《CATENA》：Nonlinear response of soil moisture drought persistence to climatic aridity at the global scale
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•利用分段回归方法对未分箱数据进行分析，识别出全球干旱梯度上土壤湿度持续性存在的统计支持的显著非线性转变（AI ≈ 0.65–0.7）。•展示了ERA5、GLDAS和ESA CCI数据集之间的交叉产品一致性，并辅以自举法不确定性和分箱敏感性分析进行支持。•揭示了土壤湿度记忆（
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利用分段回归方法对未分箱数据进行分析，识别出全球干旱梯度上土壤湿度持续性存在的统计支持的显著非线性转变（AI ≈ 0.65–0.7）。
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展示了ERA5、GLDAS和ESA CCI数据集之间的交叉产品一致性，并辅以自举法不确定性和分箱敏感性分析进行支持。
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揭示了土壤湿度记忆（AR1）的共位置峰值，与不同气候状态下持续性动力学的转变相一致。
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发现过渡性干旱地区是水循环气候变率条件下旱灾持续性敏感性增强的热点区域。
引言
土壤湿度调节着陆地—大气相互作用、生态系统韧性和水循环气候极端事件。持续的土壤湿度亏缺会延长旱灾影响、加剧热浪并降低植被生产力，进而对区域气候变率和陆地基碳动力学产生影响（Liu等，2025）。由于土壤湿度综合反映了降水、蒸散和陆面过程，其持续性体现了水分供给与大气需求之间的平衡。因此，理解土壤湿度持续性对于旱灾预测和陆面建模具有重要意义（Miralles等，2025）。
半干旱与湿润地区之间的水循环气候过渡区受到降水变率、蒸散发需求、植被动力学和土壤蓄水量的影响（Guan等，2023）。微小的气候变化可使这些地区在水分限制态与能量限制态之间发生转换，从而导致土壤湿度动力学和亏缺持续性的剧烈变化（Zhu等，2025）。
以往的研究主要关注旱灾的频率、严重程度和影响范围，而关于土壤湿度亏缺持续时间的气候控制机制仍不够清晰（Seifian等，2026）。气候干旱度以降水与潜在蒸散发之比表示（AI = P/PET），概括了长期水分供给相对于大气需求的情况，并影响植被、蒸散、土壤蓄水量以及陆气耦合（Zhou等，2021）。目前尚不清楚土壤湿度亏缺持续性是否沿全球干旱梯度呈相似的非线性结构（Gu等，2025）。
目前仍缺乏将气候干旱度与土壤湿度亏缺持续性联系起来的全局框架。尚不清楚持续性是沿干旱梯度渐变变化，还是存在一个明确的转变将不同水循环气候状态分隔开来。这一点对于识别未来干旱度变化可能对亏缺持续性产生不成比例影响的区域至关重要。
本研究利用全球土壤湿度产品分析气候干旱度与土壤湿度亏缺持续性之间的关系。我们将干旱度视为连续梯度，检验持续性是平滑变化还是呈现数据驱动的转变。同时，我们将持续性与土壤湿度记忆进行比较，并考察该模式在ERA5、GLDAS和ESA CCI之间是否一致。
本研究的具體目標如下：
- 1.
量化全球土壤湿度亏缺持续性及其与气候干旱度的关系。
- 2.
识别全球干旱梯度上持续性的非线性转变。
- 3.
利用独立的土壤湿度产品和土壤湿度记忆检验该转变的稳健性。
各章节摘要
数据来源与预处理
月尺度近地表土壤湿度数据（单位：m3 m?3，体积含水量）取自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）发布的ERA5再分析资料（Hersbach等，2023）。选取土壤上层（0–7 cm）的土壤湿度，以捕捉与旱灾发生和恢复动力学相关的陆—气耦合过程。分析时间范围为2001–2023年，对应卫星观测时代，数据相对一致。
土壤湿度亏缺持续性的全球分布
全球地图显示土壤湿度亏缺持续性存在显著的空间差异（图1a–b）。极端亏缺持续时间（t??）在半干旱和过渡气候区最长，包括北美西部、南美南部、南非、中亚和澳大利亚的部分地区（图1a）。在这些区域，一旦干燥条件形成，亏缺状态可能持续很长时间。湿润热带地区，包括亚马逊盆地、赤道非洲和东南亚，表现出较短的持续时间。
土壤湿度亏缺持续性中由干旱度控制的气候态转变
分析揭示了气候干旱度与土壤湿度亏缺持续性之间存在清晰的非线性关联。两项指标均在AI ≈ 0.67–0.68附近识别出一个转变，接近干半干旱向湿润的边界。t??的转变约束更为紧密，而t_L对空间依赖性更为敏感。总体而言，持续性并非随干旱度单调变化，而是在水循环气候梯度上发生转变。
从极端干旱到土壤湿度亏缺持续性的增加。
结论
本研究利用全球土壤湿度观测和再分析产品，考察了土壤湿度亏缺持续性如何随气候干旱度变化。t_L和t??均呈现出清晰的非线性响应：持续性从干旱气候向干半干旱条件增加，随后在更湿润的气候条件下降低。
该转变发生在AI ≈ 0.67–0.68附近，接近干半干旱向湿润的边界。ERA5、GLDAS和ESA CCI之间的一致性表明，该模式并非特定于某一产品。
CRediT作者贡献声明
Hakim Ullah Khan：综述与编辑撰写、原创撰写、可视化、验证、软件、方法论、形式化分析、数据整理、概念构思。Jianzhi Niu：可视化、监督指导、资源、方法论、数据整理、概念构思。Khadim Hussain：综述与编辑撰写、可视化、验证。Farhan Iftikhar：综述与编辑撰写、可视化、验证。
资金支持
本研究得到以下项目的支持：退化防护植被系统近自然修复与功能增强技术及示范（2024YFF1306304–04）、潮白河流域水沙调控与优化植被格局配置（2025ZLXD03）以及潮河流域多生态系统综合治理修复关键技术研究示范（202302F008）。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢以下项目的支持：退化防护植被系统近自然修复与功能增强技术及示范（2024YFF1306304-04）；潮白河流域水沙调控与优化植被格局配置（2025ZLXD03）；潮河流域多生态系统综合治理修复关键技术研究示范（202302F008）。
Hakim Ullah Khan|Jianzhi Niu|Khadim Hussain|Farhan Iftikhar
