中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)专题 I 区论文(评审中) 版本 ZH2
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2004–2009年海北高寒湿地碳水热通量观测数据集
An observation dataset of carbon, water and heat fluxes of alpine wetland in Haibei (2004–2009)
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摘要&关键词
摘要:青藏高原被誉为“中华水塔”,高寒湿地是其水源涵养的重要载体,其碳水热收支特征及环境控制机制是评估湿地碳素固持和水源涵养等生态功能的关键。基于涡度相关技术,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2004年至今一直开展高寒帕米尔苔草(Carexpamirensis )湿地生态系统碳水热通量的科学观测。为了促进高寒湿地生态学发展和数据价值最大化,海北站拟公开发表高寒湿地连续观测的碳水热通量及相关常规气象数据集,其中通量数据子集和常规气象数据子集的时间范围分别为2004–2009年和2004–2010年,具体包括净生态系统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、空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、土壤温度、总辐射、净辐射、光合有效辐射和降水等观测指标,数据集的时间尺度包含半小时、日、月和年,以期为区域生态功能评估和生态文明建设提供数据支撑和理论依据。
关键词:碳水热通量;帕米尔苔草;高寒湿地;涡度相关法;青藏高原
Abstract & Keywords
Abstract: The Qinghai-Tibet Plateau is known as the “Chinese Water Tower”, and alpine wetland is an important carrier for the Plateau water conservation. The budgets of carbon and water and the underlying mechanisms of environmental controls are essential for evaluating the ecological functions of carbon sequestration and water conservation in the alpine wetland. Based on the popular eddy covariance technique, the carbon, water, and heat fluxes of an alpine Carex pamirensis wetland ecosystem have been conducting since 2004 at the Haibei National Field Research Station for Alpine Grassland Ecosystem (i.e. Haibei Station). In order to promote the development of alpine ecology and maximize the value of data, we intend 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 include 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 at a half-hour, day, month and year scales, respectively. This dataset are 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
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称2004–2009年海北高寒湿地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
数据时间范围通量数据子集:2004–2009年;常规气象数据子集:2004–2010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,中国青海省门源县
生态系统类型高寒帕米尔苔草湿地
数据量34 MB
数据格式*.xlsx
数据服务系统网址http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02
http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010 (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(集)组成包括净生态系统CO2交换通量、生态系统CO2呼吸通量、总生态系统CO2交换通量、潜热通量和显热通量等碳水热通量数据子集和空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、土壤温度、大气压、总辐射、净辐射、光合有效辐射和降水等常规气象数据子集,其中半小时通量数据为质控后插补的数据,数据集包含半小时、日、月和年等4种时间尺度。
Dataset Profile
TitleAn observation dataset of carbon, water and heat fluxes of 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>(Not open yet)
Sources of fundingStrategic 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 compositionThe dataset include 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 gap-filled. The dataset cover a half-hour, day, month, and year scales.
