2004–2010年当雄高寒草甸碳水通量观测数据集
| 2004–2010年当雄高寒草甸碳水通量观测数据集 作者：柴曦 何永涛 石培礼 张宪洲 牛犇 张雷明 陈智 2020年7月1日 |
 柴曦, 何永, 石培礼, 等. 2004–2010年中国科学院当雄高寒草甸研究站碳水通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2020-05-28). DOI: 10.11922/csdata.2020.0026.zh. |
摘要&关键词
[编辑]摘要：青藏高原地理环境独特，为研究高海拔、高寒生态系统碳水循环提供了良好的实验平台。但由于自然条件的限制，青藏高原腹地碳水通量的研究还比较欠缺，迫切需要对其进行长期的数据监测及整理。本数据集为高寒草原化草甸生态系统2004–2010年通量观测数据，数据采集地位于青藏高原腹地的中国科学院当雄高寒草甸研究站（简称当雄站），基于ChinaFLUX数据处理体系形成了标准化的生态系统碳水通量和关键气象要素数据集。本数据集对准确评价青藏高原高寒草甸生态系统碳水通量在区域和全球碳水循环中的地位和作用具有重要意义。
关键词：涡度相关；青藏高原；高寒草甸；碳水通量；气象观测
Abstract & Keywords
[编辑]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
数据库（集）基本信息简介
[编辑]| 数据集名称 | 2004–2010年中国科学院当雄高寒草甸研究站碳水通量数据集 | |||
| 数据通信作者 | 石培礼（shipl@igsnrr.ac.cn） | |||
| 数据生产者 | 观测地点 | 观测人员 | 负责人 | 所属研究所 |
| 西藏当雄 | 何永涛 | 石培礼 | 中科院地理科学与资源研究所 | |
| 数据时间范围 | 2004–2010年 | |||
| 地理区域 | 91°05′E, 30°51′N；海拔4333 m | |||
| 数据量 | 35.9 MB | |||
| 数据格式 | .zip | |||
| 数据服务 | http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02（暂不开放） | |||
| 基金项目 | 第66批中国博士后面上科学基金（2019M660778） | |||
| 数据集组成 | 本数据共包括8个数据子集，分别为通量和气象数据半小时、日值、月值、年值8个数据产品。其中，通量数据产品包括生态系统CO2 净交换量（NEE）、生态系统CO2总交换量（GEE）、生态系统呼吸速率（RE）、生态系统潜热通量（LE）、生态系统显热通量（Hs）；气象数据包括空气温度，空气相对湿度，水汽压，风速，风向，大气压，太阳辐射，光合有效辐射，净辐射，土壤温度，土壤体积含水量，降水量等气象要素。 | |||
Dataset Profile
[编辑]| 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
[编辑]植被与大气间CO2通量的长期观测有利于确定生态系统“碳源/汇”的时空变化和分布特征，理解生态系统碳循环过程和控制机理，以及正确评价生态系统碳收支对预测未来气候变化的响应和适应。青藏高原特殊的地理环境为研究高海拔陆地生态系统碳循环提供了良好的实验平台。高寒草甸是青藏高原最主要的植被类型，约占青藏高原总面积的35% [1]，是我国草地类型中碳储量最高的生态系统[2]，平均土壤碳储量比相应深度的热带森林、灌丛和草地土壤的有机碳储量高1–5倍[3]。其微小的变化都会影响区域和全球气候变化，对区域和全球的碳循环具有重要的作用。因此，长期持续观测、准确的量化和理解高寒生态系统碳通量特征是十分必要的。
中国科学院当雄高寒草甸研究站（简称当雄站），自2003年起，开始进行碳水通量观测，至今已积累了大量的碳水通量观测数据。本文对2004–2010年当雄站观测CO2、H2O通量以及常规气象数据进行系统的介绍，这将有助于推进本数据集的共享与使用，为区域乃至碳水通量和气候变化研究提供坚实的数据基础。
1 数据采集和处理方法
[编辑]1.1 观测样地设置
[编辑]通量站位于青藏高原腹地的中国科学院当雄高寒草甸研究站，当雄站地处念青唐古拉山南缘，地形属于高原丘间盆地，地势平坦，植被为高寒草原化草甸（以下简称为草甸）。站点的详细信息见表1。
表1 当雄通量站的生物环境特征
| 站点 | 当雄站 |
| 地点 | 西藏当雄县 |
| 经纬度 | 91°05′E, 30°51′N, |
| 海拔（m） | 4333 |
| 生态系统类型 | 高寒草原化草甸 |
| 气候类型 | 高原亚寒带季风气候，大阳辐射强，气温低，雨热同期，干湿分明，年蒸散量大，属于干旱与半干旱地区 |
| 年均温（℃） | 1.3 |
