长江流域在我国社会经济可持续发展中占有重要战略地位,而长江上游地区又集中了大部分水能资源,是我国水能资源综合规划设计和开发利用的重点流域。在人类活动、气候变化和兴建大型水利工程的共同影响下,水资源系统自然演变规律遭到严重破坏,充分掌握变化环境下长江上游流域水循环过程为我国水利工程规划建设、水资源优化配置和水电能源系统安全经济运行提供重要科学支撑。本文围绕变化环境下流域自然水循环过程演变规律与降雨径流预报过程中面临的科学问题,以长江上游干流区为主要研究对象,分析流域水文气象要素时空演变情势、探索提高流域降雨预报精度的先进理论和方法,研究延长流域短期径流预报预见期的关键技术和方法。本文主要研究内容及取得的成果包括以下几个方面:(1)为分析变化环境下流域水文循环过程中水文气象要素的时空演变特征,以长江上游干流区为主要研究对象,利用Mann-Kendall趋势分析方法、累积距平法、小波分析法和标准降水蒸腾指数研究了长江上游干流区近几十年流域水循环要素演化趋势、突变特性、周期特征和气象干旱演变规律。研究结果表明,长江上游干流区汛期降雨、径流增加,枯水期降雨、径流减少;年平均降雨量、径流量呈不显著性减少趋势,温度呈显著性上升趋势;流域呈较弱干旱化趋势,揭示了长江上游干流区未来一段时间内干旱或洪涝水文灾害现象发生频率有增加趋势。(2)为提高长江上游干流区的降雨预报精度,优选适合流域物理过程的参数化方案组合。根据流域地貌地质特征和气候变化条件,研究了WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度数值天气预报模式中不同的云微物理过程、陆面过程和积云参数化方案组合,构建了包含平均绝对误差、布莱尔评分、TS评分和合格率多指标综合评价体系,提出了基于TOPSIS多属性决策的最优参数化方案遴选方法。研究表明,当云微物理过程选择WSM3(WRF Single-Moment 3-class)方案、陆面过程选择Noah(Noah Land Surface Model)方案和积云对流参数化过程选择KF(Kain-Fritsch)方案时WRF模式在长江上游干流区的模拟精度最高,说明在不同研究区域优选适合流域物理过程的参数化方案的必要性,推广应用前景广阔。(3)探究不同数值模式预报产品在长江上游干流区的预报性能,解决短期径流预报过程中如何有效延长径流预报预见期等问题。分别从流域面降雨过程和降雨空间分布过程评价了中国气象局T639模式和欧洲中期天气预报中心(Ecmwf)发布的预报降雨产品在长江上游干流区的适用性,基于流域实测降雨径流资料,建立了长江上游干流区短期径流预报系统,在此基础上引入数值天气预报模式预报降雨产品,建立了耦合数值天气预报模式的流域短期径流预报系统。研究表明,在长江上游干流区T639、Ecmwf模式7天预见期内预报降雨分布带趋势、降雨中心位置接近于实测降雨,但预报降雨量略偏大;长江上游干流区陆气耦合模型预报径流精度较高,其中寸滩断面径流预报效果最好,7天预见期的径流预报精度达到甲级标准,有效的延长了径流预报预见期,具有较高的实用价值,研究成果可为防范流域水文灾害、优化水资源规划设计和流域防洪调度风险分析提供重要的参考。