引 言
青藏高原是中国“青藏高原生态屏障”的空间载体,被誉为“中华水塔”。高寒湿地是青藏高原的重要植被类型[1],面积约为13.3×106 hm2,在碳素固持、水源涵养及生物多样性维护具有重要意义[2]。长期的科学观测数据是认知高寒湿地碳、水、热交换格局和内在生态过程及关键生态功能评估的基础。涡度相关法是目前唯一能直接测定大气与下界面的碳水热通量的标准方法,被国内及国际通量观测组织广泛采用[3]。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)是国内较早利用涡度相关技术开展碳水热通量观测的台站之一,自2000年陆续开展了高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸、高寒金露梅(Potentilla fruticosa)灌丛和高寒帕米尔苔草(Carex pamirensis)湿地的碳水热通量观测,积累了大量的原始观测数据,填补了青藏高原通量观测研究的空白,取得了丰硕的研究成果,为理解青藏高原高寒陆地生态系统碳水功能及区域可持续发展提供了翔实的数据支撑和重要贡献[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 ]
为了促进青藏高原生态系统碳水热交换生态过程的科学认知及生态功能的精准评估,体现数据共享理念和挖掘数据潜在价值,海北站拟免费公开发表连续观测的高寒湿地碳水热通量及常规气象数据。由于2010年高寒湿地涡度相关系统的快速红外气体分析仪工作异常时段较多,导致该年度的通量有效观测数据比例偏低,尤其是净生态系统CO2交换量和显热通量分别仅为8.2%和10.0%,数据可利用较低,海北站没有共享该年度通量数据。因此碳水热通量数据子集和常规气象书数据子集的年份分别为2004–2009年和2004–2010年。本数据集包含碳水热通量数据子集(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)和常规气象数据子集(空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、土壤温度、总辐射、光合有效辐射和降水等观测指标),时间尺度包括半小时、日、月和年。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据来源
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,多年平均气温和降水分别为−1.7℃和580 mm,站区为典型的高原大陆性气候,暖季温暖多雨而短暂,冷季寒冷干燥而漫长。高寒湿地涡度相关观测系统位于海北站东部约2 km的高寒帕米尔苔草湿地生态系统内(37°36′N、101°19′E,3200 m),始建于2003年10月,是中国通量网(ChinaFLUX)的首批通量观测站点之一。涡度相关系统的观测区地势平坦,可以满足通量观测“风浪区”的要求。研究区植被生长茂盛,分布均匀,外貌整齐,平均总盖度约98%,冠层高度为25–50 cm。植被种类组成较为贫乏,约有25种植物,多以寒冷湿生、多年生地下芽、具有发达通气组织的草本植物莎草科、毛茛科为主。湿地中央以帕米尔苔草为建群种,边缘为藏嵩草(K. tibetica)草甸为建群种。除建群种的优势种为帕米尔苔草、藏嵩草,次优势种有华扁穗草(Blysmus sinocompressus),黑褐苔草(C. atrofusca)等。在边缘地带还有大量的星状风毛菊(Saussurea stilla)、青藏苔草(C.moorcropt)、乳白香青(Anaphalis lectea)、假龙胆(Gentianella limprichtii)、天山报春(Primula nutans Georgi)和斑唇马先蒿(Pedicularis longiflora Rudolph var)等[11]。土壤类型为有机寒冻潜育土(Organic Cryic Gleysols)。研究区为冬季牧场,放牧强度约为4.0羊单位·hm-2,放牧时间约为10月下旬至翌年5月上旬[12]。湿地平均最大地上生物量和群落叶面积指数分别为8月下旬的331.3 gm-2和7月下旬的3.9m2m-2[15]
1.2   数据采集方法
高寒湿地碳水热通量数据集的数据全部为仪器自动观测并存储在相应数据采集器中,具体的观测仪器及型号、仪器制造商及数据采集器等相关信息详见表1。碳水热通量原始数据的采样频率为10 Hz,计算并存储其30 min的平均通量数据于CR5000中;常规气象要素的采样频率为1 min,计算并存储30 min的平均数据于CR23X中。
表1   海北高寒湿地的观测项目所用分析仪相关信息
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
CO2、H2O、显热通量三维超声风速仪CSAT3CAMPBELLCR5000CAMPBELL
