中國典型生態系統生態站2001–2015年≥10℃積溫數據集
| 中國典型生態系統生態站2001–2015年≥10℃積溫數據集 作者：蘇文 2019年3月28日 |
 蘇文. 中國典型生態系統生態站2001–2015年≥10℃積溫數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(1). (2018-12-04). DOI: 10.11922/csdata.2018.0065.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：熱量資源是自然區域和自然帶劃分的重要依據，是農業生產的重要自然資源，通常以溫度高低和積溫多少來表徵。10℃是喜溫植物適宜生長的起始溫度，也是喜涼作物迅速生長、多年生作物開始以較快速度積累乾物質的溫度。農業生產及科研部門以≥10℃積溫及其相應的持續日數來衡量一個地區的農業氣候生產潛力，並作為引種和耕作制度改革的重要依據。利用中國生態系統研究網絡（CERN）生態站逐日平均氣溫數據，採用5日滑動平均法建立了典型生態系統生態站2001–2015年≥10℃積溫數據集，包含了農田、森林、草地、荒漠、沼澤、湖泊和海灣等中國主要生態系統35個生態站2001–2015年≥10℃的活動積溫、有效積溫和持續日數，為開展全國或區域積溫變化的趨勢和規律研究提供了數據支撐。
關鍵詞：生態系統；≥10℃積溫；生態站；熱量資源
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: Thermal resources provide an important basis for the division of natural areas or belts, and are also an important natural resource for agricultural production. They are usually characterized by temperature and accumulated temperature. The study adopts 10°C as a threshold because this is the threshold temperature for the growth of thermophilic plants, a temperature at which chimonophilous crops grow rapidly and perennial crops accelerate its accumulation of dry matter. Agricultural departments and institutions often use the ≥10℃ accumulated temperature and its corresponding duration to measure the agro-climatic production potential of a region, which importantly guides the introduction and cultivation system reform. Based on the average daily temperature automatically observed by the Chinese Ecosystem Research Network (CERN), we used the 5-day moving average method to build a dataset of ≥10℃ accumulated temperature at field stations of typical Chinese ecosystems from 2001 to 2015. The dataset records the ≥10℃accumulated temperature, effective accumulated temperature and duration at 35 field stations of CERN that covers China’s major ecosystems of, for example, agriculture, forest, grassland, desert, wetland, lake and bay, which is expected to support research on accumulated temperature changes regionally or nationwide.
Keywords: ecosystem; ≥10℃ accumulated temperature; field station; thermal resources
數據庫（集）基本信息簡介[編輯]
