《Weather and Climate Extremes》：Soil-atmosphere compound extreme droughts have become more frequent and severe in China over the past four decades
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土壤干旱和大气干旱可能对生态系统和社会造成毁灭性影响。在本研究中，通过采用copula模型、相关性分析和结构方程建模(structural equation modeling, SEM)，研究人员揭示了1980年至2023年土壤-大气复合干旱事件的发生特征和驱
土壤干旱和大气干旱可能对生态系统和社会造成毁灭性影响。在本研究中，通过采用copula模型、相关性分析和结构方程建模(structural equation modeling, SEM)，研究人员揭示了1980年至2023年土壤-大气复合干旱事件的发生特征和驱动因素。研究人员发现土壤湿度(soil moisture, SM)与饱和水汽压差(vapor pressure deficit, VPD)之间存在显著的负相关关系，且它们的联合分布呈现双峰模式。这凸显了研究极端事件的必要性。此外，极低SM与极高VPD的联合发生概率显著高于在独立假设下的预期概率。这表明极低SM和极高VPD并非独立发生，而是通常以复合事件的形式出现。复合极端干旱事件平均始于六月中旬，即一年中的第165天(day of year, DOY 165)，并呈现出显著提前的趋势。它们平均结束于七月下旬，即DOY 206，并显示出明显推迟的趋势。此外，复合极端干旱的开始和结束时间表现出显著的纬度差异。复合极端干旱的频率、持续时间和暴露面积均显著增加，这些事件的强度也有所加剧，尤其是在黄土高原和长江中下游地区。2022年的复合极端干旱是过去44年来最严重的一次。这些干旱的地理重心呈现出南移的趋势。复合极端干旱持续时间对严重性的贡献超过了SM和VPD的贡献。这些发现增进了研究人员对当代复合极端干旱的理解，对于在持续气候变化下准确评估极端气候事件的影响至关重要。
**论文解读文章**
**研究背景与科学问题**
全球气候变化与人类活动加剧显著改变了陆-气水循环，导致干旱事件更加广泛和频繁。与单一极端事件相比，复合极端干旱（如低土壤湿度(soil moisture, SM)与高饱和水汽压差(vapor pressure deficit, VPD)同时发生）对生态系统和社会经济造成更严重的破坏，包括植被生产力下降、森林大面积死亡，甚至使生态系统从碳汇转变为碳源。SM下降和VPD上升已被识别为干旱诱导生态系统胁迫的两大主要驱动因素，且两者常协同发生，加剧了土壤-大气干旱耦合。然而，现有研究多基于月或季节尺度，可能掩盖关键的短期干旱阶段，对复合干旱事件起始和结束的精细时间特征、以及气象因子在短期演变中的关键作用关注不足。中国幅员辽阔、地形复杂，极端干旱事件在过去半个世纪快速增加，但对土壤-大气复合干旱的时空演变特征及驱动因素尚缺乏系统分析。为此，本研究利用日尺度数据，以极低SM和极高VPD分别表征土壤干旱和大气干旱，旨在揭示中国复合极端干旱事件的发生模式、演变规律及驱动机制。论文发表在《Weather and Climate Extremes》。
**研究内容与主要结论**
研究人员利用ERA5-Land再分析数据（1980-2023年）获取SM、气温、降水、辐射等变量，结合AVHRR叶面积指数(leaf area index, LAI)和总初级生产力(gross primary productivity, GPP)等植被指标，通过copula模型、相关性分析、结构方程模型(structural equation modeling, SEM)等方法，系统分析了中国复合极端干旱的耦合特征、时空演变及驱动因素。主要结论包括：SM与VPD呈显著负相关（年均相关系数-0.38），联合分布呈双峰模式，凸显极端值的重要性；极低SM与极高VPD的联合发生概率（概率乘法因子(probability multiplication factor, PMF)平均为4.32）远高于独立假设，且这种依赖性在研究期间显著增强；复合极端干旱平均开始于第165天（六月中旬），以0.19天/年显著提前，平均结束于第206天（七月下旬），以0.40天/年显著推迟；频率、年总持续时间、强度和严重性均显著增加，地理重心南移约209公里（基于严重性），2022年严重性比长期均值高51%，为过去44年最严重；最大温度通过增加VPD对严重性影响最大，持续时间是直接组分中贡献最大的变量。
**关键技术与方法（不超过250字）**
本研究采用多种关键技术方法：1）基于ERA5-Land再分析数据（由欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供，空间分辨率0.1°×0.1°），包含根区土壤湿度（0-100 cm，通过三层权重平均）和气象变量（气温、露点温度、降水、太阳辐射等），用于计算VPD（基于Buck (1981)和Ding (2018)公式）；2）利用AVHRR表面反射率反演的LAI产品（0.05°分辨率，经谐波分析、Savitzky-Golay滤波和样条插值处理为连续日数据）以及GPP数据，表征植被变化；3）采用copula模型（基于贝叶斯信息准则(BIC)选择最优二元copula函数）描述SM与VPD的依赖关系，并计算概率乘法因子(PMF)；4）通过结构方程模型(SEM)区分外部环境因子（降水、辐射、最高温度、植被指数）对复合干旱严重性的直接和间接效应，所有变量经Z-score标准化，采用分层随机抽样（50次重复，每次10000样本）估计路径系数；5）使用Theil-Sen斜率估计和Mann-Kendall检验评估趋势显著性，以及标准化多元回归分析各组分（SM、VPD、持续时间）的相对贡献。
