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                    中國通量觀測研究網絡(ChinaFLUX)專題 II 區論文(已發表) ? 版本 ZH3 Vol 6 (1) 2021
                    下載
                    2004–2009年海北高寒濕地碳水熱通量觀測數據集
                    An observation dataset of carbon, water and heat fluxes in an alpine wetland in Haibei (2004–2009)
                    ?>>
                    : 2020 - 05 - 06
                    : 2021 - 03 - 19
                    : 2020 - 06 - 30
                    : 2021 - 03 - 29
                    极速快三
                    1432 14 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:青藏高原被譽為“中華水塔”,高寒濕地是其重要的水源涵養地,其碳水熱收支特征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?;跍u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范圍分別為2004–2009年和2004–2010年,具體包括凈生態系統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、凈輻射、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
                    Abstract:?The Qinghai-Tibet Plateau known as the “Chinese Water Tower”, has alpine wetlands as an important carrier for the Plateau water conservation. The budgets of carbon and water and the underlying environmental mechanism control are essential for evaluating the ecological functions of carbon sequestration and water conservation in alpine wetlands. Based on the popular eddy covariance technique, Haibei National Field Research Station for Alpine Grassland Ecosystem (i.e. Haibei Station) has been implementing the scientific observation of the carbon, water, and heat fluxes of an alpine Carex pamirensis wetland ecosystem since 2004. In order to promote the development of alpine ecology and maximize the value of data, we intended 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 includes 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 on half-hour, daily, monthly and yearly scales, respectively. This dataset is 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
                    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、于貴瑞、李英年 負責人:李英年
                    數據時間范圍通量數據子集: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_A02
                    http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010
                    基金項目國家重點研發計劃(2017YFA0604801);國家自然科學基金(41877547,32001149);青海省科技基礎條件平臺建設專項項目(2018-ZJ-T09));中國科學院戰略性先導科技專項(XDA19020302)。
                    數據庫(集)組成包括凈生態系統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、凈輻射、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后插補的數據,數據集包含半小時、日、月和年等4種時間尺度。
                    Dataset Profile
                    TitleAn observation dataset of carbon, water and heat fluxes in an alpine wetland in Haibei (2004–2009)
                    Data corresponding authorLI Yingnian (ynli@nwipb.cas.cn)
                    Data producersObserver: 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 rangeFlux data: 2004–2009; Meteorological data: 2004–2010.
                    Geographical scopeHaibei National Field Research Station for alpine grassland ecosystem, Menyuan county, Qinghai Province, China
                    Ecosystem typeAlpine Carex pamirensis wetland
                    Data amount34 MB
                    Data format*.xlsx
                    Data service system<http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02>
                    <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010>
                    Sources of fundingNational Key R&D Program (2017YFA0604801); National Natural Science Foundation of China (41877547, 32001149); Qinghai R&D Infrastructure and Facility Development Program (2018-ZJ-T09); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302).
                    Dataset compositionThe dataset includes 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 interpolated. The dataset contains 4 scales: half-hour scale, daily scale, monthly scale and yearly scale.
                    引 言
                    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持方面具有重要意義[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采用[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臺站之一,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(Carexpamirensis )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。由于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,尤其是凈生態系統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(凈生態系統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 ? 數據采集和處理方法
                    1.1 ? 數據來源
                    海北站(37°37′N、101°19′E,3200 m)位于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,冷季寒冷干燥而漫長。高寒濕地渦度相關觀測系統位于海北站東部約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),始建于2003年10月,是中國通量觀測研究網絡(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,邊緣以藏嵩草(K. tibetica)為建群種。濕地群落的主要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[11]。土壤類型為有機寒凍潛育土(Organic Cryic Gleysols)。研究區為冬季牧場,放牧強度約為每公頃4.0羊單位,放牧時間約為10月下旬至翌年5月上旬[12]。濕地植被群落2003–2005年平均最大地上生物量(干物質)和最大葉面積指數分別為8月下旬的331.3 gm-2和7月下旬的3.9 m2m-2[15]。
                    1.2 ? 數據采集方法
                    高寒濕地碳水熱通量數據集的數據全部為儀器自動觀測并存儲在相應數據采集器中,具體的觀測儀器及型號、儀器制造商及數據采集器等相關信息詳見表1。碳水熱通量原始數據的采樣頻率為10 Hz,計算并存儲其30 min的平均通量數據于CR5000中;常規氣象要素的采樣頻率為1 min,計算并存儲30 min的平均數據于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制造商數據采集器數據采集制造商
                    CO2、H2O、顯熱通量三維超聲風速儀CSAT3CAMPBELLCR5000CAMPBELL
                    CO2/H2O快速紅外氣體分析儀LI-7500LI-COR
                    常規氣象要素空氣溫度/濕度HMP45CVAISALACR23XCAMPBELL
                    降水量52203RM YOUNG
                    總輻射CM11KIPP&ZONEN
                    凈輻射CNR-1KIPP&ZONEN
                    光合有效輻射LI190SBLI-COR
                    風速034A-LRM YOUNG
                    風向014ARM YOUNG
                    壓力CS105VAISALA
