2004–2009年海北高寒濕地碳水熱通量觀測數據集
| 2004–2009年海北高寒濕地碳水熱通量觀測數據集 作者：張法偉 李紅琴 趙亮 張雷明 陳智 祝景彬 徐世曉 楊永勝 趙新全 於貴瑞 李英年 2020年6月30日 |
 張法偉, 李紅琴, 趙亮, 等. 2004–2009年海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站高寒濕地碳水熱通量觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-05-28). DOI: 10.11922/csdata.2020.0033.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：青藏高原被譽為「中華水塔」，高寒濕地是其水源涵養的重要載體，其碳水熱收支特徵及環境控制機制是評估濕地碳素固持和水源涵養等生態功能的關鍵。基於渦度相關技術，青海海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱海北站）自2004年至今一直開展高寒帕米爾苔草（Carexpamirensis ）濕地生態系統碳水熱通量的科學觀測。為了促進高寒濕地生態學發展和數據價值最大化，海北站擬公開發表高寒濕地連續觀測的碳水熱通量及相關常規氣象數據集，其中通量數據子集和常規氣象數據子集的時間範圍分別為2004–2009年和2004–2010年，具體包括淨生態系統CO2交換通量、生態系統CO2呼吸通量、總生態系統CO2交換通量、潛熱通量、顯熱通量、空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、總輻射、淨輻射、光合有效輻射和降水等觀測指標，數據集的時間尺度包含半小時、日、月和年，以期為區域生態功能評估和生態文明建設提供數據支撐和理論依據。
關鍵詞：碳水熱通量；帕米爾苔草；高寒濕地；渦度相關法；青藏高原
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: The Qinghai-Tibet Plateau is known as the 「Chinese Water Tower」, and alpine wetland is an important carrier for the Plateau water conservation. The budgets of carbon and water and the underlying mechanisms of environmental controls are essential for evaluating the ecological functions of carbon sequestration and water conservation in the alpine wetland. Based on the popular eddy covariance technique, the carbon, water, and heat fluxes of an alpine Carex pamirensis wetland ecosystem have been conducting since 2004 at the Haibei National Field Research Station for Alpine Grassland Ecosystem (i.e. Haibei Station). In order to promote the development of alpine ecology and maximize the value of data, we intend to publicly publish the carbon, water, and heat fluxes and related routine meteorological dataset of the alpine wetland. The flux and meteorological data durations range from 2004 to 2009 and from 2004 to 2010, respectively. The dataset include net ecosystem CO2 exchange, ecosystem CO2 respiration, total ecosystem CO2 exchange, latent heat flux, sensible heat flux, air temperature, air relative humidity, water vapor pressure, wind speed, wind direction, soil temperature, total radiation, net radiation, photosynthetically active radiation and precipitation at a half-hour, day, month and year scales, respectively. This dataset are expected to provide data support and theoretical foundation for regional ecological function assessment and ecological civilization construction.
