2004–2010年當雄高寒草甸碳水通量觀測數據集

2004–2010年當雄高寒草甸碳水通量觀測數據集
作者：柴曦　何永濤　石培禮　張憲洲　牛犇　張雷明　陳智
2020年7月1日

本作品收錄於《中國科學數據》

柴曦, 何永, 石培禮, 等. 2004–2010年中國科學院當雄高寒草甸研究站碳水通量觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-05-28). DOI: 10.11922/csdata.2020.0026.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：青藏高原地理環境獨特，為研究高海拔、高寒生態系統碳水循環提供了良好的實驗平台。但由於自然條件的限制，青藏高原腹地碳水通量的研究還比較欠缺，迫切需要對其進行長期的數據監測及整理。本數據集為高寒草原化草甸生態系統2004–2010年通量觀測數據，數據採集地位於青藏高原腹地的中國科學院當雄高寒草甸研究站（簡稱當雄站），基於ChinaFLUX數據處理體系形成了標準化的生態系統碳水通量和關鍵氣象要素數據集。本數據集對準確評價青藏高原高寒草甸生態系統碳水通量在區域和全球碳水循環中的地位和作用具有重要意義。

關鍵詞：渦度相關；青藏高原；高寒草甸；碳水通量；氣象觀測

Abstract & Keywords

Abstract: The unique geographical environment of Tibetan Plateau provides a good experimental platform to study carbon and water cycle in high altitudes and alpine ecosystems. However, due to the limitations of biophysical conditions, the study of carbon and water fluxes in the hinterland of the Tibetan Plateau is still relatively lacking, and it is urgent to carry out long-term monitoring and data compilation. This dataset is the collection of ecosystem carbon and water fluxes from 2004 to 2010 in Damxung Alpine Meadow Research Station (i.e. Damxung station), Chinese Academy of Sciences, located in the hinterland of Tibetan Plateau. A standardized dataset of ecosystem carbon water fluxes and key meteorological elements were processed based on the data processing system of ChinaFLUX. This dataset has important significance for accurately evaluating the roles of carbon and water fluxes of alpine meadow ecosystem in the Tibetan Plateau for regional and global carbon and water cycle.

Keywords: eddy covariance; Tibetan Plateau;  alpine meadow; carbon water flux; meteorological observation

數據庫（集）基本信息簡介

數據集名稱	2004–2010年中國科學院當雄高寒草甸研究站碳水通量數據集
數據通信作者	石培禮（shipl@igsnrr.ac.cn）
數據生產者	觀測地點	觀測人員	負責人	所屬研究所
	西藏當雄	何永濤	石培禮	中科院地理科學與資源研究所
數據時間範圍	2004–2010年
地理區域	91°05′E, 30°51′N；海拔4333 m
數據量	35.9 MB
數據格式	.zip
數據服務	http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02（暂不开放）
基金項目	第66批中國博士後面上科學基金（2019M660778）
數據集組成	本數據共包括8個數據子集，分別為通量和氣象數據半小時、日值、月值、年值8個數據產品。其中，通量數據產品包括生態系統CO2 淨交換量（NEE）、生態系統CO2總交換量（GEE）、生態系統呼吸速率（RE）、生態系統潛熱通量（LE）、生態系統顯熱通量（Hs）；氣象數據包括空氣溫度，空氣相對濕度，水汽壓，風速，風向，大氣壓，太陽輻射，光合有效輻射，淨輻射，土壤溫度，土壤體積含水量，降水量等氣象要素。

Dataset Profile

Title	A observation dataset of carbon and water fluxes from 2004 to 2010 in Damxung alpine meadow research station, Chinese Academy of Sciences
Data corresponding author	Shi Peili (shipl@igsnrr.ac.cn)
Data authors	Shi Peili, He Yongtao
Time range	2004-2010
Geographical scope	91°05′E, 30°51′N, 4333m a.s.l
Data volume	35.9 MB
Data format	.zip
Data service system	http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02 (not open yet)
Source of funding	China Postdoctoral Science Foundation (2019M660778)
Dataset composition	The dataset consists of 8 subsets in total. It comprises 30min, daily, monthly and annual carbon fluxes data and meteorological data, totaling 56 data documents. The fluxes data include net exchange change of CO2 (NEE), Gross exchange change of CO2 (GEE), ecosystem respiration (RE), latent heat flux (LE), and sensible heat flux (Hs). The meteorological data include air temperature, air relative humidity, water vapor pressure, wind speed, wind direction, atmospheric pressure, solar radiation, photosynthetically active radiation, net radiation, soil temperature, soil volume water content, precipitation and other meteorological elements.

