2003–2010年海北高寒灌丛碳水热通量观测数据集
| 2003–2010年海北高寒灌丛碳水热通量观测数据集 作者：张法伟 李红琴 赵亮 张雷明 陈智 祝景彬 徐世晓 杨永胜 赵新全 于贵瑞 李英年 2020年5月22日 |
 张法伟, 李红琴, 赵亮, 等. 2003–2010年海北高寒灌丛碳水热通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2020-05-20). DOI: 10.11922/csdata.2020.0034.zh. |
摘要&关键词
[编辑]摘要：青藏高原是全球气候变化的热点区域和敏感区域，高寒灌丛是重要植被类型，其碳水热循环的时空格局及生态过程是科学认知青藏高原生态功能的关键之一。青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站（简称海北站）自2003年利用涡度相关技术开展高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌丛生态系统碳水热交换的科学观测，已经连续积累了17年的通量数据。为了推动青藏高原乃至全球高寒生态系统碳水热格局等相关研究的发展，海北站拟公开发表2003–2010年高寒灌丛相关常规气象数据及碳水热通量。本数据集包含空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、土壤温度、土壤水分、总辐射、净辐射、光合有效辐射和降水的常规气象数据子集和净生态系统CO2交换通量、生态系统CO2呼吸通量、总生态系统CO2交换通量、潜热通量、显热通量的碳水热通量数据子集，形成了半小时、日、月和年尺度数据产品，可为高寒灌丛生态系统碳水热时空动态的科学认知、遥感反演、模型验证提供地面观测数据支撑。
关键词：涡度相关法；碳水热通量；高寒灌丛；金露梅；青藏高原
Abstract & Keywords
[编辑]Abstract: The Qinghai-Tibetan Plateau is a hotspot and sensitive area of global climate change. Alpine shrubland is an important vegetation type, and the spatial-temporal pattern and ecological process of its carbon, water and heat fluxes is one of the most important keys to understand the ecological functions of the Plateau. Haibei National Field Research Station for Alpine Grassland (Haibei Station) is a field station of ChinaFLUX and the eddy covariance technique has been applied to monitor the carbon, water and heat fluxes over an alpine Potentilla fruticosa shrubland for 17 years since 2003. In order to promote the development of carbon, water, and heat fluxes and other related researches in the Qinghai-Tibet Plateau and even in the global alpine ecosystems, we plan to publicly publish the continuously observed carbon, water, and heat fluxes and related routine meteorological data of an alpine shrubland from 2003 to 2010. This dataset includes routine meteorological data subset (air temperature, air relative humidity, water vapor pressure, wind speed, wind direction, soil temperature, soil moisture, total radiation, net radiation, photosynthetic active radiation, and precipitation) and carbon, water and heat fluxes data subset (net ecosystem CO2 exchange flux, ecosystem CO2 respiration, gross ecosystem CO2 exchange flux, latent heat flux, sensible heat flux) at the half-hour, day, month, and year scales. This dataset provides data supporting of surface observation for scientific cognition, remote sensing retrieval, and model validation in exploring spatial-temporal patterns of carbon, water, and heat exchanges in alpine shrubland ecosystems.
