《Agricultural Water Management》：Predicting the risk and trigger thresholds for propagation of meteorological droughts to agricultural droughts in China based on Copula-Bayesian model
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在全球变暖背景下，中国干旱频发且影响严重。为探究气象干旱向农业干旱传播机制，研究人员构建 Copula-Bayesian 模型框架进行研究。结果显示未来干旱或加剧，部分地区传播风险高。该研究为制定农业管理策略提供依据，助力应对农业干旱风险。
在全球气候变化的大背景下，干旱已成为全球范围内备受关注的重大气候问题。它就像一个隐藏在暗处的 “杀手”，悄无声息地对生态、农业、水文以及社会经济系统发起攻击。在中国，这个农业大国，干旱带来的影响尤为严重。过去 20 年，由于气温上升和降水不足，干旱发生的频率不断增加，每年因干旱导致的粮食生产损失超过 390 亿公斤，经济损失占国内生产总值的 1.5%。更为严峻的是，随着全球变暖的持续加剧，未来中国干旱的强度和频率预计还会进一步上升，这无疑给本就脆弱的农业系统带来了巨大的挑战。
面对如此严峻的形势，深入了解干旱的发生和传播机制迫在眉睫。然而，在这个领域，仍存在许多亟待解决的问题。虽然之前有不少研究探索了干旱在区域尺度上的传播情况，但对于气象干旱向农业干旱传播的特征，尤其是在中国的整体情况，仍然知之甚少。此外，干旱传播的触发阈值，即不同类型干旱传播的关键水平，也很少有研究涉及，其未来变化的原因更是不明。因此，开展相关研究，揭示气象干旱向农业干旱传播的规律，对于提高干旱预测能力和制定有效的风险管理策略至关重要。
为了攻克这些难题，研究人员积极行动起来。他们构建了一个基于 Copula-Bayesian 模型的框架，以此来评估气象干旱向农业干旱传播的触发阈值。这项研究意义重大，论文发表在《Agricultural Water Management》上。
在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，收集了 1981 - 2020 年 640 个气象站的每日气象数据以及同期全球陆地数据同化系统（GLDAS）的土壤湿度数据。为了预测未来情况，还选取了 20 个全球气候模型（GCMs）在耦合模式比较计划第 6 阶段（CMIP6）框架下的气候数据，并进行了多变量偏差校正和降尺度处理。同时，利用 Mann - Kendall 方法探究干旱演变的时空趋势，通过 Pearson 相关系数确定干旱传播时间，运用 Copula-Bayesian 函数计算传播的条件概率，借助随机森林方法分析触发阈值变化的驱动因素。
下面让我们来看看具体的研究结果：
未来干旱演变趋势 ：研究发现，在气候变化情景下，中国标准化降水蒸散指数（SPEI）和标准化土壤湿度指数（SSI）的时空变化趋势一致。与基线期相比，在 SSP2 - 4.5 和 SSP5 - 8.5 情景下，平均 SPEI 值分别下降 0.24 和 0.49，平均 SSI 值分别下降 0.20 和 0.54。这表明未来气象干旱和农业干旱呈减弱趋势，但在高排放情景下干旱强度更大。从空间上看，中国主要农业地区的干旱特征存在显著差异，长江流域（YRB）、华南地区（SC）和北方干旱半干旱地区（NASR）预计将经历更严重的干旱。气象干旱向农业干旱传播的预测时间 ：通过分析 1 个月尺度的 SSI 与 1 - 24 个月尺度的 SPEI 之间的相关性，发现未来中国超过 80.0% 的地区两者呈显著正相关。在 SSP2 - 4.5 和 SSP5 - 8.5 情景下，平均传播时间分别为 4.6 个月和 2.2 个月，相比基线期缩短了 1.6 个月和 3.0 个月。不同地区的传播时间存在差异，YRB、SC、四川盆地及周边地区（SBS）和云贵高原（YGP）的传播时间较短，而青藏高原（QTP）的传播时间较长。气象干旱向农业干旱传播的预测条件概率 ：利用 Copula-Bayesian 概率模型评估不同未来气候情景下气象干旱向农业干旱传播的条件概率。结果显示，轻度、中度、重度和极端气象干旱引发农业干旱的平均条件概率分别为 33.0% - 46.0%、37.5% - 52.6%、46.5% - 61.7% 和 54.9% - 68.1%。随着气象干旱强度的增加，农业干旱的风险逐渐增大；而随着农业干旱严重程度的增加，传播的条件概率呈下降趋势。在 SSP2 - 4.5 和 SSP5 - 8.5 情景下，条件概率相比基线期分别增加 10.9% - 12.7% 和 24.8% - 26.4%。空间分布上，SC、YRB、SBS、YGP 和 NASR 地区的条件概率较高，而 QTP、东北平原（NEP）、华北平原（NCP）和黄土高原（LP）地区的条件概率较低。气象干旱向农业干旱传播的预测触发阈值 ：研究量化了中国轻度气象干旱向不同强度农业干旱传播的触发阈值。预测结果表明，气象干旱向轻度、中度、重度和极端农业干旱传播的平均 SPEI 阈值分别为 - 0.99 到 - 0.90、 - 1.34 到 - 1.15、 - 1.58 到 - 1.32 和 - 1.75 到 - 1.49。在 SSP2 - 4.5 和 SSP5 - 8.5 情景下，触发各种水平农业干旱的平均 SPEI 阈值相比基线期有所增加。空间上，SC 的触发阈值最高，其次是 YRB；NEP 的触发阈值最低，其次是 NCP。触发阈值变化的驱动因素 ：研究发现，温度（T）是中国触发阈值变化的主要驱动因素，其相对贡献为 43.1% - 47.2%，其次是降水（P）。不同地区的主要驱动因素存在差异，YRB、SC、SBS 和 YGP 地区主要受 T 影响，NEP、NCP、NASR 和 LP 地区主要受 P 约束，而在 QTP 地区，太阳辐射（Rad）是主要驱动因素。
综合研究结论和讨论部分，该研究具有重要意义。它揭示了中国未来气象干旱向农业干旱传播的风险和触发阈值变化情况，为政策制定者制定有效的农业管理策略提供了科学依据。例如，在干旱风险较高的 NASR 地区，可以种植耐旱作物品种；在干旱传播风险相对较低的 NCP 和 NEP 地区，可以适当扩大作物种植规模。尽管研究存在一定的不确定性和局限性，如气候数据的不确定性以及对驱动因素评估的局限性，但这仍是首次对中国气象干旱向农业干旱传播触发阈值的预测研究，为未来相关研究提供了新的思路和方向。
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