引 言

植被與大氣間CO2通量的長期觀測有利於確定生態系統「碳源/匯」的時空變化和分布特徵，理解生態系統碳循環過程和控制機理，以及正確評價生態系統碳收支對預測未來氣候變化的響應和適應。青藏高原特殊的地理環境為研究高海拔陸地生態系統碳循環提供了良好的實驗平台。高寒草甸是青藏高原最主要的植被類型，約占青藏高原總面積的35% ^[1]，是我國草地類型中碳儲量最高的生態系統^[2]，平均土壤碳儲量比相應深度的熱帶森林、灌叢和草地土壤的有機碳儲量高1–5倍^[3]。其微小的變化都會影響區域和全球氣候變化，對區域和全球的碳循環具有重要的作用。因此，長期持續觀測、準確的量化和理解高寒生態系統碳通量特徵是十分必要的。

中國科學院當雄高寒草甸研究站（簡稱當雄站），自2003年起，開始進行碳水通量觀測，至今已積累了大量的碳水通量觀測數據。本文對2004–2010年當雄站觀測CO2、H2O通量以及常規氣象數據進行系統的介紹，這將有助於推進本數據集的共享與使用，為區域乃至碳水通量和氣候變化研究提供堅實的數據基礎。

1 數據採集和處理方法

1.1 觀測樣地設置

通量站位於青藏高原腹地的中國科學院當雄高寒草甸研究站，當雄站地處念青唐古拉山南緣，地形屬於高原丘間盆地，地勢平坦，植被為高寒草原化草甸（以下簡稱為草甸）。站點的詳細信息見表1。

表1 當雄通量站的生物環境特徵

站點	當雄站
地點	西藏當雄縣
經緯度	91°05′E, 30°51′N,
海拔（m）	4333
生態系統類型	高寒草原化草甸
氣候類型	高原亞寒帶季風氣候，大陽輻射強，氣溫低，雨熱同期，乾濕分明，年蒸散量大，屬於乾旱與半乾旱地區
年均溫（℃）	1.3
最低平均溫度（℃）	−10.4
最高平均溫度（℃）	10.7
年降水量（mm）	477 mm，85%集中6–8月
植被結構	以絲穎針茅（Stipa capillacea）、窄葉苔草（Carex montis-everestii）和高山嵩草（Kobresia pygmaea）為優勢
植被蓋度	50%左右
土壤	高山草原土
生長季節	5月至10月初

1.2 觀測儀器

觀測設備組成 ：當雄站的渦度相關系統始建於2003年，通量觀測的主要儀器均為開路式渦度相關觀測系統和常規氣象觀測系統，數據的測定和採集均為自動化完成。各測定要素所採用主要儀器設備的傳感器和分析儀名稱、型號及製造商分列於表2。

表2 各測定要素所用關鍵設備的傳感器和分析儀及其製造商

觀測系統	測定要素	傳感器和分析儀	製造商	傳感器高度
常規氣象要素	空氣溫度	HMP45C	Vaisala Inc.	1.2 m、2.2 m
	空氣濕度	HMP45C	Vaisala Inc.	1.2 m、2.2 m
	總輻射	L1190SB	Licorice Inc.	1.2 m
	光合有效輻射	L1190SB	Licorice Inc.	1.2 m
	土壤溫度	熱電偶溫度傳感器107-L	Campbell Scientific Inc	−5、−10、−20、−40、−80 cm
	土壤濕度	利用時域反射計Model CS615-L	Campbell Scientific Inc.	−5、−20、−50 cm
	降雨量	Model 52203	RM Young Inc.	0.5 m
CO2和H2O通量	三維風速儀	CSAT3	Vector Inc.	2.2 m
	CO2、H2O密度	LI-7500	Licorice Inc.	2.2 m
	土壤熱通量	HFP01	Hukseflux Inc.	-5 cm
數據採集與通訊	常規氣象要素	CR23X	Campbell Scientific Inc.	2.2 m
	碳水通量要素	CR5000	Campbell Scientific Inc.	2.2 m

