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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
                    2003–2010年長白山闊葉紅松林碳水通量觀測數據集
                    A dataset of carbon and water flux observation in a broad-leaved red pine forest in Changbai Mountain (2003–2010)
                    ?>>
                    : 2020 - 05 - 14
                    : 2021 - 03 - 17
                    : 2021 - 01 - 13
                    : 2021 - 03 - 30
                    极速快三
                    1097 6 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:森林是陸地生態系統的主體,它在生長過程中吸收大量的CO2,并產生水熱交換,對大氣組成與區域氣候都會產生顯著影響?;谖庀罄碚摰臏u度相關通量觀測技術實現了對森林生態系統生產力、水熱傳輸和溫室氣體交換等過程的直接測定,其長期觀測數據為陸地生態系統碳水循環過程的機理解析及碳源/匯和水分利用的時空分布研究提供了重要的數據基礎。本數據集為中國通量觀測研究聯盟(ChinaFLUX)站之一長白山闊葉紅松林2003–2010年長期通量觀測數據,并基于ChinaFLUX標準質控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。本數據集可為分析我國溫帶森林生態系統碳源匯功能及其對全球變化的響應提供重要的科學知識和數據基礎。
                    關鍵詞:渦度相關技術;通量觀測;長白山;森林生態系統;碳水循環
                    Abstract & Keywords
                    Abstract:?As the principal part of terrestrial ecosystem, forests absorb a large amount of CO2 and generate water and heat exchange during the growth process, and have a significant impact on the composition of atmosphere and regional climate. Eddy covariance flux observation technology based on the theory of the micro meteorology theory has realized the direct determination of forest ecosystem productivity, and greenhouse gas exchange of heat and water transfer process. The long-term observation provides data support for analyzing the mechanism of the processes of terrestrial ecosystem carbon cycle and studying the carbon source/sink and water use of time and space distribution. This dataset is composed of the long-term flux observation data from 2003 to 2010 in the broad-leaved red pine forests in Changbai Mountain, one of the ChinaFLUX observation and research consortium (ChinaFLUX) stations. Based on the quality control system of ChinaFLUX standard, we compiled in this dataset a standardized dataset of ecosystem carbon and water flux and key meteorological elements. This dataset can provide important scientific knowledge and data basis for the analysis of carbon source and sink function of temperate forest ecosystems in China and their responses to global changes.
                    Keywords:?eddy covariance technique;?flux observation;?Changbai Mountain;?forest ecosystems;?carbon cycle
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據庫(集)名稱2003–2010年長白山闊葉紅松林碳水通量觀測數據集
                    數據通信作者陳智(chenz@igsnrr.ac.cn);張雷明(zhanglm@igsnrr.ac.cn)
                    數據生產者觀測人員原負責人現任負責人所屬單位
                    徐浩關德新吳家兵中國科學院沈陽應用生態研究所
                    數據時間范圍2003–2010年
                    站點位置42.4025°N,128.0958°E
                    數據量82.7 MB
                    數據格式*.xlsx
                    數據服務網址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1000
                    基金項目國家重點研發計劃(2017YFC0503801、2016YFA0600104);中國科學院科技服務網絡計劃(STS,KFJ-SW-STS-169);國家自然科學基金(31870625)。
                    數據庫(集)組成本數據集由中國通量觀測研究聯盟(ChinaFLUX)站之一長白山通量觀測站2003–2010年連續8年的觀測數據子集組成。每個子集按照年份分為半小時、日尺度、月累計和年累計4種數據產品表格。其中半小時數據集含觀測數據質控前和質控后兩類。每個數據子集包含生態系統CO2通量、潛熱通量、感熱通量、空氣溫濕度、土壤溫濕度、降水、總輻射和光合有效輻射。
                    Dataset Profile
                    TitleA dataset of carbon and water flux observation in a broad-leaved red pine forest in Changbai Mountain (2003–2010)
                    Data corresponding authorCHEN Zhi (chenz@igsnrr.ac.cn); ZHANG Leiming (zhanglm@igsnrr.ac.cn)
                    Data producersObserverFormer directorDirectorInstitute
                    XU HaoGUAN DexinWU JiabingInstitute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences
                    Time period2003–2010年
                    Geographical scope42.4025°N,128.0958°E
                    Data volume82.7 MB
                    Data format*.xlsx
                    Data service system<http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1000>
                    Sources of fundingNational KEY R & D Program (2017YFC0503801, 2016YFA0600104); Science and Technology Service Network Program of Chinese Academy of Sciences (STS, KFJ-SW-STS-169); National Natural Science Foundation of China (31870625).