| 數據庫（集）名稱 | 中國典型生態系統生態站2001–2015年≥10℃積溫數據集 |
| 數據作者 | 蘇文 |
| 數據通信作者 | 蘇文（suw@igsnrr.ac.cn） |
| 數據時間範圍 | 2001–2015年 |
| 地理區域 | 中國生態系統研究網絡（CERN）35個生態站，包括：海倫站、瀋陽站、欒城站、安塞站、禹城站、長武站、封丘站、常熟站、鹽亭站、拉薩站、桃源站、鷹潭站、千煙洲站、長白山站、北京森林站、茂縣站、貢嘎山站、會同站、鼎湖山站、鶴山站、哀牢山站、西雙版納站、內蒙古站、海北站、阜康站、奈曼站、鄂爾多斯站、臨澤站、策勒站、沙坡頭站、三江站、太湖站、東湖站、大亞灣站、膠州灣站 |
| 數據量 | 497條記錄 |
| 數據格式 | *.xlsx |
| 數據服務系統網址 | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/664 |
| 基金項目 | 國家重點研發計劃（2017YFC0503803），中國科學院科學服務網絡計劃（STS計劃，KFJ-SW-STS-168）。 |
| 數據庫（集）組成 | 數據文件由2個表單組成，「積溫數據」表單存放35個生態站2001–2015年的≥10℃積溫相關數據，共有497條記錄；「生態站信息」表單存放35個生態站的基礎背景信息。 |
Dataset Profile[編輯]
| Title | A dataset of ≥10℃ accumulated temperature at field stations of typical Chinese ecosystems from 2001 to 2015 |
| Data corresponding author | Su Wen (suw@igsnrr.ac.cn) |
| Data author(s) | Su Wen |
| Time range | 2001 – 2015 |
| Geographical scope | 35 field stations of the Chinese Ecosystem Research Network (CERN), including stations of Hailun, Shenyang, Luancheng, Ansai, Yucheng, Changwu, Fengqiu, Changshu, Yanting, Lasa, Taoyuan, Yingtan, Qianyanzhou, Changbaishan, Beijing, Maoxian, Gonggashan, Huitong, Dinghushan, Heshan, Ailaoshan, Xishuangbanna, Inner Mongolia, Haibei, Fukang, Naiman, Ordos, Linze, Cele, Shapotou, Sanjiang, Taihu, Donghu, Dayawan, Jiaozhouwan. |
| Data volume | 497 records |
| Data format | .xlsx |
| Data service system | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/664 |
| Sources of funding | National Key R&D Program of China (2017YFC0503803); Science and Technology Service Network Initiative of the Chinese Academy of Sciences (STS Plan, KFJ-SW-STS-168). |
| Dataset composition | The dataset consists of an Excel file which is composed of two sheets. The 「Accumulated Temperature Data」 sheet stores the accumulated temperature data of the 35 field stations from 2001 to 2015, with a total of 497 records; The 「Information of field stations」 sheet stores the basic background information of the 35 stations. |
引 言[編輯]
熱量資源是自然區域和自然帶劃分的重要依據，是農業生產的重要自然資源，通常以溫度高低和積溫多少來表徵。某一時段內逐日平均氣溫累積之和稱為積溫。在農業生產實踐中，積溫的應用很廣泛，是開展農業氣候區劃、農作物種植合理配置、作物物候期預報、病蟲害預測等方面工作的重要依據，對該地區農業發展具有重要意義[1][2][3][4]。在全球氣候變暖背景下，越來越多的學者選取積溫為主要熱量指標，開展全國或區域農業熱量資源的時空分布及其變化特徵、熱量資源變化對農業生產的影響等方面的研究[5][6][7][8][9][10][2][4]。