| 最低平均温度（℃） | −10.4 |
| 最高平均温度（℃） | 10.7 |
| 年降水量（mm） | 477 mm，85%集中6–8月 |
| 植被结构 | 以丝颖针茅（Stipa capillacea）、窄叶苔草（Carex montis-everestii）和高山嵩草（Kobresia pygmaea）为优势 |
| 植被盖度 | 50%左右 |
| 土壤 | 高山草原土 |
| 生长季节 | 5月至10月初 |
1.2 观测仪器
[编辑]观测设备组成 ：当雄站的涡度相关系统始建于2003年，通量观测的主要仪器均为开路式涡度相关观测系统和常规气象观测系统，数据的测定和采集均为自动化完成。各测定要素所采用主要仪器设备的传感器和分析仪名称、型号及制造商分列于表2。
表2 各测定要素所用关键设备的传感器和分析仪及其制造商
| 观测系统 | 测定要素 | 传感器和分析仪 | 制造商 | 传感器高度 |
| 常规气象要素 | 空气温度 | HMP45C | Vaisala Inc. | 1.2 m、2.2 m |
| 空气湿度 | HMP45C | Vaisala Inc. | 1.2 m、2.2 m | |
| 总辐射 | L1190SB | Licorice Inc. | 1.2 m | |
| 光合有效辐射 | L1190SB | Licorice Inc. | 1.2 m | |
| 土壤温度 | 热电偶温度传感器107-L | Campbell Scientific Inc | −5、−10、−20、−40、−80 cm | |
| 土壤湿度 | 利用时域反射计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 | 三维风速仪 | CSAT3 | Vector Inc. | 2.2 m |
| CO2、H2O密度 | LI-7500 | Licorice Inc. | 2.2 m | |
| 土壤热通量 | HFP01 | Hukseflux Inc. | -5 cm | |
| 数据采集与通讯 | 常规气象要素 | CR23X | Campbell Scientific Inc. | 2.2 m |
| 碳水通量要素 | CR5000 | Campbell Scientific Inc. | 2.2 m |
注：空气温湿度、土壤温湿度，需要根据站点环境安装不同高度的传感器。
观测设备的安装： 根据当雄站下垫面情况和植被冠层高度，通量塔设置高度为2.2 m。在观测塔上安装不同要素的测定传感器（表2），开展植被–大气界面CO2、H2O和能量通量以及气象要素在线、连续观测。
观测数据采集与传输： 本数据集中植被–大气界面CO2、H2O和能量通量系统的原始测定频率为10 Hz，利用数据采集器获取和存储高频测定数据。常规气象要素的测定记录频度为 30分钟，由相应的数据采集器获取和存储数据。当雄站测定数据采用直接读取数据采集器内的存储卡的方式获取，然后开展后续的质量控制、标准化处理和产品加工。
1.3 数据处理与插补
[编辑]1.3.1 数据质量控制
[编辑]由于各种天气、电力及仪器故障等原因，涡度相关观测系统采集到的原始数据会出现丢失或异常的现象，因此对原始数据进行预处理是必不可少的，这是控制数据质量、保证数据可靠性的重要前提。当雄站采用国际上普遍认可的涡度通量数据质量控制方法，主要包括原始数据分析[4]、超声虚温校正[5]、二次坐标轴旋转[6]、WPL校正[7]、频率损失校正[8]、稳态测试与湍流积分特性[9]、夜间摩擦风速阈值筛选[10]、野点剔除[11]，以及能量闭合评价[12]。当雄站通量数据处理和控制技术体系流程图见图1。
图1 当雄站数据处理和控制技术体系[14]
1.3.2 数据插补
[编辑]数据处理过程中去掉雨时和夜晚太阳有效辐射（PAR）<1 μmol·m-2·s-1、摩擦风速（u* ）<0.15m·s-1时的数据。缺失数据通过CO2通量值与环境因子之间的非线性经验公式进行插补。非生长季节全天和生长季节夜间数据根据与5cm土壤温度（Ts）的指数方程进行拟合得到拟合系数，然后根据拟合系数和Ts对缺失数据进行插补。生长季节白天CO2通量采用Michaelis-Menten 模型对CO2净交换量（NEE）与PAR进行拟合[13]，然后根据拟合系数和PAR值对缺失的通量值进行插补。
1.3.3 CO2通量数据的拆分和统计
[编辑]涡度相关系统无法直接测定生态系统CO2总交换量（GEE）和生态系统呼吸速率（RE），需利用公式进行外推得到。本系统基于30 min气象和通量数据，利用光响应和呼吸模型分别计算GEE和RE。其中，对于生态系统的生长季，假设Re即为夜间的NEE，利用其与温度的指数函数关系，得到呼吸模型中的参数，并将此参数推广到白天，算得白天的呼吸值，最后利用白天的NEE和Re推算出白天的GEE；而对于非生长季，则认为该生态系统只有呼吸过程的碳排放而无光合碳吸收，即RE=-NEE。