                    Dataset compositionThis dataset consists of the observation data of Changbai Mountain flux observation station from 2003 to 2010, which are divided into four data product tables: half-hour, daily, monthly and yearly scales. The half-hour dataset comprises the observation data before and after quality control. Each subset includes ecosystem CO2 flux, latent heat flux, sensible heat flux, air temperature and humidity, soil temperature and humidity, precipitation, total radiation and photosynthetically active radiation.
                    引 言
                    二氧化碳濃度增加導致了全球氣候變暖已經成為不爭的事實,嚴重威脅著人類的生存和發展。在全球氣候變化背景下,陸地生態系統碳循環一直是國內外學者關注的熱點問題之一[1-2]。森林生態系統作為陸地生態系統的主體,在陸地生態系統碳循環及緩解氣候變化方面起著非常重要的作用[3],特別是位于北半球中高緯度的森林生態系統具有很強的碳匯能力[4]。近年來的一系列研究證實老齡林生態系統也具有碳匯能力,尤其是在氣候變化和氮沉降背景下[5-6]。忽視老齡林生態系統的固碳能力將會嚴重影響陸地生態系統碳收支的準確評估。因此,分析老齡林生態系統固碳能力的強弱及其源匯功能對于老齡林的保護和全球變化研究都具有極其重要的意義。此外,對老齡林生態系統碳匯功能驅動機制的研究還可以有效降低全球和區域碳平衡估計的不確定性。
                    在中國科學院知識創新工程重大項目“中國陸地和近海生態系統碳收支研究”的資助下,依托中國生態系統研究網絡(CERN),2001年中國陸地生態系統通量觀測研究網絡(ChinaFLUX)啟動建設,2002年9月長白山原始闊葉紅松林通量觀測站建成運行,彌補了我國溫帶原始老齡林通量觀測研究的空白[7]。長白山闊葉紅松林通量觀測站采用國際標準的渦度相關通量觀測技術,同時開展多要素的氣象與環境要素的長期同步觀測,迄今已連續積累10余年闊葉紅松林碳水通量觀測數據,也產出了一系列研究成果。
                    本數據集在前期已發布2003–2005年數據集的基礎上[8],進一步擴展發布數據集至2010年,形成2003–2010年長期連續的長白山闊葉紅松林通量觀測站的碳水通量和常規氣象要素觀測數據集,包括生態系統CO2通量、潛熱通量、顯熱通量、空氣溫濕度、土壤溫濕度、降水、總輻射、凈輻射和光合有效輻射等觀測指標項,形成了半小時、日尺度、月累計和年累計4類數據產品。同時,長白山通量站將在保障數據產權的基礎上,積極配合ChinaFLUX以數據論文的形式進一步開展后續更長時間序列觀測數據的發布,以推動數據共享和規范數據使用。
                    1 ? 數據采集和處理方法
                    1.1 ? 數據來源
                    基于頂層設計和科學論證,結合我國陸地樣帶的空間分布,依托CERN的臺站網絡,經過觀測系統設計、觀測臺站和通量觀測塔選址、觀測儀器選型等技術方案的反復論證,以及觀測系統的安裝與調試,長白山闊葉紅松林通量觀測站建成并實現穩定運行。長白山通量站建于長白山森林生態系統定位研究站一號標準地內闊葉紅松林內,站點詳細信息見表1。
                    表1 ? 長白山通量站基本信息
                    站名(縮寫代碼)長白山站(CBS)
                    臺站全稱長白山溫帶闊葉紅松林通量觀測研究站
                    經緯度42.4025°N,128.0958°E
                    植被類型溫帶原始針闊葉混交林
                    優勢樹種紅松(Pinus koraiensis)、椴樹(Tilia amurensis)、蒙古櫟(Quercus mongolica)和水曲柳(Fraxinus mandshurica)等
                    通量塔身高度(m)61.5
                    冠層高度(m)27.0
                    葉面積指數(m2 m-26.1
                    土壤類型山地暗棕壤
                    注:葉面積指數為生長季內最大葉面積指數。
                    1.2 ? 數據采集方法
                    根據長白山通量站下墊面情況和植被冠層高度,在觀測塔上安裝不同要素的測定傳感器,開展植被–大氣界面CO2、H2O和能量以及林內氣象要素在線、連續觀測。通量站采用開路式渦度相關系統在40 m高度開展通量觀測,同步開展常規氣象要素的梯度觀測,數據自動采集并存儲到本地計算機。各測定要素采用的主要儀器設備的傳感器和分析儀制造商及安裝高度見表2。