Keywords: carbon, water, and heat fluxes; Carex pamirensis; alpine wetland; eddy covariance technique; Qinghai-Tibet Plateau
數據庫（集）基本信息簡介[編輯]
| 數據庫（集）名稱 | 2004–2009年海北高寒濕地碳水熱通量觀測數據集 |
| 數據通信作者 | 李英年（ynli@nwipb.cas.cn） |
| 數據生產者 | 觀測者：張法偉、李紅琴、趙亮、張雷明、陳智、祝景彬、徐世曉、楊永勝、趙新全、於貴瑞、李英年 負責人：李英年 |
| 數據時間範圍 | 通量數據子集：2004–2009年；常規氣象數據子集：2004–2010年。 |
| 地理區域 | 青海海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站，中國青海省門源縣 |
| 生態系統類型 | 高寒帕米爾苔草濕地 |
| 數據量 | 34 MB |
| 數據格式 | *.xlsx |
| 數據服務系統網址 | http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010 （暫不開放） |
| 基金項目 | 中國科學院戰略性先導科技專項（XDA19020302）；國家重點研發計劃（2017YFA0604801）；國家自然科學基金（41877547）；青海省科技基礎條件平台建設專項項目（2018-ZJ-T09）。 |
| 數據庫（集）組成 | 包括淨生態系統CO2交換通量、生態系統CO2呼吸通量、總生態系統CO2交換通量、潛熱通量和顯熱通量等碳水熱通量數據子集和空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、大氣壓、總輻射、淨輻射、光合有效輻射和降水等常規氣象數據子集，其中半小時通量數據為質控後插補的數據，數據集包含半小時、日、月和年等4種時間尺度。 |
Dataset Profile[編輯]
| Title | An observation dataset of carbon, water and heat fluxes of alpine wetland in Haibei (2004–2009) |
| Data corresponding author | Li Yingnian (ynli@nwipb.cas.cn) |
| Data producers | Observer: Zhang Fawei, Li Hongqin, Zhao Liang, Zhang Leiming, Chen Zhi, Zhu Jingbin, Xu Shixiao, Yang Yongsheng, Zhao Xinquan, Yu Guirui, Li Yingnian, Director: Li Yingnian |
| Time range | Flux data: 2004–2009; Meteorological data: 2004–2010. |
| Geographical scope | Haibei National Field Research Station for alpine grassland ecosystem, Menyuan county, Qinghai Province, China |
| Ecosystem type | Alpine Carex pamirensis wetland |
| Data amount | 34 MB |
| Data format | *.xlsx |
| Data service system | <http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02> <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010>(Not open yet) |
| Sources of funding | Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302); National Key R&D Program (2017YFA0604801); National Natural Science Foundation of China (41877547); Qinghai R&D Infrastructure and Facility Development Program (2018-ZJ-T09). |
