《Journal of Hydrology》：Detecting drought propagation pathways in different climatic regions of China
周朝强|李林琪|丁一博|赵一阳|史海云|侯仁杰|王平|薛平|王天|陈鹏
东北农业大学水利与土木工程学院，中国哈尔滨 150000
摘要
不同类型的干旱之间存在着复杂的关系，准确识别这些关系和干旱传播路径对于理解干旱的形成和演变至关重要。本研究基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代再分析数据（ERA5）1950年至2022年的水文气象数据，评估了中国不同气候区域的气象干旱（MD）、水文干旱（HD）和农业干旱（AD）特征。通过皮尔逊相关系数（PCC）和收敛交叉映射（CCM）方法探讨了不同干旱类型之间的关系，并利用CCM确定了干旱传播路径。研究结果表明：（1）HD和AD的分布特征在空间上存在一定的相似性，而MD在中国西北地区的持续时间和严重程度更大；（2）在中国大多数地区，不同类型的干旱之间存在复杂的相互作用；（3）在中国57.3%的区域内，干旱传播路径为MD-AD-HD，而在38.72%的区域内，传播路径为MD-HD-AD。本研究为多种干旱之间的相互反馈关系提供了新的见解，并加深了对干旱形成和演变机制的理解。
引言
在全球气温上升和人类活动增加的背景下，全球水循环过程发生了显著变化（Tian等人，2023年；Lu等人，2023年）。近几十年来，许多地区受到了干旱的影响，如非洲、中国、中亚、北美洲和欧洲（Sian等人，2023年；Shao等人，2018年；Wang等人，2022a年）。世界气象组织报告称，1970年至2019年间，平均每天发生一起与气候、天气或水相关的灾害，导致115人死亡，其中干旱造成的伤亡人数最多（Han等人，2023年）。观测数据显示，近几十年来全球干旱事件有所增加（Raghu等人，2025年；Zhao等人，2020年；Shah等人，2022年）。
根据其原因和影响，干旱可以分为气象干旱（MD）、水文干旱（HD）、农业干旱（AD）、生态干旱和社会经济干旱（Wei等人，2024年；Wang等人，2023a年；Shi等人，2022a年）。这些类型的干旱可以单独发生，也可以同时发生，当一种干旱转变为另一种干旱时，这种现象被称为干旱传播（Zhou等人，2021a年；Wang等人，2024a年）。以往的研究主要集中在两种类型的干旱传播（短链）及其影响因素上。Ding等人（2021a年）使用相关系数方法评估了中国不同气候区域中MD向HD和AD的传播特征。Zhou等人（2021b年）利用最大相关系数和定向信息传递指数分析了珠江流域中MD向HD的传播特征。Wang等人（2023b年）应用copula函数和贝叶斯网络评估了东江流域中MD和HD向社会经济干旱的传播特征。总体而言，现有方法主要通过线性和非线性相关方法确定干旱传播时间和阈值。然而，这些方法只能反映两个时间序列之间的相似性，无法准确捕捉它们之间的因果方向性（Luo等人，2025年）。收敛交叉映射（CCM）是一种为复杂系统开发的因果推断方法（Zhao等人，2024年），可以有效识别不同变量之间的因果方向性。近年来，该方法开始应用于水文气象领域。Shi等人（2022b年）率先将CCM引入干旱传播研究，并验证了其在识别干旱传播方向方面的可靠性。Luo等人（2025年）使用CCM评估了中国MD向HD的传播特征。Zhou等人（2023a年）进一步改进了CCM的识别过程，使其更适合大规模水文气象研究。鉴于CCM方法的优点及其避免过度依赖相关分析的能力，本研究引入CCM来研究不同类型干旱之间的传播过程。