                    表2 ? 長白山通量站觀測系統
                    觀測系統測定要素傳感器和分析儀制造廠商安裝位置
                    常規氣象要素空氣溫度HMP45CVAISALA32 m、28 m
                    降水量5220RM YOUNG61 m
                    總輻射CM11KIPP&ZONEN32 m
                    光合有效輻射LI190SBLI-COR32 m
                    碳水通量三維超聲風速CSAT3CAMPBELL40 m
                    CO2、H2O 密度LI7500LI-COR40 m
                    數據采集與通訊常規氣象要素CR10X/CR23XCAMPBELL32 m、40 m
                    碳水通量要素CR5000CAMPBELL40 m
                    觀測數據采集與傳輸: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,利用數據采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率為30分鐘,由CR10X和CR23X數據采集器獲取和存儲數據,并自動下載到地面計算機存儲器中,然后開展后續的質量控制、標準化和產品加工。
                    1.3 ? 數據處理和產品加工方法
                    長白山闊葉紅松林碳水通量觀測數據集采用通量處理軟件EddyPro V5.2.1結合MatlabV7.6,基于ChinaFLUX技術體系完成標準化的質量控制和數據處理(圖1)。


                    圖1 ? 長白山通量站數據質量控制與處理技術體系
                    數據質量控制:采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、超聲虛溫校正、平面擬合法坐標軸旋轉、WPL校正、頻率損失校正、冠層儲存項校正(40 m單點估算方式)、穩態測試與湍流積分特性分析、夜間低摩擦風速閾值篩選和異常值剔除,以及能量閉合評價。
                    缺失數據插補:對于短時間(小于2 hr)內缺失的通量和氣象觀測數據,采用內插的方式完成插補;對于長時間缺失的氣象數據,利用觀測站氣象資料(空氣溫度、土壤溫度、輻射等)開展插補;如同期氣象資料也缺失不能完成插補,則利用平均日變化法完成數據插補。對于長時間缺失的CO2通量數據,采用非線性回歸的方式。其中夜間缺失數據利用Arrhenius方程基于土壤溫度數據插補[9];白天缺失數據利用直角雙曲線方程插補,最小插補時間窗口為7天。對于長時間缺失的能量通量數據,采用邊際分布采樣法[10]完成缺失數據插補。
                    CO2通量數據拆分:采用邊際分布采樣法完成數據拆分。首先,基于夜間觀測數據,采用和缺失數據插補時段相同的回歸方程,確定生態系統呼吸方程中的系數,然后估算夜間和白天的生態系統呼吸;其次,利用插補完成的白天CO2通量數據和估算的同時刻生態系統呼吸,求和得到總生態系統生產力。
                    2 ? 數據樣本描述
                    本數據集包含長白山站2003–2010年連續8年的觀測數據,按照年份分為半小時、日尺度、月累計和年累計4種數據產品表格。共計64個EXCEL數據文件,總數據量為82.7 MB。例如,在半小時尺度上,根據數據要素不同,數據文件的名稱格式規則為“年份+臺站+類型+時間尺度.xlsx”,如“2003年長白山通量30分鐘數據.xlsx”和“2003年長白山氣象30分鐘數據.xlsx”。表3–5為部分數據表頭說明。
                    表3 ? 半小時通量觀測數據
                    數據項數據類型計量單位數據項說明示例
                    數字年份2003
                    數字月份1
                    數字日期1
                    數字小時7
                    數字分鐘0
                    CO2通量數字mg m-2s-1經過質控和異常值剔除后的CO2通量0.03017
                    潛熱通量數字Wm-2經過質控和異常值剔除后的潛熱通量?0.28914
                    顯熱通量數字Wm-2經過質控和異常值剔除后的顯熱通量?9999
                    數據表頭說明:(1)“CO2通量”表示經過質控和異常值剔除后的CO2通量(mg m-2s-1);(2)“潛熱通量”表示經過質控和異常值剔除后的潛熱通量(Wm-2);(3)“顯熱通量”表示經過質控和異常值剔除后的顯熱通量(Wm-2)。
                    表4 ? 半小時氣象觀測數據
