长时间的降水不足和持续的大量水分蒸发损失，可能导致气象干旱，进而触发土壤水分的迅速枯竭和河川径流减少。土壤干旱和水文干旱对气象干旱的响应存在迟滞效应，然而目前对于土壤湿度和径流等陆表要素对气象干旱的响应过程和规律仍然缺乏充分认识，尤其是土壤干旱与水文干旱对气象干旱的迟滞响应时间及其差异性方面。王壬副教授指导的硕士生Msafiri Mtupili及其合作者，综合利用多时间尺度的标准化降水指数（SPI）、标准化土壤水分干旱指数（SSMDI）、标准化径流指数（SSI）和最大相关系数法等，量化揭示了东亚地区土壤干旱与水文干旱对气象干旱的滞后响应时间及其空间分异规律。相关研究成果发表在International Journal of Climatology，主要结论如下：
1. 土壤干旱和水文干旱对气象干旱的滞后响应时间
该研究首先基于多时间尺度的SPI、SSMDI和SSI干旱指数，采用最大相关系数和时间序列分析等统计方法，提出了量化和比较评估土壤干旱与水文干旱对气象滞后响应时间的方法框架。通过对东亚地区的土壤与水文干旱指数对气象干旱指数的滞后响应时间的量化分析发现，土壤湿度和水文干旱对气象干旱的响应存在不同的延迟，北西部地区的延迟最长可达8个月，而南部地区的响应更为快速，可达到1个月之内；尤其是水文干旱在所有时间尺度上与气象干旱呈现强相关性，且在不同区域表现出显著的延迟差异，南部地区延迟为1个月，而北西部地区的延迟可延长至10个月（图1和图2）。因此，短期气象干旱对土壤湿度干旱影响较弱，长期干旱对水文干旱有累积效应。
图1 东亚地区SSMDI对SPI的滞后响应时间（月）。（a-b）为短期（1-3个月）、（c-d）中期（6-9个月）和（e-f）长期（12-24个月）时间尺度下气象干旱发生与土壤水分干旱发生的滞后时间。
图2 东亚地区SSI对SPI的滞后响应时间（月）。图（a-b）表示短期（1-3个月）、（c-d）中期（6-9个月）和（e-f）长期（12-24个月）时间尺度下气象干旱发生和水文干旱发生之间的滞后时间。
2. 响应迅速的热点区域及其干旱概率变化分析
为评估干旱指数（SPI、SSMDI、SSI）的变异性特征，首先确定了土壤干旱、水文干旱与气象干旱显著相关的关键区域，A标记框中突出显示（图3）；进而对比了热点区域不同时间尺度下土壤和水文干旱频率和气象干旱频率的差异（图4和图5）。
图3 SPI与SSMD、SSI之间具有显著相关性（r > 0.7）的关键干旱区域。突出显示在A标记的框中；上图（A-F）标出SPI与SSMDI之间的显著相关区域；下图（i-vi）标出SPI与SSI之间的相关区域，分别为短期（1-3个月）、中期（6-9个月）和长期（12-24个月）时间尺度。
研究结果表明，南北地区干旱特征存在显著差异，南部地区的气象干旱（SPI）与土壤湿度（SSMDI）和水文干旱（SSI）具有较强的关联，特别是在较长时间尺度下（9-24个月）。干旱发生前的土壤水文供应以及下垫面植被差异等，可能是引起南北区域土壤和水文干旱对气象干旱响应时间存在显著差异的原因。
图4 东亚地区土壤湿度和气象干旱频率变异性分析。（a-d）SPI和SSMDI在短期（1-3个月）、（6-9个月）和长期尺度上的直方图；（i-vi）表示SPI和SMMD在短期（1-3个月）、中期（6-9）个月和长期尺度上的箱线图。
图5 东亚地区水文干旱和气象干旱频率变异性分析。（a-d）SPI和SSI在短期（1-3个月）、（6-9个月）和长期尺度上的直方图；（i-vi）表示SPI和SSI在短期（1-3个月）、中期（6-9）个月和长期尺度上的箱线图。
该研究提供了关于东亚地区气象、土壤湿度和水文干旱之间的时间和空间交互的理解，SPI与SSMDI以及SPI与SSI之间观察到的不同相关模式，凸显了土壤湿度和水文干旱对不同时间尺度降水赤字形成气象干旱的响应差异，强调了干旱传播速度的复杂性和区域差异性。
论文信息：
Mtupili, M., Wang, R., Gu, L., Yin, J. (2025). Delayed response of soil moisture and hydrological droughts to meteorological drought over East Asia. International Journal of Climatology, e8883. https://doi.org/10.1002/joc.8883