人为干扰导致的城市河流退化在地理科学和水文学领域引发了广泛关注, 针对城市河流形态及演变过程的研究成为退化河流生态修复的一项重要内容, 然而, 目前国内相关基础理论的系统梳理相对缺乏。本文回顾了半个多世纪以来城市河流形态及稳定性演变的研究成果, 从研究内容和方法两方面对不同城市化阶段河流形态及稳定性变化的特征和原因进行总结, 同时评述了不同研究方法的特点与局限。本文认为, 城市化进程改变了河流自然演化过程, 破坏了河流原有形态及稳定性, 其中, 沉积和径流体系变化是其根本原因。为了更好地运用河流演变机理进行河流修复, 学者们发展了河流分类体系, 主要包括形态导向法、过程导向法和综合分类法, 重点从河流退化的地貌形态、沉积和径流变化过程、河流演变的时间周期等方面概述各分类体系的优缺点, 阐述具有预测功能的河流分类体系不断完善的过程。本文通过梳理城市河流演变的研究成果, 以期为中国城市河流修复与管理提供科学依据和现实借鉴。

本文从气候变化的角度出发, 研究黄河上游龙羊峡水库夏季流量与流域气候条件的响应关系及流量预估模型, 并根据区域气候模式输出数据降尺度生成的未来气候情景, 对未来龙羊峡夏季水库流量进行了预估。结果表明:近35 年来, 黄河上游夏季气温升高、蒸发增大, 降水略有减少;黄河上游龙羊峡水库平均入库流量呈递减趋势, 夏季流量对流域降水量、平均最高气温及最低气温的响应显著;未来两个时期(2020s、2030s)龙羊峡夏季流量均较基准期(1988-2010 年)减少, 但在不同气候变化情景下流量变化有所差异, 其中A2 情景下夏季平均流量分别减少23.9%(2020s)和19.8%(2030s), B2 情景下分别减少14.4%(2030s)和17.3%(2030s), 据此, 未来气候变化对黄河上游流域夏季流量的可能影响将弊大于利, 但仍具有较大不确定性。

通过对青海湖北沙柳河镇土壤含水量的测定, 研究了该区土壤水分含量和土壤干层恢复等问题。结果表明:青海湖北沙柳河镇土壤含水量随着深度的增加而减少, 在年降水量略多于400 mm的条件下, 多数土壤干层中的水分得到了恢复, 干层消失, 少数土壤还有干层存在。在2009 年降水增多, 到2011 年土壤水分恢复深度达到了1.3 m, 2011 年土壤含水量显著高于2009 年。在年降水量为410 mm左右的条件下, 土壤干层恢复到1.3 m深度需要的时间为2 年左右。该区土壤水分运移缓慢, 干层恢复比黄土高原缓慢, 恢复的深度较小, 这主要是该区土壤冻结期较长等决定的。土壤干层中水分的恢复表明, 该区2009年以来草原土壤水分输出量略小于输入量。

在综述城市化对地面气温资料序列影响研究进展的基础上，总结评估了不同空间尺度上地面气温序列中城市化影响的性质和强度。在城市台站和局地尺度上，多数研究均发现城市化对地面气温序列影响明显；区域尺度的研究主要集中在中国、美国和欧洲等少数地区，研究结果存在较大的差异，但采用严格遴选乡村站资料的分析都得到了城市化影响很明显的结论。在中国大陆地区，国家级气象台站年平均地面气温的上升趋势中，至少有27.3%可归因于城市化影响；对于全球或半球陆地平均气温序列而言，研究工作还很不充分，但一般认为城市化影响较小，可能不超过总增温的10%。现有研究还表明，城市化对地面气温序列的影响随时间和区域有不同的表现；城市化对包括中国在内的东亚地区近半个世纪长序列地面气温趋势的影响是非常显著的，但对欧洲地区的明显影响可能主要发生在20 世纪早期甚至19 世纪后期。目前的研究仍然存在一些问题和困难，其中包括研究覆盖的区域和时间段有限、乡村站遴选标准不统一、城市化影响偏差订正方法有待完善等。