                    數據項數據類型計量單位數據項說明示例
                    數字年份2003
                    數字月份1
                    數字日期1
                    數字小時9
                    數字分鐘30
                    各層空氣溫度數字林內空氣溫度–18.53
                    天空短波輻射數字Wm-2總輻射平均值277.2
                    光合有效輻射數字μmol m-2s-1光合有效輻射平均值483.2
                    降水量數字mm降水量累計值0.2
                    數據表頭說明:(1)各層空氣溫度表示林內距地表2.5、8、22、26、32、50、60 m處的空氣溫度(℃);(2)平均天空輻射表示冠層上方接受的太陽總輻射(Wm-2);(3)光合有效輻射平均值表示冠層上方的光合有效輻射(μmol m-2s-1);(4)總降水量表示降水量的累計值(mm);(5)各層土壤體積含水量表示距地表5、20、50 cm深的土壤體積含水量(%)。其中剔除后的數據以“-99999”表示。
                    表5 ? 日尺度通量觀測數據
                    數據項數據類型計量單位數據項說明示例
                    數字年份2003
                    數字月份1
                    數字日期1
                    NEE數字gC m-2d-1日尺度CO2通量累計值?0.03325
                    GEE數字gC m-2d-1日尺度GEE累計值?0.52953
                    RE數字gC m-2d-1日尺度生態系統呼吸累計值0.49628
                    LE數字MW m-2 d-1日尺度潛熱通量累計值0.02922
                    H數字MW m-2 d-1日尺度顯熱通量累計值0.46578
                    數據表頭說明:(1)NEE表示日尺度的CO2通量累計值(gC m-2d-1),即觀測通量的日累計值;(2)Re表示日尺度的生態系統呼吸累計值(gC m-2d-1),即實測的夜間通量加上基于溫度的回歸模型估算的白天生態系統呼吸通量值;(3)GEE表示日尺度的總生態系統生產力累計值(gC m-2d-1),通過計算NEE-RE獲得;(4)LE表示日尺度的潛熱量累計值(MW m-2 d-1);(5)H表示日尺度的顯熱量累計值(MW m-2 d-1)。其中無法統計日值的數據以“-99999”表示。
                    3 ? 數據質量控制與評估
                    3.1 ? 數據質量控制
                    本數據集從觀測、采集、質控、處理和存儲方面均嚴格遵循了ChinaFLUX制定的技術體系(圖1)。ChinaFLUX有嚴格的數據質量保證和質量控制規范,以統一各站長期、連續的聯網觀測的開展和運行。ChinaFLUX通量數據質量控制技術體系是基于全球通量觀測研究領域普遍采用和認可的技術流程建立起來的,包括數據質控、缺失數據插補和通量拆分等方面。雖然渦度相關法具有高精度、高分辨率等優點,但它并不是完全標準的方法。特別是在野外應用時,環境條件的限制及儀器系統自身的局限性,使得其測算結果具有一定的不確定性。針對坐標軸轉換(超聲風速儀傾斜校訂),有研究認為平面擬合修訂后通量要較二次坐標旋轉法通量在量值上高出5%–10%[11]。因此本數據集采用前者:白天,對CO2通量的平均修訂比例約為3.0%,對能量通量(感熱和潛熱通量)的修訂比例約為2.0%;夜間,對CO2通量的平均修訂比例約為9.0%,對能量通量的修訂比例約為5.5%。在考慮了坐標變換影響、頻率響應局限和平流損失后,夜間CO2通量可減少低估28%左右,在沒有考慮能量平流損失的情況下,能量閉合程度可提高6%左右,明顯改善了最終結果。
                    3.2 ? 數據質量評價
                    基于全球通量觀測研究領域普遍采用的質量評價方法,對數據集的數據質量開展系統評價。
                    數據時間序列完整性:由于降水、電力供應失敗、儀器標定與維護等因素干擾,缺測和異常值的出現不可避免。統計資料表明,從2003年1月截至到2010年12月,其中有效數據約為56%,這里有效性的概念是針對文中的數據質量控制標準而言的。其中大量不合理的觀測數據的出現多是因為降水和夜間弱湍流導致;另外,野外電力供應失敗每年約導致3%–5%的缺測。
                    能量閉合:基于渦度相關法獲得的湍流能量通量通常不能平衡森林實際獲得能量。對全球通量網(FLUXNET)50站多年的觀測數據分析表明,各觀測站普遍存在著10%–30%的能量不閉合現象[12],由渦度相關法觀測獲得的能量通量較輻射儀低。在觀測條件相對理想的長白山站也存在能量不閉合現象。以2003年數據為例,基于半小時尺度的全年能量收支閉合度約為86%,約有14%的能量不知去向。若考慮了冠層儲熱項S(約7%可用能量),結果會改善一些,但也不可能實現完全閉合。另外,冬季的能量閉合程度要好于其他季節,達到了94%,主要是冬季由于闊葉樹落葉,湍流交換活躍,相應的能量閉合度相對較高。