**研究结果**
**3.1 SM与VPD的耦合特征**
**3.1.1 SM与VPD的相关性**：通过日尺度数据计算1980-2023年SM与VPD的相关系数，年均值为-0.38（p<0.05），93.16%的植被区呈负相关，88.76%显著。SM与VPD呈双峰分布（低SM-高VPD或高SM-低VPD），低SM-高VPD频率最高，表明极端值研究的重要性。
**3.1.2 极端SM与VPD的依赖程度及其变化趋势**：利用copula模型计算PMF，平均值为4.32，表明极低SM与极高VPD的联合发生概率远高于独立假设；96.54%区域PMF>1，65.33%区域PMF>4，主要分布在华中、华东、西北和西南，且与SM-VPD负相关较强区域一致。PMF以0.07/年显著增加（p<0.05），84.52%区域呈上升趋势，56.69%显著，表明两者依赖性增强，可能增加复合极端干旱频率。
**3.2 复合极端干旱事件的演变特征**
**3.2.1 开始和结束时间的分布与趋势**：平均开始于第165天（六月中旬），结束于第206天（七月下旬），存在明显南北差异：北方始于约150天、结束于约210天；南方始于约210天、结束于约260天；西南地区（云南、海南、台湾）始于60-90天，结束于120天左右。开始时间以0.19天/年显著提前（69.88%区域提前，20.53%显著），结束时间以0.40天/年显著推迟（75.28%区域推迟，29.24%显著），导致年发生窗口延长。
**3.2.2 频率和持续时间的分布与趋势**：年均频率2.6次，年均总持续时间14.53天，单次平均5.36天，平均受影响面积71.96%。华中及长江中游频率最高（>3次/年）、持续时间最长（>18天）。频率以0.25次/年显著增加，持续时间以0.16天/年显著增加，受影响面积以0.53%/年显著增加，增快区域与高发区重合（黄土高原和长江中下游）。青藏高原频率无显著变化，但平均持续时间显著缩短。
**3.2.3 强度和严重性的分布与趋势**：复合极端干旱强度（按SM和VPD偏离阈值的二次均方标准化）平均为0.90标准差(sd)，高于全球均值，长江中下游为高强度区。强度以0.35×10
-2 sd/年显著增加，东部和中部增快最快。严重性（累积标准化偏离）平均为5.25 sd，南部、东北和青藏高原西部为高严重区，长江中下游超过6 sd。严重性以0.03 sd/年显著增加，2022年比长期均值高51%，为44年最严重。地理重心（按严重性加权）南移209公里，按强度南移95公里。
**3.2.4 每年最严重复合极端干旱事件分析**：每年最严重单次事件平均严重性8.23 sd，平均持续7.29天，集中发生在7月初（181-187天）。最严重事件严重性以0.66×10
-2 sd/年显著增加，持续时间以0.03天/年显著延长，但发生时间无显著变化。每年最长持续事件平均持续7.55天，以0.03天/年显著增加，严重性也显著增加。超过80%区域中，最长持续事件同时也是最严重事件，但该比例显著下降，表明严重性不仅由持续时间决定，还受SM和VPD异常幅度影响。
**3.3 复合极端干旱严重性的驱动因素**
SEM结果显示，模型解释了约64%的严重性变异。VPD对严重性有显著正向直接效应（路径系数0.50），SM有显著负向效应。最高温度对VPD有显著正向效应（0.65），并通过VPD间接增加严重性，是外部环境因子中贡献最大的。降水主要通过调节SM和植被生产力间接影响。辐射间接效应为正。标准化回归显示，持续时间是主导严重性组分，占有效面积56%，VPD占28%，SM占16%，表明持续时间累积效应最重要。
**讨论与结论**
**讨论部分**：研究揭示了复合极端干旱在中国南北的时空差异，北方春季干旱主要受大陆高压和季风未至影响，南方夏季干旱受副热带高压和高温控制，西南地区春季干旱与前秋冬季降水不足及春季升温有关。青藏高原干旱频率和持续时间下降可能与冰川融化和变湿趋势有关。地理重心南移反映了中东部和南部干旱严重性增长更快，与雨带北移、副热带高压增强扩展一致，2022年长江流域干旱是典型例证。陆-气耦合中，高VPD与低SM相互依赖促进复合干旱发生，形成正反馈。研究局限性包括：copula模型像素独立拟合可能忽略空间自相关对区域统计的影响；ERA5-Land在高海拔复杂地形区（如青藏高原）存在不确定性，需结合现场观测验证。
**结论部分**：本研究采用copula模型、相关性分析和结构方程模型(SEM)等技术，揭示了土壤湿度(SM)与饱和水汽压差(VPD)之间的相互依赖关系以及土壤-大气复合极端干旱的演变趋势。主要发现如下：(1)1980-2023年，SM与VPD呈显著负相关。SM和VPD的双峰分布凸显了研究极端事件的重要性。PMF分析表明，极低SM和极高VPD的联合发生概率是独立假设下预期概率的四倍以上。这种依赖性在研究期间也显著增强，表明极端干旱往往以复合极端干旱的形式出现。(2)复合极端干旱事件平均始于六月中旬（第165天），并以0.19天/年的速率提前；平均结束于七月下旬（第206天），并以0.40天/年的速率推迟。频率、年总持续时间、强度和复合极端干旱严重性均显著增加。同时，地理重心明显南移。2022年复合极端干旱严重性比长期均值高51%，成为过去44年中最严重的一年。(3)在与复合极端干旱严重性直接相关的组分中，持续时间对严重性的贡献大于SM和VPD。在外部环境因子中，最高温度对复合极端干旱严重性的影响最强，主要通过增加VPD实现，表明最高温度升高可通过增强大气水分亏缺来加剧复合极端干旱严重性。