| Dataset composition | The dataset include carbon, water and heat fluxes data subset (net ecosystem CO2 exchange, ecosystem CO2 respiration, gross ecosystem CO2 exchange, latent heat flux, and sensible heat flux) and routine meteorological data subset (air temperature, air relative humidity, water vapor, wind velocity, wind direction, soil temperature, total radiation, net radiation, photosynthetically active radiation, and precipitation), in which the half hour flux data are gap-filled. The dataset cover a half-hour, day, month, and year scales. |
引 言[編輯]
青藏高原是中國「青藏高原生態屏障」的空間載體，被譽為「中華水塔」。高寒濕地是青藏高原的重要植被類型[1]，面積約為13.3×106 hm2，在碳素固持、水源涵養及生物多樣性維護具有重要意義[2]。長期的科學觀測數據是認知高寒濕地碳、水、熱交換格局和內在生態過程及關鍵生態功能評估的基礎。渦度相關法是目前唯一能直接測定大氣與下界面的碳水熱通量的標準方法，被國內及國際通量觀測組織廣泛採用[3]。青海海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱海北站）是國內較早利用渦度相關技術開展碳水熱通量觀測的台站之一，自2000年陸續開展了高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸、高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌叢和高寒帕米爾苔草（Carex pamirensis）濕地的碳水熱通量觀測，積累了大量的原始觀測數據，填補了青藏高原通量觀測研究的空白，取得了豐碩的研究成果，為理解青藏高原高寒陸地生態系統碳水功能及區域可持續發展提供了翔實的數據支撐和重要貢獻[4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14]。
為了促進青藏高原生態系統碳水熱交換生態過程的科學認知及生態功能的精準評估，體現數據共享理念和挖掘數據潛在價值，海北站擬免費公開發表連續觀測的高寒濕地碳水熱通量及常規氣象數據。由於2010年高寒濕地渦度相關系統的快速紅外氣體分析儀工作異常時段較多，導致該年度的通量有效觀測數據比例偏低，尤其是淨生態系統CO2交換量和顯熱通量分別僅為8.2%和10.0%，數據可利用較低，海北站沒有共享該年度通量數據。因此碳水熱通量數據子集和常規氣象書數據子集的年份分別為2004–2009年和2004–2010年。本數據集包含碳水熱通量數據子集（淨生態系統CO2交換通量、生態系統CO2呼吸通量、總生態系統CO2交換通量、潛熱通量、顯熱通量）和常規氣象數據子集（空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、總輻射、光合有效輻射和降水等觀測指標），時間尺度包括半小時、日、月和年。
1 數據採集和處理方法[編輯]
1.1 數據來源[編輯]
海北站（37°37′N、101°19′E，3200 m）位於青海省海北州門源縣種馬場風匣口，多年平均氣溫和降水分別為−1.7℃和580 mm，站區為典型的高原大陸性氣候，暖季溫暖多雨而短暫，冷季寒冷乾燥而漫長。高寒濕地渦度相關觀測系統位於海北站東部約2 km的高寒帕米爾苔草濕地生態系統內（37°36′N、101°19′E，3200 m），始建於2003年10月，是中國通量網（ChinaFLUX）的首批通量觀測站點之一。渦度相關系統的觀測區地勢平坦，可以滿足通量觀測「風浪區」的要求。研究區植被生長茂盛，分布均勻，外貌整齊，平均總蓋度約98%，冠層高度為25–50 cm。植被種類組成較為貧乏，約有25種植物，多以寒冷濕生、多年生地下芽、具有發達通氣組織的草本植物莎草科、毛茛科為主。濕地中央以帕米爾苔草為建群種，邊緣為藏嵩草（K. tibetica）草甸為建群種。除建群種的優勢種為帕米爾苔草、藏嵩草，次優勢種有華扁穗草(Blysmus sinocompressus)，黑褐苔草(C. atrofusca)等。在邊緣地帶還有大量的星狀風毛菊(Saussurea stilla)、青藏苔草(C.moorcropt)、乳白香青（Anaphalis lectea）、假龍膽（Gentianella limprichtii）、天山報春（Primula nutans Georgi）和斑唇馬先蒿（Pedicularis longiflora Rudolph var）等[7]。土壤類型為有機寒凍潛育土(Organic Cryic Gleysols)。研究區為冬季牧場，放牧強度約為4.0羊單位·hm-2，放牧時間約為10月下旬至翌年5月上旬[6]。濕地平均最大地上生物量和群落葉面積指數分別為8月下旬的331.3 gm-2和7月下旬的3.9m2m[15]。
1.2 數據採集方法[編輯]