                    通量源區分布:圖2給出了長白山通量站風速及風向分布圖。從中可以看出,觀測期間最大風速約為12m·s-1,盛行風向為西南風,而來自觀測塔東北方向,也就是來自二道鎮居民區的通量信息卻相對較少,這大大減輕了我們對下墊面異質性干擾的擔心。根據Schmid 的通量源區模型(FSAM)進一步確認[13],在生長季不穩定的大氣條件下,80%的通量信息來自觀測塔主風方向600 m、側風方向250 m范圍內,即使在穩定層結條件下,側風方向源區距離也不超過1000 m,這基本上排除了由于居民區人類活動CO2釋放的干擾,表明長白山通量站渦度相關系統捕獲的通量信息可以充分代表闊葉紅松林與大氣間的CO2交換過程。


                    圖2 ? 通量站風速與風向分布
                    4 ? 數據使用方法和建議
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                    數據引用格式
                    吳家兵, 關德新, 王安志, 等. 2003–2010年長白山闊葉紅松林碳水通量觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-11-02). DOI: 10.11922/sciencedb.1000.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    吳家兵, 關德新, 王安志, 等. 2003–2010年長白山闊葉紅松林碳水通量觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2021, 6(1). (2020-11-06). DOI: 10.11922/csdata.2020.0041.zh.
                    吳家兵
                    Wu Jiabing
                    主要承擔工作:碳水通量數據分析與質量控制。
                    (1977—),男,研究員,研究方向為全球變化生態學。
                    關德新
                    Guan Dexin
                    主要承擔工作:碳水通量數據管理與分析。
                    (1962—),男,研究員,研究方向為氣候生態學。
                    王安志
                    Wang Anzhi
                    主要承擔工作:碳水通量數據管理。
                    (1972—),男,研究員,研究方向為生態水文學。
                    袁鳳輝
                    Yuan Fenhui
                    主要承擔工作:數據質量控制。
                    (1989—),男,助理研究員,研究方向為水分生理學。
                    刁浩宇
                    Diao Haoyu
                    主要承擔工作:數據采集與質量控制。
                    (1994—),男,博士研究生,研究方向為全球變化生態學。
                    于貴瑞
                    Yu Guirui
                    主要承擔工作:整體科學技術體系設計。
                    (1959—),男,研究員,研究方向為生態系統與全球變化。
                    陳智
                    Chen Zhi
                    主要承擔工作:數據質量分析與控制。
                    chenz@igsnrr.ac.cn
                    (1981—),女,副研究員,研究方向為生態系統碳通量時空格局。
                    張雷明
                    Zhang Leiming
                    主要承擔工作:碳水通量數據綜合處理方法和技術途徑。
                    zhanglm@igsnrr.ac.cn
                    (1974—),男,副研究員,研究方向為生態系統碳水循環過程及全球變化。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2021年1月13日 ( 版本ZH2
                    II區出版時間:2021年3月30日 ( 版本ZH3
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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