註：空氣溫濕度、土壤溫濕度，需要根據站點環境安裝不同高度的傳感器。

觀測設備的安裝： 根據當雄站下墊面情況和植被冠層高度，通量塔設置高度為2.2 m。在觀測塔上安裝不同要素的測定傳感器（表2），開展植被–大氣界面CO2、H2O和能量通量以及氣象要素在線、連續觀測。

觀測數據採集與傳輸： 本數據集中植被–大氣界面CO2、H2O和能量通量系統的原始測定頻率為10 Hz，利用數據採集器獲取和存儲高頻測定數據。常規氣象要素的測定記錄頻度為 30分鐘，由相應的數據採集器獲取和存儲數據。當雄站測定數據採用直接讀取數據採集器內的存儲卡的方式獲取，然後開展後續的質量控制、標準化處理和產品加工。

1.3 數據處理與插補

1.3.1 數據質量控制

由於各種天氣、電力及儀器故障等原因，渦度相關觀測系統採集到的原始數據會出現丟失或異常的現象，因此對原始數據進行預處理是必不可少的，這是控制數據質量、保證數據可靠性的重要前提。當雄站採用國際上普遍認可的渦度通量數據質量控制方法，主要包括原始數據分析^[4]、超聲虛溫校正^[5]、二次坐標軸旋轉^[6]、WPL校正^[7]、頻率損失校正^[8]、穩態測試與湍流積分特性^[9]、夜間摩擦風速閾值篩選^[10]、野點剔除^[11]，以及能量閉合評價^[12]。當雄站通量數據處理和控制技術體系流程圖見圖1。

圖片

圖1 當雄站數據處理和控制技術體系[14]

1.3.2 數據插補

數據處理過程中去掉雨時和夜晚太陽有效輻射（PAR）<1 μmol·m-2·s-1、摩擦風速（u* ）<0.15m·s-1時的數據。缺失數據通過CO2通量值與環境因子之間的非線性經驗公式進行插補。非生長季節全天和生長季節夜間數據根據與5cm土壤溫度（Ts）的指數方程進行擬合得到擬合係數，然後根據擬合係數和Ts對缺失數據進行插補。生長季節白天CO2通量採用Michaelis-Menten 模型對CO2淨交換量（NEE）與PAR進行擬合^[13]，然後根據擬合係數和PAR值對缺失的通量值進行插補。

1.3.3 CO2通量數據的拆分和統計

渦度相關系統無法直接測定生態系統CO2總交換量（GEE）和生態系統呼吸速率（RE），需利用公式進行外推得到。本系統基於30 min氣象和通量數據，利用光響應和呼吸模型分別計算GEE和RE。其中，對於生態系統的生長季，假設Re即為夜間的NEE，利用其與溫度的指數函數關係，得到呼吸模型中的參數，並將此參數推廣到白天，算得白天的呼吸值，最後利用白天的NEE和Re推算出白天的GEE；而對於非生長季，則認為該生態系統只有呼吸過程的碳排放而無光合碳吸收，即RE=-NEE。