Keywords: eddy covariance technique; carbon, water and heat fluxes; alpine shrubland; Potentilla fruticosa; Qinghai-Tibetan Plateau
数据库（集）基本信息简介
[编辑]| 数据库名称 | 2003–2010年海北高寒灌丛碳水热通量观测数据集 |
| 数据通信作者 | 李英年（ynli@nwipb.cas.cn） |
| 数据生产者 | 观测者：张法伟、李红琴、赵亮、张雷明、陈智、祝景彬、徐世晓、杨永胜、赵新全、于贵瑞、李英年 负责人：李英年 |
| 数据时间范围 | 2003–2010年 |
| 地理区域 | 青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站（37°37′N，101°19′E） |
| 生态系统类型 | 高寒金露梅灌丛 |
| 数据量 | 36 MB |
| 数据格式 | *.xlsx |
| 数据服务系统网址 | http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1007 （暂不开放） |
| 基金项目 | 中国科学院战略性先导科技专项（XDA19020302）；国家重点研发计划（2017YFA0604801）；国家自然科学基金（41877547）；青海省科技基础条件平台建设专项项目（2018-ZJ-T09）。 |
| 数据库组成 | 分为半小时、日尺度、月尺度和年尺度的常规气象（空气温度、相对湿度、水汽压、风速、风向、大气压、土壤温度、土壤水分、总辐射、净辐射、光合有效辐射和降水等）和碳水热通量（净生态系统CO2交换通量、生态系统CO2呼吸通量、总生态系统CO2交换通量、潜热通量、显热通量）数据产品表格，其中半小时通量数据为质控后的插补数据。 |
Dataset Profile
[编辑]| Title | An observation dataset of carbon, water and heat fluxes over alpine shrubland in Haibei (2003–2010) |
| Correspondence | 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 | 2003–2010 |
| Study site | Haibei National Field Research Station for alpine grassland ecosystem, Menyuan county, Qinghai Province, China (37°37′N, 101°19′E) |
| Ecosystem type | Alpine Potentilla fruticosa Shrubland |
| Data amount | 36 MB |
| Data format | *.xlsx |
| Data service system | <http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02> <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1007> (Not open yet) |
| Source 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 routine meteorological data (air temperature, relative humidity, water vapor, wind velocity, wind direction, atmosphere pressure, soil temperature, soil moisture, total radiation, net radiation, photosynthetic active radiation, and precipitation) and carbon, water and heat fluxes data (net ecosystem CO2 exchange flux, ecosystem CO2 respiration, gross ecosystem CO2 exchange flux, latent heat flux and sensible heat flux) at the half-hour, day, month, and year scales, in which the half hour flux data are gap-filled. |
引 言