岩溶地区含水介质结构的多重性和岩溶地貌形态的高度复杂性，使岩溶系统的水文效应和水资源的评价与预测一直都成为水文研究的重点和难点。在岩溶含水介质特点和岩溶水文形成过程的基础上,本文着重评述了黑箱模型、概念性模型、物理性模型和分布式水文模型在岩溶水文模拟中的应用。其中黑箱模型包括基于核函数的算法、回归模型、人工神经网络和小波分析；概念性模型包括蓄泄模型和流量过程线衰减函数；物理性模型主要包括达西定律、Darcy-Weisbach 方程、有限元法和等效连续多孔介质；分布式水文模型主要是SWMM模型，并分别对各类模型的概念、方法、应用效果以及存在的优缺点等进行了分析。最后指出了研究中存在的一些不足，并就岩溶流域水文模拟的进一步研究提出了相应的建议，这对于解决岩溶区的水资源可持续利用问题有重要意义。

细沟侵蚀是坡耕地时常发生的一种侵蚀形式。细沟侵蚀对坡面土壤侵蚀产沙有重要贡献，而且是坡面侵蚀由面蚀向沟蚀发展的过渡。本文分析了细沟侵蚀影响因素和临界条件研究取得的进展和存在的不足。影响细沟侵蚀的主要因素有降雨径流、土壤、地形、土壤表面特征和土地管理等因素，其中，前4 者有多种指标来表征其效应，而土壤表面特征的影响还处于定性研究阶段。坡面需要达到特定的临界条件才可能发育细沟，细沟发生临界条件的研究主要从临界径流条件、临界土壤条件和临界地形条件等角度出发，各临界条件并非定值，而是关乎其他因素的综合指标。最后，本文对今后细沟侵蚀影响因素和临界条件研究可能的研究内容和方向进行了展望。

开展气候变化对植被生产力及分布格局影响的研究较多，但分析植被地理分布与气候条件之间适应关系的研究还不多见。本研究以气候与植被关系为基础，采用植被对气候变化响应的时滞性，模拟不同植被类型对气候变化的动态响应过程，以当前气候条件和未来气候变化情景下植被地理分布实际发生和潜在的转变情况来定量表达植被地理分布与气候条件间的适应关系，评价植被地理分布对气候变化的适应性。结果表明，当前气候条件下(1961—1990 年)，中国植被对气候变化适应性总体较好，适应性较差的地方主要为森林—灌丛和草地—荒漠的交界处，植被的地理分布已经有所改变，约占5%；在华东地区森林—灌丛过渡带、内蒙古地区的灌丛—草地过渡带以及青藏高原南部的草地生态系统等对气候的适应性也较差，约占35%，这些地区的植被有退化的倾向，植被的地理分布有可能会发生变化。中国植被对未来气候变化(IPCC-SRES-A2 情景2071-2100)的适应性总体较好，84%的植被变化表现为正向的变化，特别是在西北地区，未来气候条件将有所改善，这些地区的植被覆盖可能会有所提高。植被潜在的变化中约79%的植被可以适应未来的气候，但在青藏高原南部和内蒙古地区及西北的部分地区的草地生态系统对未来气候变化的适应性较差，有退化的倾向。

