昼夜温湿度滞后效应对气候变化下大气干旱的影响机制研究

本研究针对气候变化背景下大气干旱指标VPD（Vapor Pressure Deficit）的昼夜动态变化机制，创新性地揭示了温度（T）与相对湿度（RH）的昼夜滞后效应（diurnal T/RH hysteresis）对VPD峰值时间及生态系统胁迫的调控作用。通过整合观测数据、高分辨率再分析资料和模型模拟，发现水域及山地区域因滞后效应导致VPD峰值提前，而全球变暖将削弱该效应并加剧VPD上升趋势。研究成果为气候模型中T/RH相互作用的精细化表征提供了理论依据，对预测陆地-大气反馈及区域水循环具有重要科学意义。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，大气干旱已成为威胁生态系统和水资源安全的关键因素。作为大气干旱的核心指标，蒸汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit, VPD）直接反映了大气对水分的“渴求”程度，其动态变化深刻影响着植物蒸腾、碳吸收等生态过程。然而，传统研究多假设温度（T）与相对湿度（RH）呈简单的反向同步变化，忽略了二者在昼夜尺度上可能存在的滞后效应（diurnal T/RH hysteresis）。这种认知空白使得气候模型对VPD的预测存在偏差，尤其在云森林、海岸带等生态敏感区，可能低估了全球变暖对生态系统的潜在冲击。

为破解这一难题，研究人员以台湾山地云森林（TW-CLM）和非云森林（TW-LHC）为起点，通过多线性回归方法量化了T与RH的相位滞后时间（t_φ）。令人惊讶的是，TW-CLM站点表现出长达7小时的滞后效应，而TW-LHC仅0.3小时。这种差异源于山地-谷风驱动的非本地水汽输送，使得早晨比湿（Q）快速上升，抵消了温度升高对RH的抑制作用。随后，研究团队将视野拓展至全球，利用HadISD气象站、FLUXNET2015通量塔和ERA5-Land再分析数据，绘制出首张全球昼夜T/RH滞后效应分布图。结果显示，仅1.46%的观测站点存在显著滞后效应，但这些区域集中分布于安第斯山脉、新几内亚高地、喜马拉雅等海拔800-3600米的山地，以及五大湖等水域周边——这些区域恰是生物多样性热点和雾依赖生态系统的核心区。

关键方法
研究整合了多源数据与模型：1）基于4244个HadISD气象站和184个通量塔的观测数据，采用多线性回归计算相位滞后时间t_φ；2）利用ERA5-Land再分析数据（1951-2020）进行全球时空格局解析；3）通过社区陆面模型CLM5模拟伪全球增温（PGW）情景下滞后效应的演变趋势。

当前昼夜T/RH滞后效应分布
山地和水域是滞后效应的“热点区域”。在ERA5-Land数据中，安第斯山脉的滞后强度可达4小时，而相邻非滞后区仅0.5小时。这种空间异质性源于山地特有的水汽输送机制——早晨比湿增速是平原区的2倍，形成“温度升、湿度反增”的反常现象。

昼夜特征对比
滞后效应显著改变了VPD的昼夜节律。以喜马拉雅地区为例，滞后区VPD峰值出现在上午10-12时，比非滞后区提前2小时。这种“时间错配”使日均VPD估算误差从6%降至2%，揭示了传统日均数据在生态敏感性评估中的系统性偏差。

全球变暖的影响
PGW模拟显示，当全球升温1.5K时，安第斯山脉的滞后效应区域萎缩30%；升温3.0K时，滞后强度>2小时的区域完全消失。这种衰减直接导致VPD低估偏差增加2-4%/K，意味着当前气候模型可能低估了未来山地生态系统的干旱风险。

讨论与意义
这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次系统揭示了昼夜T/RH滞后效应对大气干旱的调控机制。其科学价值体现在三方面：首先，挑战了气候模型中T/RH同步变化的传统假设，指出山地-水域系统需要独立参数化方案；其次，发现滞后效应通过改变VPD峰值时间影响植物气孔导度（stomatal conductance），为“午间碳吸收高峰”现象提供了新解释；最后，预警全球变暖可能通过削弱滞后效应，加速云森林等脆弱生态系统的水分胁迫。未来研究需结合水同位素示踪等技术，量化非本地水汽对滞后效应的贡献，以提升对山地水文循环的预测能力。