[编辑]青藏高原是全球气候变化的启动器和敏感区[1]，准确识别其碳、水、热交换对气候变化的响应方式和适应机理是冰冻圈生物地球化学循环的核心研究内容之一[2]，而长期连续的观测积累则是理解其内在生态过程的关键[3][4]。青藏高原气候严酷，加之交通不便，相关研究只是零星开展，且缺乏长期有效的观测数据，极大限制了冰冻圈生态学理论发展和其生态功能现状及演化的科学认知。涡度相关技术是对大气与下界面间的通量进行非破坏性测定的一种微气象观测技术，通过计算物理量脉动与垂直风速脉动的协方差来求算湍流通量，是目前唯一能直接测定大气与群落间碳水热通量的标准方法，得到国内外的广泛认可，已成为国际通量观测网络的主要技术手段[5][6]。
青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站（海北站）是国内最早开展通量观测的野外台站之一，早在2000年就和日本国立环境研究所应用涡度相关技术联合开展了高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸碳水热通量的观测研究[7]。随后在中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”的资助下，海北站于2002年在高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌丛生态系统开展碳水热通量的连续观测[8]，截止2020年，已经积累了连续17年的原始观测数据，取得了许多原创性的结果[9][10][11][12][13][14][15]，极大的推动了高寒碳水热循环的研究，为科学评估青藏高原生态功能提供了翔实的数据支撑和理论依据。
为了推动青藏高原乃至全球高寒陆地生态系统物质循环和能量交换等相关研究的发展，海北站拟免费公开发表多年连续观测的碳水热通量及相关常规气象数据，以供更多科研工作者开展研究，充分体现数据的价值和共享的理念。本数据集包含2003–2010年高寒灌丛的常规气象指标（空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、土壤温度、土壤水分、总辐射、光合有效辐射和降水）和碳水热通量指标（净生态系统CO2交换通量、生态系统CO2呼吸通量、总生态系统CO2交换通量、潜热通量、显热通量），形成了半小时、日、月和年等4种时间尺度的数据产品。
1 数据采集和处理方法
[编辑]1.1 数据来源
[编辑]高寒灌丛涡度相关观测系统（37°40′N，101°20′E，3400 m）位于海北站北部约8 km的高寒金露梅灌丛生态系统内，是中国通量网（ChinaFLUX）的首批野外观测系统成员之一。海北站（37°37′N，101°19′E，3200 m）位于青海省海北州门源县种马场风匣口。站区为典型的高原大陆性气候，无明显四季之分，暖季多雨而短暂，冷季干燥而漫长。该站年均气温和降水分别为–1.7℃和580 mm[16]。土壤为高寒草甸土，表层有机质含量高但速效养分低。
金露梅灌丛涡度相关系统建于2002年8月，碳水热通量的观测高度为2.5 m。研究区的植被群落由灌木和草本镶嵌组成。上层金露梅灌丛高度和盖度约为50 cm和60%。下层草本植物高约10 cm，相对盖度约为80%，优势种包括异针茅（Stipa aliena）、藏异燕麦（Helictotrichon tibeticum）、垂穗披碱草（Elymus nutans）、柔软紫菀（Aster flaccidus）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、矮火绒草（Leontopodium nanum）等。土壤为高山灌丛草甸土，归为暗沃寒冻雏形土（Mollic Gryic Cambisols）。研究区为冬季牧场，放牧强度约为3.7羊单位 hm-2，放牧时间约为10月上旬至翌年5月下旬[9][10]。研究区最大平均地上生物量（草本和灌丛当年新生枝、叶）和群落叶面积指数分别为309.7 g m-2和2.5 m2m[17]。
1.2 数据采集方法
[编辑]本数据集中包含的观测数据均是仪器自动观测采集的，测定所用仪器型号、仪器制造商及数据采集器等相关信息详见表1。空气温湿、辐射要素、土壤水热等常规气象要素的采样频率1 min，计算并存储30 min的平均数据；CO2/H2O快速红外气体分析仪及三维超声风速仪的原始数据采样频率为10 Hz，计算并存储30 min的平均通量数据。
表1 海北站高寒灌丛观测项目所用仪器的相关信息表
| 观测系统 | 测定要素 | 仪器型号 | 仪器制造商 | 数据采集器 | 数据采集制造商 |
| 常规气象要素 | 空气温度/湿度 | HMP45C | VAISALA | CR23X | CAMPBELL |
| 降水量 | 52203 | RM YOUNG | |||
| 总辐射 | CM11 | KIPP&ZONEN | |||
| 净辐射 | CNR-1 | KIPP&ZONEN | |||
| 光合有效辐射 | LI190SB | LI-COR | |||
| 风速 | 034A-L | RM YOUNG | |||
| 风向 | 014A | RM YOUNG | |||
