蒙古高原气象干旱向农业干旱的非线性传播：概率、阈值与驱动因素

《Global and Planetary Change》：Nonlinear propagation of meteorological to agricultural droughts on the Mongolian Plateau: Probabilities, thresholds, and drivers

　　

摘要：全面理解干旱概率和阈值动态变化对于评估干旱级联风险至关重要。本研究分别采用标准化降水指数（SPI）和标准化土壤湿度指数（SSI）来表示气象干旱和农业干旱。利用Morlet小波变换、重心迁移模型、基于最优Copula的条件概率模型以及地理探测器模型，量化了1982年至2024年蒙古高原气象干旱向农业干旱传播的概率、阈值及驱动因素。结果表明：(1)在1个月、3个月和12个月时间尺度上，气象干旱和农业干旱均显著变干，各级别干旱影响范围不断扩大。(2)在1个月和3个月尺度上，气象干旱表现出额外的短期变率，而两种干旱类型在所有时间尺度上均表现出强烈的中期至长期信号。(3)两种干旱类型的重心均集中在区域几何中心附近并向东北方向移动，表明区域内相对湿润地区正面临日益增加的干旱风险。(4)轻度气象干旱很少引发重度农业干旱，而当气象干旱严重程度超过农业干旱时，传播概率随之增加。从气象干旱到农业干旱的平均传播阈值（PTmean）随着干旱严重程度增加而逐渐下降（从?1.33降至?2.63），其中对SLV和BF的响应最为显著。(5)土壤湿度和降水是传播阈值变化的主导控制因素，而土壤湿度与其他因素的交互作用增强了对阈值异质性的解释力。这些发现为干旱监测和级联效应预警提供了科学依据。

引言：干旱是自然界中最复杂、最具破坏性的灾害之一（Liu等人，2024），通常被分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱（Gao等人，2025；Huang等人，2025；Yang等人，2025a；Yang等人，2025b；Chen等人，2024；Mao等人，2024）。在全球变暖持续加剧的背景下，干旱事件的频率和强度预计将增加（Li等人，2025；Sun等人，2025；Wang等人，2025a），这将放大对农业生产率、生态系统稳定性和区域社会经济发展的风险（Liu等人，2025；Mao等人，2024；Wang等人，2024）。

气象干旱通常被定义为在给定时期内降水不足导致的水资源异常匮乏（Zhu等人，2024；Wei等人，2021）。农业干旱被定义为土壤湿度亏缺（Salvia等人，2021；Grillakis，2019）。长期的降雨亏缺导致气象干旱，可降低土壤湿度，从而引发农业干旱并影响作物生长（Yang等人，2025b；Wang等人，2024）。干旱在气象、水文和农业系统之间的级联效应通常被称为干旱传播（Li等人，2025）。在干旱传播研究中，传播概率和阈值是反映干旱演变过程的关键特征（Zhang等人，2022a）。传播概率指一种干旱触发另一种干旱的可能性（Wang等人，2024；Zhang等人，2022a）。干旱传播阈值表示特定干旱类型在传播期间的累计干旱强度（Wang等人，2024）。现有研究已推进了我们对干旱传播的定量认识（Xu等人，2023）。例如，Wu和Hu（2024）报告称，青藏高原气象干旱严重程度增加通常会导致向水文干旱转变的概率增加。在淮河流域，Zhen等人（2025）指出，气象干旱向水文干旱传播的阈值在1991年前后发生了显著变化，同时传播概率下降。在中国区域尺度上，Sun等人（2025）表明干旱传播阈值随农业干旱强度增加而上升，且中国东部的气象干旱传播风险远高于青藏高原和中国西北干旱地区。Yang等人（2025b）利用Copula-贝叶斯模型预测，在不同严重程度下，气象干旱向农业干旱传播的条件概率和阈值未来都将增加，即使轻微的气象干旱也可能引发中度农业干旱。然而，现有研究主要关注气象干旱与水文干旱之间的传播概率和阈值（Wang等人，2024；Sattar等人，2019；Shin等人，2018）。不同植被类型下气象干旱向农业干旱传播的概率和阈值仍缺乏充分了解。因此，系统揭示不同植被类型下气象干旱向农业干旱的非线性传播特征，不仅有助于深入理解干旱灾害链，也可为制定差异化的水资源管理策略和干旱监测预警系统提供决策支持。