在獲得完整的30 min數據後，將NEE、Re和GEE等累加求和，得到生態系統在日、月、年等不同時間尺度上的碳交換總量（gCm2）^[14]。

2 數據樣本描述

當雄站數據文件表頭示例見表3–4。

表3 當雄站不同時間尺度氣象觀測數據表頭

序號	數據項	數據類型	計量單位	數據項說明
1	年	數字	/	年份
2	月	數字	/	月份
3	日	數字	/	日期
4	時	數字	/	小時
5	分	數字	/	分鐘
6	近地面/冠層空氣溫度	數字	℃	地面上方1.2、2.2 m空氣溫度
7	近地面/冠層上方空氣濕度	數字	%	地面上方1.2、2.2 m空氣濕度
8	近地面/冠層上方水汽壓	數字	Kpa	地面上方1.2、2.2 m空氣水汽壓
9	近地面/冠層上方風速	數字	ms-1	地面上方1.2、2.2 m風速
10	風向	數字	Deg	風向平均值
11	大氣壓	數字	Kpa	大氣壓強平均值
12	太陽輻射	數字	Wm-2	太陽輻射平均值
13	淨輻射	數字	Wm-2	淨輻射平均值
14	光合有效輻射	數字	μmolm-2s-1	光合有效輻射平均值
15	土壤溫度	數字	℃	地表下5、10、20、30、50 cm的土壤溫度平均值分別代表地下一至五層土壤溫度
16	土壤體積含水量	數字	m3m-3	地表下5、10、20 cm的土壤體積含水量平均值分別代表地下一隻三層土壤體積含水量
17	降雨量	數字	mm	降水量累計值

氣象數據表頭說明：（1）近地面空氣溫度表示地面上方1.2 m空氣溫度，單位：℃；（2）冠層上方空氣溫度表示地面上方2.2 m空氣溫度，單位：℃；（3）近地面空氣濕度表示地表上方1.2 m空氣濕度，單位：%；（4）冠層上方2.2 m空氣濕度，單位：%；（5）近地面水氣壓表示地面上方1.2 m水氣壓，單位：Kpa；（6）冠層上方水氣壓是地面上方2.2 m水氣壓，單位：Kpa；（7）近地面風速表示地表1.2 m風速，單位：m/s；（8）冠層上方風速表示地表上方2.2m風速，單位：m/s；（9）風向表示地表上方2.2 m風向；（10）大氣壓表示地表上方2.2m大氣壓平均值，單位：Kpa；（11）太陽輻射表示地表上方2.2 m出太陽輻射平均值；（12）淨輻射表示地表上方2.2 m淨輻射平均值，單位Wm-2；（13）光合有效輻射表示地表上方2.2 m光合有效輻射平均值，單位：μmolm-2s-1；（14）一至五層土壤溫度分別是地表下5、10、20、30、50 cm層次的土壤溫度平均值，單位：℃；（15）一至五層土壤體積含水量分別是地表下5、10、20、30、50 cm層次的土壤體積含水量，單位：m3m-3；（16）降水量表示不同時間尺度（半小時、日、月、年）降水量累計值，單位：mm。其中剔除後的數據以「-99999」表示。

表4 當雄站不同時間尺度通量觀測數據表頭

時間尺度	數據項	數據類型	計量單位	數據項說明
半小時	年	數字	/	年份
	月	數字	/	月份
	日	數字	/	日期
	時	數字	/	小時
	分	數字	/	分鐘
	NEE	數字	mgCO2m-2s-1	經過質控和異常值提出後的CO2通量
	GEE	數字	mgCO2m-2s-1	經過質控和異常值提出後的CO2通量
	RE	數字	mgCO2m-2s-1	經過質控和異常值提出後的CO2通量
	LE	數字	W m-2	經過質控和異常值提出後的潛熱通量
	Hs	數字	W m-2	經過質控和異常值提出後的潛熱通量
日尺度	年	數字	/	年份
	月	數字	/	月份
	日	數字	/	日期
	NEE	數字	gCm-2d-1	每日NEE通量累計值
	GEE	數字	gCm-2d-1	每日GEE通量累計值
	RE	數字	gCm-2d-1	每日Re通量累計值
	LE	數字	MW m-2	每日LE通量累計值
	Hs	數字	MW m-2	每日Hs通量累計值
月尺度	年	數字	/	年份
	月	數字	/	月份
	NEE	數字	gCO2m-2mon-1	每月NEE通量累計值
	GEE	數字	gCO2m-2mon-1	每月GEE通量累計值
	RE	數字	gCO2m-2mon-1	每月Re通量累計值
	LE	數字	MW m-2	每月LE通量累計值
	Hs	數字	MW m-2	每月Hs通量累計值
年尺度	年	數字	/	年份
	NEE	數字	gCO2m-2a-1	每年NEE通量累計值
	GEE	數字	gCO2m-2a-1	每年GEE通量累計值
	RE	數字	gCO2m-2a-1	每年Re通量累計值
	LE	數字	MW m-2	每年LE通量累計值
	Hs	數字	MW m-2	每年Hs通量累計值