| 压力 | CS105 | VAISALA | |||
| 红外温度传感器 | IRTS-P | POGEE | |||
| 土壤温度 | 105T | CAMPBELL | |||
| 土壤水分 | CS616 | CAMPBELL | |||
| CO2、H2O、显热通量 | 三维超声风速仪 | CSAT3 | CAMPBELL | CR5000 | CAMPBELL |
| CO2/H2O快速红外气体分析仪 | LI-7500 | LI-COR |
1.3 数据处理和产品加工方法
[编辑]为了保障海北站高寒灌丛通量数据与中国通量网其它站点通量数据的可比性，本数据集从数据观测、采集、质控、处理等流程严格遵循ChinaFLUX制定的标准化质量控制和数据处理技术体系[18][19]。数据处理主要包括数据质量控制、缺失数据插补、CO2通量数据拆分等流程，具体如下：
数据质量控制： 采用国际上普遍认可的涡度相关通量数据的质量控制方法[20]，主要包括原始数据异常值剔除、超声虚温校正、坐标轴二次旋转、WPL密度校正、频率损失校正、湍流稳态测试、夜间摩擦风速阈值筛选和通量异常值剔除，以及能量闭合评价。由于高寒灌丛冠层高度较低，采用单点密度变化的估算方法发现冠层存储项分别约占CO2通量、H2O通量和显热通量的2.2%、0.08%和0.22%，因此本数据集的通量数据没有进行储存项校正。
缺失气象数据插补： 短时间（小于2小时）缺失的观测数据，采用线性内插法进行插补；长时间缺失的数据，利用海北站自动气象站的观测资料（土壤湿度和降水数据除外）进行插补；如未能完成插补，则利用平均日变化法完成数据插补。
缺失通量数据插补： 对于短时间（小于2小时）缺失的通量数据，也采用线性内插法进行插补；对于长时间缺失的潜热和显热通量数据，采用水热通量与净辐射的线性回归方程进行拟合、插补，最小插补时间窗口为7天。对于长时间缺失的CO2通量数据，首先利用有效通量数据和环境因子的非线性回归关系构建方程，然后利用该方程和缺失通量数据对应的环境因子完成数据插补。其中夜间缺失数据利用CO2通量与5 cm土壤温度的Arrhenius方程插补。白天缺失数据分两种时段进行插补，在植被生长季中利用CO2通量与光合有效辐射的直角双曲线方程，结合缺失数据对应的光合有效辐射完成白天缺失数据的插补；在非生长季中则采用夜间CO2通量与5 cm土壤温度拟合的Arrhenius方程，结合缺失数据对应的5 cm土壤温度完成白天缺失数据的插补，最小插补时间窗口为7天。
CO'2'通量数据拆分： 利用边际分布采样法的原理，将净生态系统CO2通量数据拆分为生态系统CO2呼吸通量和总生态系统CO2交换通量。先利用夜间有效CO2通量数据与5 cm土壤温度拟合的Arrhenius方程估算白天的生态系统CO2呼吸通量（生态系统暗呼吸通量），再利用白天CO2通量数据和估算的同时刻生态系统CO2呼吸通量，求和得到总生态系统CO2交换通量（生态系统初级生产力）[18]。
2 数据样本描述
[编辑]2.1 数据子集与数据量
[编辑]本数据集为2003–2010年海北站高寒灌丛的连续碳水热通量观测数据，分为常规气象数据子集和通量数据子集两类数据文件。每类文件每年均有4个时间尺度，包括30分钟、日、月和年尺度，数据集内共计64个文件，总数据量36 MB。
2.2 数据文件示例
[编辑]以2003年数据文件为例，表2、表3分别为该年常规气象和碳水热通量（30分钟、日、月、年）数据表头说明，所有数据项观测数据均以浮点型数字形式表示。
表2 海北站高寒灌丛的常规气象数据表说明及观测高度
| 数据项 | 数据单位 | 观测高度 | 数据项说明 |
| 年 | - | - | 年份 |
| 月 | - | - | 月份 |
| 日 | - | - | 日期 |
| 时 | - | - | 小时 |
| 分 | - | - | 分钟 |
| 秒 | - | - | 秒 |
| 近地面空气温度 | ℃ | 1.5 m | 一层平均空气温度 |
| 冠层上方空气温度 | ℃ | 2.5 m | 二层平均空气温度 |
| 近地面空气湿度 | % | 1.5 m | 一层平均相对湿度 |
| 冠层上方空气湿度 | % | 2.5 m | 二层平均相对湿度 |
| 近地面水汽压 | kPa | 1.5 m | 一层平均水汽压 |
| 冠层上方水汽压 | kPa | 2.5 m | 二层平均水汽压 |
| 近地面风速 | m s-1 | 1.5 m | 一层平均风速 |
| 冠层上方风速 | m s-1 | 2.5 m | 二层平均风速 |
| 风向 | degree | 2.5 m | 二层平均风向 |
| 大气压 | kPa | 1.5 m | 大气压强 |
| 太阳辐射 | W m-2 | 1.5 m | 太阳辐射 |
| 净辐射 | W m-2 | 1.5 m | 净辐射 |
| 光合有效辐射 | μmol m-2 s-1 | 1.5 m | 一层光合有效辐射 |
| 一层土壤温度 | ℃ | −5 cm | 5 cm土壤温度 |