在获得完整的30 min数据后，将NEE、Re和GEE等累加求和，得到生态系统在日、月、年等不同时间尺度上的碳交换总量（gCm2）[14]。
2 数据样本描述
[编辑]当雄站数据文件表头示例见表3–4。
表3 当雄站不同时间尺度气象观测数据表头
| 序号 | 数据项 | 数据类型 | 计量单位 | 数据项说明 |
| 1 | 年 | 数字 | / | 年份 |
| 2 | 月 | 数字 | / | 月份 |
| 3 | 日 | 数字 | / | 日期 |
| 4 | 时 | 数字 | / | 小时 |
| 5 | 分 | 数字 | / | 分钟 |
| 6 | 近地面/冠层空气温度 | 数字 | ℃ | 地面上方1.2、2.2 m空气温度 |
| 7 | 近地面/冠层上方空气湿度 | 数字 | % | 地面上方1.2、2.2 m空气湿度 |
| 8 | 近地面/冠层上方水汽压 | 数字 | Kpa | 地面上方1.2、2.2 m空气水汽压 |
| 9 | 近地面/冠层上方风速 | 数字 | ms-1 | 地面上方1.2、2.2 m风速 |
| 10 | 风向 | 数字 | Deg | 风向平均值 |
| 11 | 大气压 | 数字 | Kpa | 大气压强平均值 |
| 12 | 太阳辐射 | 数字 | Wm-2 | 太阳辐射平均值 |
| 13 | 净辐射 | 数字 | Wm-2 | 净辐射平均值 |
| 14 | 光合有效辐射 | 数字 | μmolm-2s-1 | 光合有效辐射平均值 |
| 15 | 土壤温度 | 数字 | ℃ | 地表下5、10、20、30、50 cm的土壤温度平均值分别代表地下一至五层土壤温度 |
| 16 | 土壤体积含水量 | 数字 | m3m-3 | 地表下5、10、20 cm的土壤体积含水量平均值分别代表地下一只三层土壤体积含水量 |
| 17 | 降雨量 | 数字 | mm | 降水量累计值 |
气象数据表头说明：（1）近地面空气温度表示地面上方1.2 m空气温度，单位：℃；（2）冠层上方空气温度表示地面上方2.2 m空气温度，单位：℃；（3）近地面空气湿度表示地表上方1.2 m空气湿度，单位：%；（4）冠层上方2.2 m空气湿度，单位：%；（5）近地面水气压表示地面上方1.2 m水气压，单位：Kpa；（6）冠层上方水气压是地面上方2.2 m水气压，单位：Kpa；（7）近地面风速表示地表1.2 m风速，单位：m/s；（8）冠层上方风速表示地表上方2.2m风速，单位：m/s；（9）风向表示地表上方2.2 m风向；（10）大气压表示地表上方2.2m大气压平均值，单位：Kpa；（11）太阳辐射表示地表上方2.2 m出太阳辐射平均值；（12）净辐射表示地表上方2.2 m净辐射平均值，单位Wm-2；（13）光合有效辐射表示地表上方2.2 m光合有效辐射平均值，单位：μmolm-2s-1；（14）一至五层土壤温度分别是地表下5、10、20、30、50 cm层次的土壤温度平均值，单位：℃；（15）一至五层土壤体积含水量分别是地表下5、10、20、30、50 cm层次的土壤体积含水量，单位：m3m-3；（16）降水量表示不同时间尺度（半小时、日、月、年）降水量累计值，单位：mm。其中剔除后的数据以“-99999”表示。
表4 当雄站不同时间尺度通量观测数据表头
| 时间尺度 | 数据项 | 数据类型 | 计量单位 | 数据项说明 |
| 半小时 | 年 | 数字 | / | 年份 |
| 月 | 数字 | / | 月份 | |
| 日 | 数字 | / | 日期 | |
| 时 | 数字 | / | 小时 | |
| 分 | 数字 | / | 分钟 | |
| NEE | 数字 | mgCO2m-2s-1 | 经过质控和异常值提出后的CO2通量 | |
| GEE | 数字 | mgCO2m-2s-1 | 经过质控和异常值提出后的CO2通量 | |
| RE | 数字 | mgCO2m-2s-1 | 经过质控和异常值提出后的CO2通量 | |
| LE | 数字 | W m-2 | 经过质控和异常值提出后的潜热通量 | |
| Hs | 数字 | W m-2 | 经过质控和异常值提出后的潜热通量 | |
| 日尺度 | 年 | 数字 | / | 年份 |
| 月 | 数字 | / | 月份 | |
| 日 | 数字 | / | 日期 | |
| NEE | 数字 | gCm-2d-1 | 每日NEE通量累计值 | |
| GEE | 数字 | gCm-2d-1 | 每日GEE通量累计值 | |
| RE | 数字 | gCm-2d-1 | 每日Re通量累计值 | |
| LE | 数字 | MW m-2 | 每日LE通量累计值 | |
| Hs | 数字 | MW m-2 | 每日Hs通量累计值 | |