高寒濕地碳水熱通量數據集的數據全部為儀器自動觀測並存儲在相應數據採集器中，具體的觀測儀器及型號、儀器製造商及數據採集器等相關信息詳見表1。碳水熱通量原始數據的採樣頻率為10 Hz，計算並存儲其30 min的平均通量數據於CR5000中；常規氣象要素的採樣頻率為1 min，計算並存儲30 min的平均數據於CR23X中。
表1 海北高寒濕地的觀測項目所用分析儀相關信息
| 觀測系統 | 測定要素 | 儀器型號 | 儀器製造商 | 數據採集器 | 數據採集製造商 |
| CO2、H2O、顯熱通量 | 三維超聲風速儀 | CSAT3 | CAMPBELL | CR5000 | CAMPBELL |
| CO2/H2O快速紅外氣體分析儀 | LI-7500 | LI-COR | |||
| 常規氣象要素 | 空氣溫度/濕度 | HMP45C | VAISALA | CR23X | CAMPBELL |
| 降水量 | 52203 | RM YOUNG | |||
| 總輻射 | CM11 | KIPP&ZONEN | |||
| 淨輻射 | CNR-1 | KIPP&ZONEN | |||
| 光合有效輻射 | LI190SB | LI-COR | |||
| 風速 | 034A-L | RM YOUNG | |||
| 風向 | 014A | RM YOUNG | |||
| 壓力 | CS105 | VAISALA | |||
| 紅外溫度傳感器 | IRTS-P | POGEE | |||
| 土壤溫度 | 105T | CAMPBELL |
1.3 數據處理和數據產品加工方法[編輯]
為了保障數據質量及數據的可對比度，本數據集從數據觀測、數據採集、質量控制、處理方法等流程嚴格遵循ChinaFLUX制定的標準化的數據處理和質量控制技術體系[16][17]。具體內容如下：
數據質量控制： 碳水熱通量的數據質量控制主要包括原始數據異常值剔除、超聲虛溫校正、坐標軸二次旋轉、WPL密度校正、頻率損失校正、冠層儲存項校正、湍流穩態測試；半小時通量數據的質量控制包括夜間摩擦風速閾值篩選、異常值剔除和降水時刻數據剔除以及能量閉合評價。用單點密度估算的方法表明冠層存儲項通量分別約占CO2通量、H2O通量和顯熱通量的1.1%、0.09%和2.2%，因此本數據集的通量數據沒有必要進行儲存項校正。常規氣象數據的質量控制主要為閾值判別和異常值剔除。
缺失數據插補： 由於通量觀測儀器自身的穩定性和異常天氣的影響及其它不可控因素，野外觀測數據的缺失十分普遍，缺失數據的插補十分必要[18]。數據插補根據數據子集類別和缺失數據長短分別採用不同的方法進行插補。其中，短時間（小於2小時）缺失的通量和常規氣象數據，採用線性內插法進行插補；長時間缺失的氣象數據，基於海北站的自動氣象站同期的觀測資料（降水數據除外）進行插補；如未能完成插補，則利用平均日變化法完成相應數據的插補。
對於長時間缺失的水熱通量數據，採用水熱通量與淨輻射的線性回歸關係進行插補。對於長時間缺失的碳通量數據，採用有效通量數據和環境因子的非線性經驗方程進行擬合、插補。其中夜間缺失數據利用CO2通量有效數據與5 cm土壤溫度的Arrhenius方程插補。白天缺失數據分兩種情況進行插補，在植被生長季中利用CO2通量數據與光合有效輻射的直角雙曲線方程插補。在非生長季中，首先採用夜間CO2通量數據和5 cm土壤溫度的形成Arrhenius方程，然後結合缺失數據對應的土壤溫度完成白天通量的插補。碳水熱缺失通量數據的最小插補時間窗口為7天。
CO'2'通量數據拆分： 基於邊際分布採樣法的原理將觀測的淨生態系統CO2通量數據拆分為生態系統CO2呼吸通量和總生態系統CO2交換通量。首先，依據夜間CO2通量數據與土壤溫度擬合的Arrhenius方程估算白天的生態系統CO2呼吸通量（生態系統暗呼吸通量）；其次，利用插補完成的白天CO2通量數據和估算的同時刻白天生態系統CO2呼吸通量，求和得到總生態系統CO2交換通量（生態系統初級生產力）[16]。生態系統CO2呼吸通量為生態系統夜間呼吸通量和白天呼吸通量之和。
2 數據樣本描述[編輯]
2.1 數據子集與數據量[編輯]
本數據集為高寒濕地碳水熱通量觀測數據，分別為2004–2009年通量數據子集和2004–2010年常規氣象數據子集兩類數據文件，每類數據文件均有半小時、日、月和年等4個時間尺度。因此，高寒濕地碳水熱通量數據集內含52個文件，總數據量34 MB。
2.2 數據文件示例[編輯]
以2004年數據文件為例，表2、表3分別海北站高寒濕地碳水熱通量和常規氣象數據表頭說明，所有數據項觀測數據均以浮點型數字形式表示。
表2 海北站高寒濕地通量數據表說明
| 數據項 | 單位 | 數據項說明 |
| 年 | - | 年份 |
| 月 | - | 月份 |
| 日 | - | 日期 |
| 時 | - | 小時 |
| 分 | - | 分鐘 |
| NEE | mg CO2 m-2 s-1 | 插補後的淨生態系統CO2交換通量 |
| RE | mg CO2 m-2 s-1 | 插補後的生態系統CO2呼吸通量 |
| GEE | mg CO2 m-2 s-1 | 插補後的總生態系統CO2交換通量 |
| LE | W m-2 | 插補後的潛熱通量 |
| Hs | W m-2 | 插補後的顯熱通量 |