生態系統是地球系統中最為活躍、與人類活動最為密切的生物圈的核心。中國生態系統研究網絡（CERN）於1988年由中國科學院組建，目前有44個生態站、5個學科分中心和1個綜合研究中心組成。生態站涵蓋了農田、森林、草地、荒漠、湖泊、海灣、沼澤、喀斯特和城市9類生態系統，分布在我國的主要氣候地帶和經濟類型區域[11]。CERN的主要任務之一是按照統一規範對我國典型生態系統的主要環境因子和生物群落及其基本生態過程進行長期觀測。自1998年以來，CERN的每個生態站按照統一的監測指標體系和操作規範，針對其代表性生態系統，按規定的時間頻度和監測範圍，對水分、土壤、大氣、生物等4個學科大類的近300個項目進行觀測和分析[12]。各生態站在能夠反映本站較大範圍氣象要素特點的地方設置氣象觀測場，獲取地面氣象數據[13]。
目前有關積溫的數據產品主要是氣象部門地面氣象站的積溫數據或是以氣象站積溫數據為基礎生成的積溫空間分布數據集。積溫與其他資源的區別在於存在很大的地域差異和時間變化[14]。CERN生態站的氣象觀測數據不僅反映了站點的氣象狀況，還能夠代表周圍一定範圍的平均氣象狀況[15]，因此，利用CERN生態站逐日平均氣溫數據建立長時間序列的生態站積溫數據集，不僅反映我國典型生態系統生態站積溫的時空變化，在一定程度上也是氣象部門站點積溫數據的重要補充。
1 數據採集和處理方法[編輯]
自動觀測是生態觀測研究的主要手段，生態站主要採用自動氣象站對氣象要素進行長期、連續觀測。通過儀器獲得的原始數據經過CERN大氣分中心組織開發的數據處理軟件處理後，生成規範化的報表，每年定期報送到大氣分中心。分中心對數據進行審核，將達到規範要求的數據提交綜合中心，綜合中心將數據加載到CERN綜合數據庫並對外發布共享。2005年生態站新增常規氣象要素的人工觀測，數據同樣定期報送、審核、發布。
根據生態站已有數據狀況，確定以時間序列較長的自動觀測氣溫數據作為基礎數據，以人工觀測數據與中國氣象局氣象站數據為輔助數據，構建生態站積溫數據集，具體構建過程見圖1。
圖1 積溫數據集構建流程圖
1.1 數據收集[編輯]
CERN氣溫的自動觀測儀器為芬蘭Vaisala公司生產的HMP45D溫濕度傳感器。該傳感器是目前我國氣象部門地面氣象觀測網內自動氣象站統一使用的測量氣溫和相對濕度的傳感器[16]。原始觀測數據每整點小時存儲在數據採集器的日文件中，再通過數據處理軟件計算氣溫日、月平均值與合計值[15][13]。
多數生態站的氣溫數據從1998年開始，考慮到觀測初期數據質量參差不齊，確定2001年為起始年，2015年為終止年，構建2001–2015年15年積溫數據集。選取具有10年以上觀測數據的35個生態站（見表1）逐日平均自動觀測氣溫數據作為基礎數據，數據來自CERN綜合中心數據資源服務網站（http://www.cnern.org.cn）的生态系统长期监测数据库。2005–2015年的人工观测气温数据同样来自此网站。邻近中国气象局气象站的日气温数据来自国家气象信息中心，时间段为2001–2004年。
1.2 異常數據剔除[編輯]
基礎數據每年經過大氣分中心的質量控制，包括對數據進行物理極值檢查、歷史極值檢查、內部一致性檢查、時間一致性檢查等[15]，已經剔除了明顯的錯誤數據。為了儘量使所有錯誤和極可疑的數據得以糾正，重點圍繞長時間序列、多站點比較等方面開展了數據質量檢查（具體內容見第三章），對檢查出來的錯誤數據進行剔除。
1.3 數據插補[編輯]
由於儀器故障、人為因素、質量控制等原因，各個生態站氣溫觀測數據都存在缺失的情況，從而造成日氣溫時間序列的不完整。為了保證積溫數據的完整性和連續性，需要對缺失的氣溫數據進行插補，以得到完整的數據序列。
通過建立生態站氣溫數據與數據完整性好的相關氣溫序列的回歸方程，來完成基礎氣溫數據的插補。2005–2015年將生態站人工觀測日氣溫作為參考數據，2001–2004年以鄰近的中國氣象局氣象站日氣溫作為參考數據，建立生態站已有日氣溫數據與參考數據序列的一元線性回歸方程，利用參考數據將生態站缺失的數據補齊。所有插補方程擬合程度較高，2001–2004年R2均大於0.96，2005–2015年R2均為0.98以上，且全部通過顯著性檢驗。各生態站的數據插補率見表1。
表1 生態站基本信息及數據插補率
| 生態站名稱 | 生態站代碼 | 生態類型 | 氣象觀測場位置 | 數據插補率（%） | |||
| 經度（°） | 緯度（°） | 海拔（m） | 2001–2004年 | 2005–2015年 | |||
| 海倫站 | HLA | 農田 | 126.93 | 47.45 | 234 | 10.95 | 1.92 |
| 瀋陽站 | SYA | 農田 | 123.37 | 41.52 | 42 | 37.17 | 4.63 |