| 月尺度 | 年 | 数字 | / | 年份 |
| 月 | 数字 | / | 月份 | |
| NEE | 数字 | gCO2m-2mon-1 | 每月NEE通量累计值 | |
| GEE | 数字 | gCO2m-2mon-1 | 每月GEE通量累计值 | |
| RE | 数字 | gCO2m-2mon-1 | 每月Re通量累计值 | |
| LE | 数字 | MW m-2 | 每月LE通量累计值 | |
| Hs | 数字 | MW m-2 | 每月Hs通量累计值 | |
| 年尺度 | 年 | 数字 | / | 年份 |
| NEE | 数字 | gCO2m-2a-1 | 每年NEE通量累计值 | |
| GEE | 数字 | gCO2m-2a-1 | 每年GEE通量累计值 | |
| RE | 数字 | gCO2m-2a-1 | 每年Re通量累计值 | |
| LE | 数字 | MW m-2 | 每年LE通量累计值 | |
| Hs | 数字 | MW m-2 | 每年Hs通量累计值 |
半小时尺度通量数据表头说明：（1）半小时尺度NEE、GEE、Re表示经过质控和异常值剔除后的CO2通量，单位：mgCO2m-2s-1；（2）半小时尺度LE和Hs表示经过质控和异常值剔除后的潜热通量和显热通量，单位：W m-2。
日尺度通量数据表头说明：（1）日尺度NEE、GEE、Re分别表示每日NEE、GEE、Re累计值，单位：gCm-2d-1；（2）日尺度LE和Hs表示每日潜热通量和显热通量累计值，单位：MW m-2。
月尺度通量数据表头说明：（1）月尺度NEE、GEE、Re分别是每月NEE、GEE、Re累计值，单位：gCm-2mon-1；（2）月尺度LE和Hs表示每月潜热通量和显热通量累计值，单位：MW m-2。
年尺度通量数据表头说明：（1）年尺度NEE、GEE、Re分别是每年NEE、GEE、Re累计值，单位：gCO2m-2a-1；（2）月尺度LE和Hs表示每年潜热通量和显热通量累计值，单位：MW m-2。
3 数据质量控制与评估
[编辑]当雄站CO2通量2004–2009年日数据能力闭合分析表明，6个年份的能量平衡比率为0.64–0.89，平均为0.80。能量闭合方程的理想状况为斜率为1，截距为0，但能量不闭合现象已经是草地和森林等通量观测中普遍存在的问题，其不闭合程度通常在10%–30%，所以当雄站也处于通量观测台站能量平衡比率变化范围之内。造成能量不完全闭合的原因可能有：（1）空间取样误差；（2）忽略了相关能量项的误差；（3）仪器系统误差；（4）平流效应的误差等。
在半小时尺度上，当雄不同台站年份CO2通量、潜热通量和显热通量的有效观数据比例分别为86.5%±6.8%、86.0%±6.8%和86.6%±6.8%（表5）。数据缺失的原因可以分为两类，一类是个性原因，主要为供电故障、仪器故障和干扰（如设备维护、雷击等）；另一类是共性原因，主要是数据质量控制中出现的数据缺失，包括异常数据剔除、夜间通量数据筛选等，特别是夜间数据的质控和筛选是引起有效观测数据降低的主要因素。
表5 当雄站半小时尺度上通量数据有效数据比例（%）
| 年份 | CO'2'通量 | 潜热通量 | 显热通量 |
| 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 数据使用方法和建议
[编辑]本数据集收录了当雄站高寒草原化草甸生态系统碳水通量数据和常规气象数据，适用于气候变化和高寒生态系统碳水循环研究。
本数据集由CERN综合研究中心和ChinaFLUX综合研究中心提供数据共享资源，用户可登录数据资源服务网站（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 谢
[编辑]感谢当雄野外台站老师们对仪器和数据的维护，感谢现场维护人员、数据管理人员以及台站负责人对观测系统运行与数据质量控制的辛苦付出。
参考文献
[编辑]- ↑ HU Q G, CAO Q, WU D, et al. 2004. Comparative study on CO2 emissions from different types of alpine meadows during grass exuberance period[J]. Journal of Geographical Sciences, 2004, 14:167-176.
- ↑ NI J. Carbon storage in grasslands of China[J]. Journal of Arid Environments, 2002, 50:205-218.
- ↑ TAO Z C, SHEN Q, GAO Y, et al. Soil organic carbon storage and vertical distribution of alpine meadow on the Tibetan Plateau[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61:720-728.