根据国内外研究成果，结合自身的科研体会，借用“巧妇面临无米之炊”时可能用到的“借、替和种米”的应对逻辑，将无测站流域水文预测(Predictions in Ungauged Basins, PUB)的研究方法归纳为移植法、替代法和生成法。将移植法归类为两种，一是当研究地区没有测站资料(简称无资料)而周边某个地区有测站资料(简称有资料)时，如果有资料区的自然地理环境与研究地区相似，直接移用该有资料地区的资料到无资料区，即直接移植法；二是倘若周边不只一个区域有资料，那么就借用所有这些点的信息，采用插值法得到无资料区的资料，即间接移植法。定义替代法为如果本研究区域或者相似区域没有资料，但有可能“求出”资料的辅助信息，则挖掘这些信息的方法。将替代法分为两类，一是根据本研究区域其他信息，通过模型模拟、同化、融合、从本学科和多学科领域挖掘信息等技术，得到本研究区所需资料。二是根据其它研究区域其他信息得到本研究区所需资料，包括就地外延和对比流域法。定义生成法为通过获取第一手资料开展水文预测的方法，包括野外实验和室内实验。通过梳理PUB的这些研究途径，探索了PUB方法发展的可能突破口，旨为推动PUB的研究提供思路。

降水变化对农业生产与经济社会发展具有重要意义。根据河北省85 个常规地面气象站降水资料，利用小波变换Morlet 方法，分析了河北省1965-2005 年不同时间尺度下降水序列的主要周期变化过程及其空间变化特征。结果表明：近41 年河北省年降水量主要存在3 个尺度的变化周期，分别是18a、8a 和4a，其中，18a 尺度存在于近41a，8a 尺度主要集中在20 世纪90 年代，4a 尺度集中在70 年代。在时间上，18a 尺度经历了5 个枯丰交替变化；8a 尺度上则有10 个丰枯交替。在空间上，不同地区降水的多时间尺度特征具有明显的差异，河北省北部和中东部地区年降水量分别以12 ~ 18a 大尺度及8 ~ 12a 中尺度周期变化为主，降水相对稳定；西部地区则主要以3-8a 小尺度周期变化为主，降水变率较大。

本文融合数据库技术、GIS 技术和软件工程方法，对中国科学院知识创新工程重要方向性项目“跨流域调水对陆地水循环影响与水安全研究”的核心软件平台“中国陆地水系统综合模拟与虚拟现实平台”的数据库功能进行了设计，并利用GIS 软件和商业数据库建立了“区域水系统多源信息数据库”。针对平台数据资料在空间分布、时间尺度和数据形式上的多样性分布格局，采用了时空同一化的集成策略和多数据库构建模式，有效消除了信息孤岛效应，实现了对跨流域水资源优化配置相关数据、信息和知识的综合利用，为平台提供一体化数据支撑服务。

本文分析了IPCC第四次评估报告中的全球气候模式在华东区域的气候预估能力与不确定性。以均方根误差作为衡量预估能力的标准，比较了IPCC-AR4中21个气候模式在中等排放情景下的预估能力，结果表明气候模式对华东区域气候变化的模拟能力差异较大，模式NCAR-CCSM3和MRI_CGCM2_3.2在年平均气温和年降水2个要素的均方根误差均较小，说明它们对华东区域的气候预估能力比其他模式强。在中等排放情景下，气候模式能够模拟出接近观测实况的年平均气温与降水的空间分布特征，但是由于空间分辨率较低，模式不能模拟出局部细致的结构；多模式集合平均对华东区域气温预估存在明显系统偏差，比观测实况偏低1.6℃以上，偏低幅度超过了不确定性(一倍的模式间标准偏差)能涵盖的范围；华东区域年降水模式间标准偏差占模式集合平均百分比为26.7%，表明直接用AR4多模式集合平均的结果难以准确反映华东区域该要素的未来变化。

乌裕尔河流域是气候变化的敏感区，其径流量是扎龙湿地的重要补给水源，探讨气候变化情景下乌裕尔河流域径流量的变化对区域社会经济发展和扎龙湿地生态环境保护具有重要的现实意义。本文利用SWAT模型对乌裕尔河流域进行径流模拟，并分析未来气候变化情景下河流径流量的变化。结果表明：SWAT模型可以较好地模拟乌裕尔河流域的径流量变化过程，尤其是产流量大的站点，模拟效率较高；气候变化对径流量影响较为显著，未来气候变化情景下,流域径流量随着时间的推移不断减少，而且不同水文站径流量减少幅度不同。

ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)常引起大气环流的改变并导致气候异常，探讨区域气候变化与ENSO的关系有助于理解区域水文等各方面的变化。通过Mann-Kendall、相关性检验和小波分析等方法，研究了1960-2005年泾河流域气候变化及其与ENSO的关系。结果表明，1960-2005年，泾河流域气候趋向暖干，且这种趋势在90年代以来愈加显著。气候变化与ENSO有显著的关系。降水对ENSO的响应程度强于温度；降水可能受南方涛动的影响比较大，而温度可能受海表温度的影响较多；ENSO暖事件对泾河流域气候变化的影响可能大于冷事件。

古洪水水文学是全球变化科学领域的新兴学科。通过对渭河上游天水段基岩峡谷的详细考察，对在杜家坪村附近发现的全新世古洪水滞流沉积剖面进行了深入研究。沉积学观察和分析结果表明这些沉积物为洪水悬移质泥沙沉积形成，因而其主要成分为粉沙，分选良好。其磁化率值很低，表明它们是全新世晚期的沉积物，还没有受到风化成壤作用的改造。通过与其下游宝鸡峡全新世古洪水沉积剖面的地层学和考古年代学对比，确定其发生的时代在3200~3000a BP之间，即全新世大暖期结束之时。利用古洪水水文学方法，求出该组古洪水沉积层所记录的特大洪水的洪峰流量介于23460~25480m³/s之间。同时，通过进一步分析验证，表明对于古洪水洪峰流量计算结果是可靠的。本研究获得了渭河万年尺度特大洪水的水文学数据，延长了洪水水文数据序列，在工程水文领域有重要应用性价值，对于揭示全球变化的水文响应具有重要的科学意义。

利用祁连山区及其周边26个气象观测站1961－2005年夏季积雨云形状和气温观测资料，采用线性趋势分析、墨西哥帽小波分析等方法，分析了祁连山区夏季积雨云出现频率的空间分布与时间变化特征，探讨了与气候变暖的关系, 并选用同期NCEP/NCAR全球再分析资料，对祁连山区夏季积雨云的环流特征进行分析。结果表明： ①祁连山区夏季积雨云出现频率明显高于河西走廊和柴达木盆地。②祁连山区夏季平均气温呈逐年上升趋势，20世纪90年代以来，上升趋势更为明显。祁连山区夏季积雨云出现频率明显减少，近45年来祁连山区夏季积雨云出现频率减少近8%。③在3和20年尺度上，祁连山区夏季气温和积雨云出现频率为反相位变化结构为主；在气温振荡最强的10a时间尺度上，20世纪80年代初期以前2者为反相位关系，而之后随着祁连山区显著增温，2者则呈现出同相位变化特征。④在年代际尺度和年际尺度上，祁连山区夏季气温和积雨云出现频率均为显著的负相关关系。分析表明，在气候变暖的背景下，祁连山区和河西走廊的夏季积雨云出现频率减少，而柴达木盆地为增多。⑤祁连山区夏季积雨云出现频次的多少，是对欧亚500 hpa环流异常的响应。

作为土壤性质的一个方面，土壤斥水性可增加局部产流和加剧土壤侵蚀，引起了学者的广泛关注。本文在回顾土壤斥水性的产生原因及时空变化的基础上，总结了近10年土壤斥水性对产流影响的研究结果，主要包括：①通过减小土壤基质势梯度，降低坡面入渗率，增加坡面产流量，并改变产流方式；②土壤斥水性的持续时间和强度是其影响坡面产流过程的关键因素，直接决定产流的时间和数量；③土壤斥水性对产流的影响具有尺度效应，在点、径流小区尺度上，斥水性可增加产流量，但在较大尺度上对产流量的影响不显著。当前，对土壤斥水性的形成及变化规律、斥水性土壤的空间分布和对产流影响的定量研究还不足，尚需要进一步深入，为更好地解释水文过程变化提供理论依据。