| 欒城站 | LCA | 農田 | 114.69 | 37.89 | 50.1 | 23.07 | 18.67 |
| 安塞站 | ASA | 農田 | 109.33 | 36.86 | 1033 | 31.55 | 4.21 |
| 禹城站 | YCA | 農田 | 116.57 | 36.83 | 22 | 2.74 | 5.20 |
| 長武站 | CWA | 農田 | 110.68 | 35.24 | 1220 | 4.93 | 4.16 |
| 封丘站 | FQA | 農田 | 114.55 | 35.02 | 67.5 | 9.86 | 4.63 |
| 常熟站 | CSA | 農田 | 120.70 | 31.55 | 3.1 | 7.12 | 1.57 |
| 鹽亭站 | YGA | 農田 | 105.46 | 31.27 | 420 | 1.23 | 5.08 |
| 拉薩站 | LSA | 農田 | 91.34 | 29.68 | 3688 | 4.63 | |
| 桃源站 | TYA | 農田 | 111.44 | 28.93 | 106 | 17.11 | 1.67 |
| 鷹潭站 | YTA | 農田 | 116.93 | 28.21 | 45 | 19.99 | 3.31 |
| 千煙洲站 | QYA | 農田 | 115.06 | 26.75 | 53.5 | 1.37 | 1.00 |
| 長白山站 | CBF | 森林 | 128.10 | 42.35 | 738 | 7.94 | 2.99 |
| 北京森林站 | BJF | 森林 | 115.43 | 39.97 | 1248 | 24.98 | 5.00 |
| 茂縣站 | MXF | 森林 | 103.90 | 31.70 | 1891 | 2.54 | |
| 貢嘎山站 | GGF | 森林 | 102.00 | 29.58 | 3000 | 3.35 | 8.66 |
| 會同站 | HTF | 森林 | 109.61 | 26.85 | 557 | 10.13 | 6.67 |
| 鼎湖山站 | DHF | 森林 | 112.55 | 23.16 | 100 | 33.47 | 2.36 |
| 鶴山站 | HSF | 森林 | 112.90 | 22.68 | 75 | 13.62 | 3.24 |
| 哀牢山站 | ALF | 森林 | 101.03 | 24.54 | 2489 | 1.72 | |
| 西雙版納站 | BNF | 森林 | 101.26 | 21.93 | 565 | 0.55 | 1.54 |
| 內蒙古站 | NMG | 草地 | 116.71 | 43.64 | 1187 | 13.69 | 5.80 |
| 海北站 | HBG | 草地 | 101.31 | 37.61 | 3200 | 22.45 | 4.80 |
| 阜康站 | FKD | 荒漠 | 87.93 | 44.30 | 475 | 18.14 | 7.64 |
| 奈曼站 | NMD | 荒漠 | 120.70 | 42.93 | 358 | 14.99 | 4.28 |
| 鄂爾多斯站 | ESD | 荒漠 | 110.19 | 39.49 | 1300 | 9.36 | |
| 臨澤站 | LZD | 荒漠 | 110.13 | 39.35 | 1384 | 1.05 | |
| 策勒站 | CLD | 荒漠 | 80.43 | 37.01 | 1303 | 3.41 | |
| 沙坡頭站 | SPD | 荒漠 | 105.01 | 37.47 | 1340 | 15.33 | 5.92 |
| 三江站 | SJM | 沼澤 | 133.50 | 47.59 | 55 | 12.73 | 2.94 |
| 太湖站 | THL | 湖泊 | 120.22 | 31.42 | 10 | 20.74 | 0.77 |
| 東湖站 | DHL | 湖泊 | 114.35 | 30.55 | 21 | 0.57 | |
| 大亞灣站 | DYB | 海灣 | 114.91 | 22.99 | 40 | 2.33 | 1.24 |
| 膠州灣站 | JZB | 海灣 | 120.27 | 36.05 | 15 | 13.07 | 15.48 |
註：數據插補率缺失處表示此時間段無數據，無需插補。
1.4 積溫計算[編輯]
在農業生產中常用的積溫有活動積溫和有效積溫兩種。大於等於生物學下限溫度的日平均氣溫值稱為活動溫度；在一定時期內活動溫度的總和為活動積溫。活動溫度與生物學下限溫度之差，稱作有效溫度；在一定時期內有效溫度的總和，即為有效積溫[17]。
10℃是喜溫植物適宜生長的起始溫度，也是喜涼作物迅速生長、多年生作物開始以較快速度積累乾物質的溫度。農業生產及科研部門以≥10℃積溫及其相應的持續日數來衡量一個地區的農業氣候生產潛力，並作為引種和耕作制度改革的重要依據[18][8][2]。因此，本數據集將計算積溫的界限溫度定為10℃，採用5日滑動平均法計算日平均氣溫穩定≥10℃的活動積溫、有效積溫和持續日數。具體計算方法如下：