CO2/H2O快速红外气体分析仪LI-7500LI-COR
常规气象要素空气温度/湿度HMP45CVAISALACR23XCAMPBELL
降水量52203RM YOUNG
总辐射CM11KIPP&ZONEN
净辐射CNR-1KIPP&ZONEN
光合有效辐射LI190SBLI-COR
风速034A-LRM YOUNG
风向014ARM YOUNG
压力CS105VAISALA
红外温度传感器IRTS-PPOGEE
土壤温度105TCAMPBELL
1.3   数据处理和数据产品加工方法
为了保障数据质量及数据的可对比度,本数据集从数据观测、数据采集、质量控制、处理方法等流程严格遵循ChinaFLUX制定的标准化的数据处理和质量控制技术体系[16-17]。具体内容如下:
数据质量控制: 碳水热通量的数据质量控制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、冠层储存项校正、湍流稳态测试;半小时通量数据的质量控制包括夜间摩擦风速阈值筛选、异常值剔除和降水时刻数据剔除以及能量闭合评价。用单点密度估算的方法表明冠层存储项通量分别约占CO2通量、H2O通量和显热通量的1.1%、0.09%和2.2%,因此本数据集的通量数据没有必要进行储存项校正。常规气象数据的质量控制主要为阈值判别和异常值剔除。
缺失数据插补: 由于通量观测仪器自身的稳定性和异常天气的影响及其它不可控因素,野外观测数据的缺失十分普遍,缺失数据的插补十分必要[18]。数据插补根据数据子集类别和缺失数据长短分别采用不同的方法进行插补。其中,短时间(小于2小时)缺失的通量和常规气象数据,采用线性内插法进行插补;长时间缺失的气象数据,基于海北站的自动气象站同期的观测资料(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相应数据的插补。
对于长时间缺失的水热通量数据,采用水热通量与净辐射的线性回归关系进行插补。对于长时间缺失的碳通量数据,采用有效通量数据和环境因子的非线性经验方程进行拟合、插补。其中夜间缺失数据利用CO2通量有效数据与5 cm土壤温度的Arrhenius方程插补。白天缺失数据分两种情况进行插补,在植被生长季中利用CO2通量数据与光合有效辐射的直角双曲线方程插补。在非生长季中,首先采用夜间CO2通量数据和5 cm土壤温度的形成Arrhenius方程,然后结合缺失数据对应的土壤温度完成白天通量的插补。碳水热缺失通量数据的最小插补时间窗口为7天。
CO2通量数据拆分: 基于边际分布采样法的原理将观测的净生态系统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。首先,依据夜间CO2通量数据与土壤温度拟合的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);其次,利用插补完成的白天CO2通量数据和估算的同时刻白天生态系统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)[17]。生态系统CO2呼吸通量为生态系统夜间呼吸通量和白天呼吸通量之和。
2   数据样本描述
2.1   数据子集与数据量
本数据集为高寒湿地碳水热通量观测数据,分别为2004–2009年通量数据子集和2004–2010年常规气象数据子集两类数据文件,每类数据文件均有半小时、日、月和年等4个时间尺度。因此,高寒湿地碳水热通量数据集内含52个文件,总数据量34 MB。
2.2   数据文件示例
以2004年数据文件为例,表2、表3分别海北站高寒湿地碳水热通量和常规气象数据表头说明,所有数据项观测数据均以浮点型数字形式表示。
表2   海北站高寒湿地通量数据表说明
数据项单位数据项说明
-年份
-月份
-日期
-小时
-分钟
NEEmg CO2 m-2 s-1插补后的净生态系统CO2交换通量
REmg CO2 m-2 s-1插补后的生态系统CO2呼吸通量
GEEmg CO2 m-2 s-1插补后的总生态系统CO2交换通量
LEW m-2插补后的潜热通量
HsW 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
表3   海北高寒湿地常规气象数据表说明及指标观测高度
数据项数据单位观测高度数据项说明
--年份
--月份
--日期
--小时
--分钟
--
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kPa1.5 m一层平均水汽压
冠层上方水汽压kPa2.5 m二层平均水汽压
近地面风速m s-11.5 m一层平均风速
冠层上方风速m s-12.5 m二层平均风速
风向degree2.5 m二层平均风向
大气压kPa1.5 m大气压强
太阳辐射W m-21.5 m太阳辐射
净辐射W m-21.5 m净辐射
光合有效辐射μmol m-2 s-11.5 m光合有效辐射
