半干旱草地微气候时空变异的大气稳定性驱动机制及其生态水文效应

本研究通过高密度传感器网络揭示了半干旱草地微气候(Tair、RH、VPD)的时空变异特征，首次证实大气稳定性(Richardson数)是驱动近地表层(2m)温度差异达15°C、湿度差超50%的关键因素，发现稳定逆温条件下近地面递减率(10°C km-1)显著高于自由大气标准值(6.5°C km-1)，为改进生态水文模型提供了动态气象学依据。

　　

在气候变化加剧的背景下，微气候作为生物地球化学循环的关键调节因子，其形成机制却长期被简化为静态地形特征的产物。传统认知忽略了动态气象条件对微气候时空变异的影响，特别是在地形复杂度低的半干旱草地系统，这种认知缺陷直接导致生态水文模型存在显著偏差。美国科罗拉多州的研究人员通过为期三年的野外观测实验，首次揭示了大气稳定性对微气候变异的调控机制，相关成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》。

研究团队在0.56 km²的草地流域布设了空气温度(T_air)和相对湿度(RH)传感器网络，结合理查森数(Richardson number)量化大气稳定性，同步监测风速、太阳辐射等气象参数。通过对比近地表(2m)与自由大气的温度梯度，结合生长度日(GDD)和潜在蒸散发(PET)等生物物理指标的计算，系统解析了微气候变异的时空格局及其生态效应。

Field climate summary and within-field variability in RH and T_air

数据显示流域内T_air的15分钟波动幅度超15°C，RH差异达50%，水汽压亏缺(VPD)变化超1 kPa。最高与最低点平均温差0.29°C，对应的近地表递减率(10°C km^-1)显著高于自由大气标准值(6.5°C km^-1)。

Within-field variability in microclimate changes over time

研究发现微气候变异与大气稳定性呈显著相关：稳定/逆温条件下，机械湍流和对流混合减弱导致变异加剧；而不稳定条件促进大气混合，变异减小。这种动态变化使GDD和PET等生物物理指标的年内变异超过7%。

Conclusions

研究提出五个重要发现：(1)大气稳定性是微气候变异的主控因子；(2)逆温条件下近地表递减率异常；(3)微气候变异与温度均值呈负相关，预示变暖可能减少低复杂度区域的微气候效应；(4)粗分辨率气候产品无法捕捉田间尺度变异；(5)动态气象参数应纳入微气候模型。该研究为改进生态预测模型提供了新视角，特别对理解半干旱草地碳循环、物种分布格局及农业精准管理具有重要价值。