸散量从1951-2009年有逐年代上升的趋势。潜在蒸散量的气候倾向率为5.08mm/10a。流域潜在蒸散量同样有一定的周期性特征。年潜在蒸散量存在19a、32a，尤以32a为显著，这也与温度变化的周期相一致。采用距平累积方法分析表明潜在蒸散量同样具有显著的阶段性特征。主要存在1951-1968年、1983-1993年大多数站点的潜在蒸散量均低于多年平均值；1969-1982年和1995-2009年大多数站点的潜在蒸散量高于多年平均值。