一层土壤温度−5 cm5 cm土壤温度
二层土壤温度−10 cm10 cm土壤温度
三层土壤温度−20 cm20 cm土壤温度
四层土壤温度−40 cm40 cm土壤温度
五层土壤温度−60 cm60 cm土壤温度
降水量mm50 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。
3   数据质量控制和评估
2004–2009年,经过30分钟数据质量控制和异常值剔除后,高寒湿地数据集净生态系统CO2交换量、潜热通量、显热通量的平均有效观测数据比例分别为42.4%、52.7%和55.0%,其中净生态系统CO2交换通量有效观测数据比例的最低年份和最高年份分别为2007年的34.1%和2004年的48.3%,两者之差为14.2%,而潜热通量和显热通量有效观测数据比例的最低年份与最高年份分别为2009年的44.2%和47.8%与2008年的63.9%和67.4%,两者相差约为10%(表4)。
表4   海北高寒湿地半小时碳水热通量的有效观测数据比例
年份净生态系统CO2交换量潜热通量显热通量
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   数据使用方法和建议
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,在数据资源栏搜索“海北站湿地”,即可下载半小时、日、月和年等时间尺度的碳水热通量及常规气象数据。本数据集可以用于高寒湿地碳水收支评价和相关过程模型开发、验证及对比等研究。另外,需要说明的是由于异常值剔除标准和插值方法及计算平台等因素的差异,会对碳水热通量计算结果产生较大影响[18],本数据集可能和相关研究人员的计算结果并不完全相同[7,9,12],因此相关研究人员在数据集使用和结果认知上需要谨慎。
致 谢
感谢瓦金龙长期以来在数据采集方面的贡献。
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数据引用格式
张法伟, 李红琴, 赵亮, 等. 2004–2009年海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站高寒湿地碳水热通量观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-06). DOI: 10.11922/sciencedb.1010.
稿件与作者信息
论文引用格式
张法伟, 李红琴, 赵亮, 等. 2004–2009年海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站高寒湿地碳水热通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2020-05-28). DOI: 10.11922/csdata.2020.0033.zh.
张法伟
Zhang Fawei
主要承担工作:数据监测和论文撰写。
(1981—),男,高级工程师,研究方向为高寒草地物质循环和能量交换。
李红琴
Li Hongqin
主要承担工作:数据分析与论文修改。
(1981—),女,副研究员,研究方向为高寒草地碳循环。
赵亮
Zhao Liang
主要承担工作:数据整理与质量控制。
(1974—),男,研究员,研究方向为全球变化和鸟类生态学研究。
张雷明
Zhang Leiming
主要承担工作:数据处理和质量控制。
(1974—),男,副研究员,研究方向为生态系统碳水循环与全球变化。
陈智
chenzhi
主要承担工作:数据质量分析。
(1981—),女,助理研究员,研究方向为生态系统碳通量时空格局。
祝景彬
Zhu Jingbin
主要承担工作:数据整理和论文修改。
(1989—),男,博士研究生,研究方向为高寒草地碳循环。
徐世晓
Xu Shixiao
主要承担工作:数据整理。
(1973—),男,研究员,研究方向为草地畜牧生态学。
杨永胜
Yang Yongsheng
主要承担工作:数据整理。
(1987—),男,副研究员,研究方向为高寒草地水循环。
赵新全
Zhao Xinquan
主要承担工作:数据管理和统筹。
(1959—),男,研究员,研究方向为草地生态学。
于贵瑞
Yu Guirui
主要承担工作:数据管理和统筹。
(1959—),男,研究员,研究方向为生态系统与全球变化。
李英年
Li Yingnian
主要承担工作:数据分析和质量控制。
ynli@nwipb.cas.cn
(1962—),男,研究员,研究方向为全球变化生态学。
出版历史
I区发布时间:2020年6月30日 ( 版本ZH2
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中国科学数据
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