传播阈值标志着干旱传播中的关键转折点，识别调节阈值变化的因素对于预测后续干旱类型的风险至关重要（Yang等人，2025b）。研究表明，叶面积指数（LAI）、温度（T）、植被蒸腾和灌溉与气象干旱向农业干旱的转变阈值显著相关（Han等人，2021a）。其他研究强调温度（T）、干旱指数（AI）和土壤蒸发通量（SEF）是气象干旱与农业干旱之间动态阈值变化的主要驱动因素（Han等人，2023）。Yang等人（2025b）指出，温度是中国气象干旱向农业干旱传播触发阈值改变的主要因素。近期研究发现，归一化差异植被指数（NDVI）是黄土高原气象干旱向农业干旱传播时间短、阈值低的主要驱动因素（Yan等人，2026）。此外，陆面-气象耦合已被确定为强烈影响传播阈值变化的因素（Qian等人，2025；Wei等人，2024a）。具体而言，Wei等人（2024a）发现降水与土壤湿度的耦合主导了农业干旱对气象干旱响应中负向到正向反馈的转变阈值。然而，气象干旱向农业干旱传播阈值变化的主导控制因素仍存在争议。因此，从多维度视角系统识别关键驱动因素，不仅有助于揭示其复杂交互作用，也为干旱预警系统建设提供坚实的理论基础与参考。

蒙古高原包括中国内蒙古自治区和蒙古国，是一个干旱半干旱地区，生态系统脆弱，水资源分布不均，是全球最对气候敏感的地区之一（Bai等人，2023）。近几十年，该高原每十年升温0.49°C，超过全球平均水平0.12°C/十年（He等人，2022）。持续变暖加剧了区域水资源短缺并提升了干旱风险（Li等人，2024）。先前研究表明，气候变暖增强了农业干旱对气象干旱的响应，从而对生态系统安全构成严重威胁（Zhang等人，2026；Wei等人，2024b）。据此，本研究聚焦于易旱的蒙古高原，系统考察了气象干旱引发的农业干旱的传播概率、阈值及驱动因素。具体目标为：(1)揭示蒙古高原气象干旱和农业干旱的演变动态、周期特征和重心迁移轨迹；(2)定量评估全区域及不同植被类型下气象干旱向农业干旱传播的概率和阈值；(3)识别影响气象干旱向农业干旱传播阈值变化的关键驱动因素。研究结果将不仅深化对多维干旱时空演变的科学认识，也将增强区域干旱韧性和预警能力。

研究区域：蒙古高原位于东亚内陆地区，远离海洋（图1）。其地理位置介于北纬37°22′至53°23′、东经87°43′至126°04′之间，总面积约为2.75×10? km2（Ding等人，2024；Wei等人，2023a）。高原西界为阿尔泰山脉，东界为大兴安岭，北界为萨彦岭、肯特山和雅布洛诺夫山脉，南界为阴山山脉（Ke等人，2025）。地形

气象干旱和农业干旱的演变特征：1982年至2024年间，气象干旱和农业干旱在1个月、3个月和12个月时间尺度上均表现出显著变干趋势。在1个月和3个月尺度上，两种干旱指数均表现出强烈波动，而在12个月尺度上，气象干旱和农业干旱指数的波动相对稳定，尽管农业干旱对气象干旱表现出滞后响应（图5a-c）。轻度、中度、重度和特大干旱的空间范围

气象干旱和农业干旱的特征：为确保可比性，我们对SPI和SSI采用了相同的计算方法（Liu等人，2023b；Zeng等人，2022；Xu等人，2021）。结果表明，研究区域的气象干旱和农业干旱正在加剧，这与先前研究一致（Yang等人，2025b；Zeng等人，2022）。此外，农业干旱对气象条件表现出延迟响应，这与之前的发现相符（Zhou等人，2021）。在空间上，气象

结论：本研究调查了蒙古高原气象干旱和农业干旱的演变模式、传播特征和关键驱动因素。主要结论如下：
(1) 在不同时间尺度上，气象干旱和农业干旱逐渐加剧，其演变显示出周期性信号。
(2) 两种干旱类型主要发生在区域几何中心附近。与农业干旱相比，气象干旱表现出更大的迁移距离和更强的强度

作者贡献声明：Li Mei：撰写—原稿、形式分析、概念化。Han Aru：数据整理。Siqin Tong：撰写—审阅与编辑。Yongfang Wang：调查。Enliang Guo：软件、方法学。Xiulian Bai：验证。Altantuya Dorjsuren：可视化。Jinyuan Ren：资源。Shan Yin：撰写—审阅与编辑。Yuhai Bao：监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢：本研究得到内蒙古财经大学科研基金（NCXKY25030）、内蒙古自治区自然科学基金（2026QC0203）、国家自然科学基金（42401431和42061070）、一流学科研究专项（YLXKZX-NSD-031）、内蒙古自治区高校青年科技人才计划（NJYT23018）、高质量发展

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