（1）確定日平均氣溫穩定≥10℃的起止日期
在一年中，選擇5日滑動平均值≥10℃的最長一段時期，在此時期內的第一個5日中，挑選第一個日平均氣溫≥10℃的日期，作為日平均氣溫穩定≥10℃的起始日；在最後一個5日中，挑選最後一個日平均氣溫≥10℃溫度的日期作為終止日[19][17]。
（2）編制計算機程序，計算積溫和持續日數
計算起始日至終止日期間≥10℃的日平均氣溫總和，得到穩定≥10℃的活動積溫，即：
| \({T}_{a}=\sum _{i=1}^{n}{T}_{i}\) | （1） |
式中，Ta 為活動積溫（℃）；Ti 為日平均氣溫（℃），當Ti ＜10℃時，Ti =0；n為計算時段的天數。
計算起始日至終止日期間日平均氣溫與10℃之差的總和，得到穩定≥10℃的有效積溫，即：
| \({T}_{e}=\sum _{i=1}^{n}({T}_{i}-10)\) | （2） |
式中，Te 為有效積溫（℃）；Ti 為日平均氣溫（℃），當Ti ＜10℃時，按Ti =10計；n為計算時段天數。
累加起始日至終止日期之間的天數，得到日平均氣溫穩定≥10℃的持續日數。
2 數據樣本描述[編輯]
本數據集的數據存儲於Excel文件的2個數據表單中，「積溫數據」表單存放35個生態站2001–2015年的≥10℃積溫相關數據，共有497條記錄；「生態站信息」表單存放35個生態站的基礎背景信息。這2個數據表單所包含的具體字段名稱、類型及示例見表2和表3。
表2 積溫數據表內容
| 序號 | 字段名稱 | 量綱 | 數據類型 | 示例 |
| 1 | 生態站代碼 | 字符型 | ASA | |
| 2 | 年份 | 數字型 | 2001 | |
| 3 | 活動積溫 | ℃ | 數字型 | 3110.1 |
| 4 | 有效積溫 | ℃ | 數字型 | 1530.1 |
| 5 | 起始日期 | 字符型 | 2001-4-27 | |
| 6 | 終止日期 | 字符型 | 2001-10-6 | |
| 7 | 持續日數 | 日 | 數字型 | 163 |
表3 生態站信息表內容
| 序號 | 字段名稱 | 量綱 | 數據類型 | 示例 |
| 1 | 生態站名稱 | 字符型 | 安塞站 | |
| 2 | 生態站代碼 | 字符型 | ASA | |
| 3 | 所在地點 | 字符型 | 陝西省延安市安塞縣墩灘 | |
| 4 | 生態類型 | 字符型 | 農田 | |
| 5 | 氣象觀測場經度 | ° | 數字型 | 109.33 |
| 6 | 氣象觀測場緯度 | ° | 數字型 | 36.86 |
| 7 | 氣象觀測場海拔高度 | m | 數字型 | 1033 |
| 8 | 區域代表性簡述 | 字符型 | 位於黃土高原中部典型黃土丘陵溝壑水土流失嚴重區，在土壤類型上處於黃綿土與沙黃土交錯區；在氣候上處於暖溫帶半濕潤向半乾旱過渡區；植被類型處於暖溫帶落葉闊葉林向乾草原過渡的森林草原區，同時又是典型受人類活動影響的水土流失嚴重區。該區土地類型多樣，資源豐富，對於開展水土保持與生態環境建設科學研究和試驗示範具有典型代表性。 |
圖2展示了海倫站和鷹潭站2001–2015年穩定≥10℃的活動積溫、有效積溫的變化狀況。
圖2 海倫站和鷹潭站2001–2015年穩定≥10℃積溫變化
3 數據質量控制[編輯]
為了提高數據的準確性、真實性和可靠性，採用「夥伴檢驗」的方式對基礎數據進行了質量檢查，即將某站的氣象要素與氣候上相似的一個或多個鄰近站點的氣象要素相比較[20]。
2001–2004年氣溫數據的檢查是將生態站日氣溫與一個鄰近氣象站的日氣溫比較。為消除兩站數據之間的固有差距，採用比較兩站氣溫偏離本站的距平，將兩站距平差距超過2.5℃的數據視為錯誤數據[20]。
2005–2015年氣溫數據則採用人工觀測數據作為比較對象，將兩類數據距平差距超過2.5℃的數據視為可疑數據，再參考鄰近氣象站的同期觀測數據判斷是否為錯誤數據。
4 數據使用方法和建議[編輯]
本數據集匯集了35個生態站2001–2015年15年的≥10℃積溫數據，覆蓋了農田、森林、草地、荒漠、沼澤、湖泊和海灣等主要生態系統，為相關學者研究區域或全國≥10℃積溫的時空格局與變化特徵提供了新的數據源，輔以更全面地揭示熱量資源分配的格局、規劃與調整種植結構和作物布局、制定農業可持續發展規劃。
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數據引用格式[編輯]
蘇文. 中國典型生態系統生態站2001–2015年≥10℃積溫數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-10-15). DOI: 10.11922/sciencedb.664.