- ↑ AUBINET M, VESALA T, PAPALE D. Eddy Covariance: A Practical Guide to Measurement and Data Analysis[M]. Dordrecht: Springer, 2012: 365-376.
- ↑ SCHOTANUS P, NIEUWSTADT F T M, BRUIN H. Temperature measurement with a sonic anemometer and its application to heat and moisture fluxes[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1983, 26:81-93.
- ↑ WILCZAK J M, ONCLEY S P, STAGE S A. Sonic Anemometer Tilt Correction Algorithms[J]. Boundary-Layer Meteorology, 2001, 99:127-150.
- ↑ WEBB E K, PEARMAN G I, LEUNING R. Correction of flux measurements for density effects due to heat and water vapour transfer[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2010, 106:85-100.
- ↑ MOORE C J. Frequency response corrections for eddy correlation systems[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1986, 37:17-35.
- ↑ FOKEN T, LEUNING R, ONCLEY S P, et al. Corrections and data quality. In: AUBINET M et al. (eds) Eddy covariance: a practical guide to measurement and data analysis[M]. Dordrecht: Springer, 2012: 85-131.
- ↑ REICHSTEIN M, FALGE E, BALDOCCHI D, et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm[J]. Global Change Biology, 2010, 11:1424-1439.
- ↑ PAPALE D, VALENTINI R. A new assessment of European forests carbon exchange by eddy fluxes and artificial neural network spatialization[J]. Global Change Biology, 2010, 9:525-535.
- ↑ WILSON K, GOLDSTEIN A, FALGE E, et al. Energy balance closure at FLUXNET sites[J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2002, 113:223-243.
- ↑ FLANAGAN L B. Seasonal and interannual variation in carbon dioxide exchange and carbon balance in a northern temperate grassland[J]. Global Change Biology, 2002, 8,599-615.
- ↑ YU G R, WEN X F, SUN X M, et al. Overview of ChinaFLUX and evaluation of its eddy covariance measurement[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2006, 137:125-137.
数据引用格式
[编辑]石培礼, 何永涛. 2004–2010年中国科学院当雄高寒草甸研究站碳水通量观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-04-29). DOI: （暂无）.