                    紅外溫度傳感器IRTS-PPOGEE
                    土壤溫度105TCAMPBELL
                    1.3 ? 數據處理和數據產品加工方法
                    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、數據采集、質量控制、處理方法等流程嚴格遵循ChinaFLUX制定的標準化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:由于通量觀測儀器自身的穩定性和異常天氣的影響及其他不可控因素,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采用不同的方法進行插補。其中,短時間(小于2小時)缺失的通量和常規氣象數據,采用線性內插法進行插補;長時間缺失的氣象數據,基于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。
                    對于長時間缺失的水熱通量數據,采用水熱通量與凈輻射的線性回歸關系進行擬合、插補。對于長時間缺失的碳通量數據,采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,首先采用夜間CO2通量數據和5 cm土壤溫度的形成Arrhenius方程,然后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。
                    CO2通量數據拆分:基于邊際分布采樣法的原理將觀測的凈生態系統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)[17]。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
                    2.1 ? 數據子集與數據量
                    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
                    以2004年數據文件為例,表2、表3分別為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
                    -年份
                    -月份
                    -日期
                    -小時
                    -分鐘
                    NEEmg CO2 m-2 s-1插補后的凈生態系統CO2交換通量
                    REmg CO2 m-2 s-1插補后的生態系統CO2呼吸通量
                    GEEmg CO2 m-2 s-1插補后的總生態系統CO2交換通量
                    LEW m-2插補后的潛熱通量
                    HsW m-2插補后的顯熱通量
                    注:該表為30 min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 min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
                    --年份
                    --月份
                    --日期
                    --小時
                    --分鐘
                    --
                    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kPa1.5 m一層平均水汽壓
                    冠層上方水汽壓kPa2.5 m二層平均水汽壓
                    近地面風速m s-11.5 m一層平均風速
                    冠層上方風速m s-12.5 m二層平均風速
                    風向degree2.5 m二層平均風向
                    大氣壓kPa1.5 m大氣壓強
                    太陽輻射W m-21.5 m太陽輻射
                    凈輻射W m-21.5 m凈輻射
                    光合有效輻射μmol m-2 s-11.5 m光合有效輻射
                    一層土壤溫度?5 cm5 cm土壤溫度
                    二層土壤溫度?10 cm10 cm土壤溫度
                    三層土壤溫度?20 cm20 cm土壤溫度
                    四層土壤溫度?40 cm40 cm土壤溫度
                    五層土壤溫度?60 cm60 cm土壤溫度
                    降水量mm50 cm總降水量
                    注:日尺度數據表中無時、分、秒3列數據項,月尺度數據表中無日、時、分、秒4列數據項,年尺度數據表中沒有月、日、時、分、秒5列數據項。
                    3 ? 數據質量控制和評估
                    2004–2009年,經過30 min數據質量控制和異常值剔除后,高寒濕地數據集凈生態系統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%,其中凈生態系統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
                    年份凈生態系統CO2交換量潛熱通量顯熱通量
                    200448.9%56.7%58.5%
                    200540.3%47.5%48.5%
                    200646.6%59.2%60.0%
                    200734.1%44.5%47.8%
                    200846.8%63.9%67.4%
                    200937.8%44.2%47.8%
                    4 ? 數據使用方法和建議
                    本數據集在國家科技資源共享服務平臺的國家生態科學數據中心(http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02)發布。用戶注冊、登錄系統后,在數據資源欄搜索“海北站濕地”,即可下載半小時、日、月和年等時間尺度的碳水熱通量及常規氣象數據。也可登錄Science Data Bank(http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010)訪問和下載。本數據集可以用于高寒濕地碳水收支評價和相關過程模型開發、驗證及對比等研究。另外,需要說明的是由于異常值剔除標準和插值方法及計算平臺等因素的差異,會對碳水熱通量計算結果產生較大影響[18],本數據集的數據可能和相關研究人員的計算結果并不完全相同[7,9,12],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
                    感謝瓦金龍長期以來在數據采集方面的貢獻。
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                    數據引用格式
                    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.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    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, 2021, 6(1). (2020-11-17). DOI: 10.11922/csdata.2020.0033.zh.
                    張法偉
                    Zhang Fawei
                    主要承擔工作:數據監測和論文撰寫。
                    (1981—),男,高級工程師,研究方向為高寒草地物質循環和能量交換。
                    李紅琴
                    Li Hongqin
                    主要承擔工作:數據分析與論文修改。
                    (1981—),女,副研究員,研究方向為高寒草地碳循環。
                    趙亮
                    Zhao Liang
                    主要承擔工作:數據整理與質量控制。
                    (1974—),男,研究員,研究方向為全球變化和鳥類生態學研究。
                    張雷明
                    Zhang Leiming
                    主要承擔工作:數據處理和質量控制。
                    (1974—),男,副研究員,研究方向為生態系統碳水循環與全球變化。
                    陳智
                    Chen Zhi
                    主要承擔工作:數據質量分析。
                    (1981—),女,助理研究員,研究方向為生態系統碳通量時空格局。
                    祝景彬
                    Zhu Jingbin
                    主要承擔工作:數據整理和論文修改。
                    (1989—),男,博士研究生,研究方向為高寒草地碳循環。
                    徐世曉
                    Xu Shixiao
                    主要承擔工作:數據整理。
                    (1973—),男,研究員,研究方向為草地畜牧生態學。
                    楊永勝
                    Yang Yongsheng
                    主要承擔工作:數據整理。
                    (1987—),男,副研究員,研究方向為高寒草地水循環。
                    趙新全
                    Zhao Xinquan
                    主要承擔工作:數據管理和統籌。
                    (1959—),男,研究員,研究方向為草地生態學。
                    于貴瑞
                    Yu Guirui
                    主要承擔工作:數據管理和統籌。
                    (1959—),男,研究員,研究方向為生態系統與全球變化。
                    李英年
                    Li Yingnian
                    主要承擔工作:數據分析和質量控制。
                    ynli@nwipb.cas.cn
                    (1962—),男,研究員,研究方向為全球變化生態學。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2020年6月30日 ( 版本ZH2
                    II區出版時間:2021年3月29日 ( 版本ZH3
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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