半小時尺度通量數據表頭說明：（1）半小時尺度NEE、GEE、Re表示經過質控和異常值剔除後的CO2通量，單位：mgCO2m-2s-1；（2）半小時尺度LE和Hs表示經過質控和異常值剔除後的潛熱通量和顯熱通量，單位：W m-2。

日尺度通量數據表頭說明：（1）日尺度NEE、GEE、Re分別表示每日NEE、GEE、Re累計值，單位：gCm-2d-1；（2）日尺度LE和Hs表示每日潛熱通量和顯熱通量累計值，單位：MW m-2。

月尺度通量數據表頭說明：（1）月尺度NEE、GEE、Re分別是每月NEE、GEE、Re累計值，單位：gCm-2mon-1；（2）月尺度LE和Hs表示每月潛熱通量和顯熱通量累計值，單位：MW m-2。

年尺度通量數據表頭說明：（1）年尺度NEE、GEE、Re分別是每年NEE、GEE、Re累計值，單位：gCO2m-2a-1；（2）月尺度LE和Hs表示每年潛熱通量和顯熱通量累計值，單位：MW m-2。

3 數據質量控制與評估

當雄站CO2通量2004–2009年日數據能力閉合分析表明，6個年份的能量平衡比率為0.64–0.89，平均為0.80。能量閉合方程的理想狀況為斜率為1，截距為0，但能量不閉合現象已經是草地和森林等通量觀測中普遍存在的問題，其不閉合程度通常在10%–30%，所以當雄站也處於通量觀測台站能量平衡比率變化範圍之內。造成能量不完全閉合的原因可能有：（1）空間取樣誤差；（2）忽略了相關能量項的誤差；（3）儀器系統誤差；（4）平流效應的誤差等。

在半小時尺度上，當雄不同台站年份CO2通量、潛熱通量和顯熱通量的有效觀數據比例分別為86.5%±6.8%、86.0%±6.8%和86.6%±6.8%（表5）。數據缺失的原因可以分為兩類，一類是個性原因，主要為供電故障、儀器故障和干擾（如設備維護、雷擊等）；另一類是共性原因，主要是數據質量控制中出現的數據缺失，包括異常數據剔除、夜間通量數據篩選等，特別是夜間數據的質控和篩選是引起有效觀測數據降低的主要因素。

表5 當雄站半小時尺度上通量數據有效數據比例（%）

年份	CO'2'通量	潛熱通量	顯熱通量
2004	81.93	80.00	81.95
2005	92.95	91.40	93.00
2006	90.00	90.00	90.00
2007	93.72	93.90	93.90
2008	74.44	74.66	74.46
2009	87.83	87.76	87.91
2010	84.67	84.66	84.68

4 數據使用方法和建議

本數據集收錄了當雄站高寒草原化草甸生態系統碳水通量數據和常規氣象數據，適用於氣候變化和高寒生態系統碳水循環研究。

本數據集由CERN綜合研究中心和ChinaFLUX綜合研究中心提供數據共享資源，用戶可登錄數據資源服務網站（http://www.cnern.org.cn），在首页打开碳氮水通量数据集进入相应的数据浏览、在线申请页面。也可登录http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02访问数据集信息。（编者注：暂不开放数据集）

致 謝

感謝當雄野外台站老師們對儀器和數據的維護，感謝現場維護人員、數據管理人員以及台站負責人對觀測系統運行與數據質量控制的辛苦付出。

參考文獻

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數據引用格式

石培禮, 何永濤. 2004–2010年中國科學院當雄高寒草甸研究站碳水通量觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-04-29). DOI: （暫無）.