註：該表為30分鐘通量數據的數據表。日尺度數據表中無時、分等2列數據項，通量數據為30分鐘通量累計值，NEE、RE和GEE的單位為g C m-2 d-1, LE和Hs的單位為MW m-2；月尺度數據表中無日、時、分等3列數據項，通量數據為日通量累計值，NEE、RE和GEE的單位為g C m-2 month-1, LE和Hs的單位為MW m-2；年尺度數據表中沒有月、日、時、分等4列數據項，通量數據為月通量累計值，NEE、RE和GEE的單位為g C m-2 year-1, LE和Hs的單位為MW m-2。
表3 海北高寒濕地常規氣象數據表說明及指標觀測高度
| 數據項 | 數據單位 | 觀測高度 | 數據項說明 |
| 年 | - | - | 年份 |
| 月 | - | - | 月份 |
| 日 | - | - | 日期 |
| 時 | - | - | 小時 |
| 分 | - | - | 分鐘 |
| 秒 | - | - | 秒 |
| 近地面空氣溫度 | ℃ | 1.5 m | 一層平均空氣溫度 |
| 冠層上方空氣溫度 | ℃ | 2.5 m | 二層平均空氣溫度 |
| 近地面空氣濕度 | % | 1.5 m | 一層平均相對濕度 |
| 冠層上方空氣濕度 | % | 2.5 m | 二層平均相對濕度 |
| 近地面水汽壓 | kPa | 1.5 m | 一層平均水汽壓 |
| 冠層上方水汽壓 | kPa | 2.5 m | 二層平均水汽壓 |
| 近地面風速 | m s-1 | 1.5 m | 一層平均風速 |
| 冠層上方風速 | m s-1 | 2.5 m | 二層平均風速 |
| 風向 | degree | 2.5 m | 二層平均風向 |
| 大氣壓 | kPa | 1.5 m | 大氣壓強 |
| 太陽輻射 | W m-2 | 1.5 m | 太陽輻射 |
| 淨輻射 | W m-2 | 1.5 m | 淨輻射 |
| 光合有效輻射 | μmol m-2 s-1 | 1.5 m | 光合有效輻射 |
| 一層土壤溫度 | ℃ | −5 cm | 5 cm土壤溫度 |
| 二層土壤溫度 | ℃ | −10 cm | 10 cm土壤溫度 |
| 三層土壤溫度 | ℃ | −20 cm | 20 cm土壤溫度 |
| 四層土壤溫度 | ℃ | −40 cm | 40 cm土壤溫度 |
| 五層土壤溫度 | ℃ | −60 cm | 60 cm土壤溫度 |
| 降水量 | mm | 50 cm | 總降水量 |
註：日尺度數據表中無時、分、秒等3列數據項，月尺度數據表中無日、時、分、秒等4列數據項，年尺度數據表中沒有月、日、時、分、秒等5列數據項。
3 數據質量控制和評估[編輯]
2004–2009年，經過30分鐘數據質量控制和異常值剔除後，高寒濕地數據集淨生態系統CO2交換量、潛熱通量、顯熱通量的平均有效觀測數據比例分別為42.4%、52.7%和55.0%，其中淨生態系統CO2交換通量有效觀測數據比例的最低年份和最高年份分別為2007年的34.1%和2004年的48.3%，兩者之差為14.2%，而潛熱通量和顯熱通量有效觀測數據比例的最低年份與最高年份分別為2009年的44.2%和47.8%與2008年的63.9%和67.4%，兩者相差約為10%（表4）。
表4 海北高寒濕地半小時碳水熱通量的有效觀測數據比例
| 年份 | 淨生態系統CO'2'交換量 | 潛熱通量 | 顯熱通量 |
| 2004 | 48.9% | 56.7% | 58.5% |
| 2005 | 40.3% | 47.5% | 48.5% |
| 2006 | 46.6% | 59.2% | 60.0% |
| 2007 | 34.1% | 44.5% | 47.8% |
| 2008 | 46.8% | 63.9% | 67.4% |
| 2009 | 37.8% | 44.2% | 47.8% |
4 數據使用方法和建議[編輯]
本數據集在國家科技資源共享服務平台的國家生態科學數據中心（http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02）发布。用户登录系统后，在数据资源栏搜索“海北站湿地”，即可下载半小时、日、月和年等时间尺度的碳水热通量及常规气象数据。本数据集可以用于高寒湿地碳水收支评价和相关过程模型开发、验证及对比等研究。另外，需要说明的是由于异常值剔除标准和插值方法及计算平台等因素的差异，会对碳水热通量计算结果产生较大影响[18]，本數據集可能和相關研究人員的計算結果並不完全相同[6][9][11]，因此相關研究人員在數據集使用和結果認知上需要謹慎。
致 謝[編輯]
感謝瓦金龍長期以來在數據採集方面的貢獻。
參考文獻[編輯]
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數據引用格式[編輯]
張法偉, 李紅琴, 趙亮, 等. 2004–2009年海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站高寒濕地碳水熱通量觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-06). DOI: 10.11922/sciencedb.1010.
