水文气候系统是各种水文、气候要素在不同时空尺度上进行相互作用与耦合的产物，其系统输出信号具有幂律波动特征.时间序列的低频幂律波动，是复杂系统内在机制的信号反映，是探索时空耦合系统的深层动力机制的有效工具，近年来被广泛应用于气候水文随机信号的研究.最新研究成果表明，幂律波动所体现的随机信号长期记忆特征，是随机序列极端事件的内在发生机制，对于深入认识极端气候和水文事件的发生规律和集群规律具有重要意义，在洪、旱灾害预测方面具有重要的应用前景。　　 理论上讲，大气系统是具有时空复合特征的扰动系统，受临界动力机制的控制；大气降水过程，作为大气系统的终端输出信号，其中的临界现象已经得到理论解释。大量基于站点观测资料的研究表明，大气降水的长期记忆，表现为比较完美的白噪音；但是，对于短期记忆，则缺乏相关研究.大气系统的时空复合特征，使其动力机制具有明显的时间尺度，也与该系统的空间组织形式密切相关.大气边界层受到地面过程的强烈干扰，对降水观测资料的大尺度综合，可以弱化地面干扰作用，发现大气环流过程的内在动力机制.对中国西北地区(干旱地区)和长江流域(湿润地区)大尺度的观测资料进行分析，发现大气降水在小于7天的时间尺度上表现为1/f噪音(β=1)，而在大于7天的时间尺度上表现为白噪音(β=0).1/f噪音是自组织临界系统的信号特征，因而可以推断大气降水在小于7天的时间尺度上受到自组织临界动力机制的控制，并且无关于气候类型而表现为一般规律(UniversalLaw)。　　 20世纪80年代以来，中国西北地区正在经历从暖干气候向暖湿气候的转型过程；该气候转型的动力机制，来源于大气与地面过程的耦合特征，但是具体哪一方面占主导地位，目前尚不得而知.因为大尺度大气环流系统受到自组织临界吸引子的控制在一定时间尺度上表现为与气候类型无关的1/f噪音，这为分离地面干扰信号与大气自身信号提供了一种可行途径.基于147站近50年的逐日降水观测资料，把中国西北地区降水模式进行空间分区(EOF)，并逐区分离环流信号与地面干扰信号，发现大气环流模式的变化控制着中国西北地区的气候变化过程。　　 近20年来，长江流域洪灾频繁，尤其是中下游地区损失甚巨研究长江流域径流过程的内在机制，探讨长江中下游地区的江湖作用及其变化，具有重要的理论和现实意义.利用周期图和消除趋势波动分析等方法，对长江干流寸滩、宜昌、大通3站50余年来的逐日径流资料分析发现，长江干流径流过程表现为多尺度幂律波动。寸滩和宜昌站径流过程在两周的时间尺度内表现为非稳定性特征(β=3.5)，而在两周到1年的时间尺度上表现为1/f噪音，具有不稳定性.在大于1年的时间尺度上，标度指数β=0.30，具有较弱的记忆能力.已有研究表明，随机过程的1/f噪音，是极端事件时间分布的一种形式.长江流域径流过程的1/f噪音，有望作为一种本底机制对长江流域的洪水频仍做出理论解释.长江下游大通站径流过程与寸滩、宜昌两站具有相同的长期记忆特征，但年内波动则表现为7天尺度上稳定的较强相关过程(β=0.7)，和在7～50天尺度上的非稳定性(β=3.5).大通站7天尺度上的稳定记忆，源自长江中游洞庭湖和鄱阳湖对上游来水的滤波作用.这为宏观模拟长江中游地区长江与通江湖泊的相互作用提供一个可行途径.基于湖泊滤波原理，设计低通滤波器模拟长江中游洞庭湖和鄱阳湖对径流过程的滤波作用，结果表明中游湖泊对上游来水有大约8天的调控作用.同时，长江中游地区江湖作用的年代际变化进行模拟表明，1950s以来长江中游江湖关系呈恶化趋势，这符合人们对长江流域江湖关系的一般认识；同时，模拟结果也表明，1960s长江中游江湖交通极为不畅，其原因有待进一步考证。　　 径流过程可以分解为符号(sign)与易变性(magnitude，又称volatility)序列.符号序列反映径流过程的线性机制，易变性序列反映径流过程的非线性机制.对大通站径流的进一步分析表明，大通站径流过程的线性与非线性机制均呈幂律相关，并表现出不同的年内和年际记忆特征.非线性过程的波动特征反映了长江干流水文极值事件的3种集群模式，即年周期、20天尺度内的高强度集群(1/f噪音)和较弱的长期记忆能力。这反映了长江干流水文极值事件的自然机制。线性过程则表现为在两个月尺度上的高强度集群(1/f噪音)，和在大于两个月尺度上较弱的反持续性，反映长江流域的旱涝转换机制。