干旱的形成是一个长链过程，是由多种气象、水文和生态因素的协同作用引起的。这种不同类型干旱之间的传播过程被称为长链干旱传播（Han等人，2023年）。与短链干旱传播相比，长链干旱传播涉及更多的干旱类型和影响因素，更好地反映了水文循环中干旱的演变特征（Han等人，2023年）。然而，目前对长链干旱传播路径的理解仍不一致。通常情况下，MD的发生和消散相对较快，而HD和AD滞后于MD（Zhou等人，2024年）。尽管如此，这三种不同类型干旱之间的传播顺序仍存在争议。目前关于干旱传播路径主要有两种观点：MD-AD-HD和MD-HD-AD（Han等人，2023年）。一些研究表明干旱传播的顺序是MD-HD-AD（Li等人，2020年），而另一些研究则认为AD发生在HD之前（Van Lanen等人，2013年）。不同的地区和环境因素可能导致不同的传播路径。在地表水资源丰富的地区，典型的干旱传播顺序是MD-HD-AD（Li等人，2020年）。在干旱和半干旱地区，浅层土壤湿度对气象干旱非常敏感，而水文干旱的发展则需要持续的气象干旱，可能导致MD-AD-HD的传播顺序（Gupta等人，2024年）。在人类活动频繁的地区，如频繁灌溉和持续抽取农业用水（特别是地下水），可能会加速区域水文干旱的发生，甚至加剧农业水资源短缺（Dong等人，2025年）。这可能导致三种干旱类型几乎同时发展，或者使它们的顺序区分变得模糊。准确识别干旱传播路径是揭示干旱传播机制的前提。然而，关于不同类型干旱之间反馈关系的研究相对较少，这也使得有效识别干旱传播路径变得具有挑战性。
因此，为了解决长链干旱传播中干旱传播路径的不确定性，本研究采用PCC和CCM来揭示各种干旱类型之间的关系，并基于CCM建立了一个干旱传播路径识别框架。本研究的目标是：（1）分析中国多种干旱类型的时空变化；（2）识别中国不同气候区域中多种干旱类型之间的相关性和因果关系；（3）确定长链干旱传播中的干旱传播路径（MD-AD-HD或MD-HD-AD）。这些结果有助于理解干旱的形成和演变，增强干旱预警的能力，并提高生态环境的安全性。
研究区域
中国位于东亚，受季风影响。中国内地的气候分布复杂多样，东南部降水量较多，西北部降水量较少。以往的研究表明，在气候变暖的背景下，中国尤其是北部地区出现了干旱化现象（Yao等人，2018年）。近年来，中国南部也频繁发生极端干旱事件（Hu等人，2024年）。
不同类型干旱事件的空间分布特征
图3显示了不同气候区域中不同类型干旱事件的空间分布特征（干旱事件数量、平均持续时间和严重程度）。如图3a所示，中国西北部、西南部和部分南部地区的MD事件数量相对较多。HD事件数量在中国东北部、中部和西北部相对较多。AD事件数量在中国东北部、南部以及一些其他地区相对较多
多种干旱类型的相互反馈
关于MD和HD之间的关系，Ding等人（2021b）指出，在水资源和热量条件丰富的地区，干旱传播更快，并且由于水资源和热量条件充足，中国南部存在更多的相互反馈关系。在中国东北部和东部地区，存在从MD到HD的强单向因果关系。该地区的植被类型为森林。以往的研究表明，干旱
结论
为了解决长链干旱传播中干旱传播路径的不确定性，本研究引入了一种改进的CCM方法，用于评估中国不同气候区域中不同类型干旱之间的关系，并确定了干旱传播路径。具体研究结果如下：
HD和AD的分布特征在空间上存在一定的相似性，而MD、HD和AD的持续时间和严重程度更大未引用的参考文献
Bennet等人，2023年；Guo等人，2020年；Han和Singh，2021年；Parker等人，2019年；Shan等人，2018年；Young等人，2024年。CRediT作者贡献声明
周朝强：撰写——原始草案、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。李林琪：方法论、正式分析、数据管理。丁一博：软件、调查、数据管理。赵一阳：方法论。史海云：监督。侯仁杰：验证、监督。王平：数据管理。薛平：数据管理。王天：撰写——审稿与编辑、正式分析、数据管理。陈鹏：撰写——审稿与编辑、可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢编辑和匿名审稿人对本文提出的有益和建设性的评论。同时，我们也感谢张一婷博士在修订本文过程中提供的帮助。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52409012和52422902）、黑龙江省博士后研究资助计划（LBH-Z24007）、新时代黑龙江省优秀硕士/博士学位论文资助计划的支持