| 二层土壤温度 | ℃ | −10 cm | 10 cm土壤温度 |
| 三层土壤温度 | ℃ | −20 cm | 20 cm土壤温度 |
| 四层土壤温度 | ℃ | −40 cm | 40 cm土壤温度 |
| 五层土壤温度 | ℃ | −60 cm | 60 cm土壤温度 |
| 一层土壤体积含水量 | m3 m-3 | −10 cm | 10 cm土壤水分 |
| 二层土壤体积含水量 | m3 m-3 | −20 cm | 20 cm土壤水分 |
| 三层土壤体积含水量 | m3 m-3 | −50 cm | 50 cm土壤水分 |
| 降水量 | mm | 50 cm | 总降水量 |
注：日尺度数据表中无时、分、秒等3列数据项，月尺度数据表中无日、时、分、秒等4列数据项，年尺度数据表中没有月、日、时、分、秒等5列数据项。
表3 海北站高寒灌丛的通量数据表说明
| 数据项 | 数据单位 | 数据项说明 |
| 年 | - | 年份 |
| 月 | - | 月份 |
| 日 | - | 日期 |
| 时 | - | 小时 |
| 分 | - | 分钟 |
| NEE | mg CO2 m-2 s-1 | 插补后的净生态系统CO2交换量 |
| RE | mg CO2 m-2 s-1 | 插补后的生态系统CO2呼吸量 |
| GEE | mg CO2 m-2 s-1 | 插补后的总生态系统CO2交换量 |
| LE | W m-2 | 插补后的潜热通量 |
| Hs | W m-2 | 插补后的显热通量 |
注：该表为30分钟通量数据的数据表。日尺度数据表中无时、分等2列数据项，通量数据为30分钟通量累计值，NEE、RE和GEE的单位为g C m-2 d-1, LE和Hs的单位为MW m-2；月尺度数据表中无日、时、分等3列数据项，通量数据为日通量累计值，NEE、RE和GEE的单位为g C m-2 month-1, LE和Hs的单位为MW m-2；年尺度数据表中没有月、日、时、分等4列数据项，通量数据为月通量累计值，NEE、RE和GEE的单位为g C m-2 year-1, LE和Hs的单位为MW m-2。
3 数据质量控制与评估
[编辑]海北站高寒灌丛通量数据的谱分析结果表明，三维风速、CO2、H2O和温度的功率谱在惯性子区内基本符合–2/3定律，而CO2、H2O和温度与垂直风速的谐谱在惯性子区内业基本符合–4/3定律，能量闭合分析表明能量平衡比率平均为0.76[9]。经过质量控制和异常值剔除后，在半小时尺度上，高寒灌丛2003–2010年碳水热通量数据集中的净生态系统CO2交换通量、潜热通量和显热通量的平均有效观测数据比例分别为42.1%、58.1%和59.6%，其中净生态系统CO2交换通量有效观测数据比例最低和最高的年份分别为2010年的38.1%和2004年的48.3%，两者之差为10.2%，而潜热通量和显热通量有效观测数据比例最低与最高的年份分别为2006年的52.2%和53.7%与2004年的68.1%和70.3%，两者相差约为15%（表4）。
表4 高寒灌丛半小时碳水热通量有效观测数据比例
| 年份 | 净生态系统CO'2'交换量 | 潜热通量 | 显热通量 |
| 2003 | 46.0% | 61.9% | 63.8% |
| 2004 | 48.3% | 68.1% | 70.3% |
| 2005 | 39.8% | 58.1% | 59.3% |
| 2006 | 38.7% | 52.2% | 53.7% |
| 2007 | 45.4% | 59.7% | 61.3% |
| 2008 | 42.5% | 53.0% | 54.3% |
| 2009 | 38.4% | 54.4% | 56.4% |
| 2010 | 38.1% | 57.0% | 57.9% |
4 数据使用方法和建议
[编辑]本数据集在国家科技资源共享服务平台的国家生态科学数据中心（http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02）发布。用户登录系统后，在数据资源搜索“海北灌丛”，即可找到相应的数据文件进行数据下载。本数据集可以用以高寒灌丛碳水热生态过程及相关陆面模型开发、验证及对比等分析研究。同时，需要说明的是由于插值方法不同导致碳水热通量计算结果存在差异，和相关研究人员的计算结果并不完全相同[10][12]，即使年际尺度上通量计算结果相似，也可能在日、月尺度上存在一定的不同，数据使用者需要在研究结果的认知中慎重。
致 谢
[编辑]感谢瓦金龙长期以来在数据采集方面的贡献。
参考文献
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数据引用格式
[编辑]张法伟, 李红琴, 赵亮, 等. 2003–2010年海北高寒灌丛碳水热通量观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-20). DOI: 10.11922/sciencedb.1007.
