2003–2010年海北高寒灌叢碳水熱通量觀測數據集

2003–2010年海北高寒灌叢碳水熱通量觀測數據集
作者：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　於貴瑞　李英年
2020年5月22日

本作品收錄於《中國科學數據》

張法偉, 李紅琴, 趙亮, 等. 2003–2010年海北高寒灌叢碳水熱通量觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-05-20). DOI: 10.11922/csdata.2020.0034.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：青藏高原是全球氣候變化的熱點區域和敏感區域，高寒灌叢是重要植被類型，其碳水熱循環的時空格局及生態過程是科學認知青藏高原生態功能的關鍵之一。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2003年利用渦度相關技術開展高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌叢生態系統碳水熱交換的科學觀測，已經連續積累了17年的通量數據。為了推動青藏高原乃至全球高寒生態系統碳水熱格局等相關研究的發展，海北站擬公開發表2003–2010年高寒灌叢相關常規氣象數據及碳水熱通量。本數據集包含空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、土壤水分、總輻射、淨輻射、光合有效輻射和降水的常規氣象數據子集和淨生態系統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、顯熱通量的碳水熱通量數據子集，形成了半小時、日、月和年尺度數據產品，可為高寒灌叢生態系統碳水熱時空動態的科學認知、遙感反演、模型驗證提供地面觀測數據支撐。

關鍵詞：渦度相關法；碳水熱通量；高寒灌叢；金露梅；青藏高原

Abstract & Keywords

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

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫名稱	2003–2010年海北高寒灌叢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、於貴瑞、李英年 負責人：李英年
數據時間範圍	2003–2010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（37°37′N，101°19′E）
生態系統類型	高寒金露梅灌叢
數據量	36 MB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1007 （暫不開放）
基金項目	中國科學院戰略性先導科技專項（XDA19020302）；國家重點研發計劃（2017YFA0604801）；國家自然科學基金（41877547）；青海省科技基礎條件平台建設專項項目（2018-ZJ-T09）。
數據庫組成	分為半小時、日尺度、月尺度和年尺度的常規氣象（空氣溫度、相對濕度、水汽壓、風速、風向、大氣壓、土壤溫度、土壤水分、總輻射、淨輻射、光合有效輻射和降水等）和碳水熱通量（淨生態系統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）數據產品表格，其中半小時通量數據為質控後的插補數據。

Dataset Profile

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

青藏高原是全球氣候變化的啟動器和敏感區^[1]，準確識別其碳、水、熱交換對氣候變化的響應方式和適應機理是冰凍圈生物地球化學循環的核心研究內容之一^[2]，而長期連續的觀測積累則是理解其內在生態過程的關鍵^[3][4]。青藏高原氣候嚴酷，加之交通不便，相關研究只是零星開展，且缺乏長期有效的觀測數據，極大限制了冰凍圈生態學理論發展和其生態功能現狀及演化的科學認知。渦度相關技術是對大氣與下界面間的通量進行非破壞性測定的一種微氣象觀測技術，通過計算物理量脈動與垂直風速脈動的協方差來求算湍流通量，是目前唯一能直接測定大氣與群落間碳水熱通量的標準方法，得到國內外的廣泛認可，已成為國際通量觀測網絡的主要技術手段^[5][6]。

青海海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站（海北站）是國內最早開展通量觀測的野外台站之一，早在2000年就和日本國立環境研究所應用渦度相關技術聯合開展了高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸碳水熱通量的觀測研究^[7]。隨後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，海北站於2002年在高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌叢生態系統開展碳水熱通量的連續觀測^[8]，截止2020年，已經積累了連續17年的原始觀測數據，取得了許多原創性的結果^{[9][10][11][12][13][14][15]}，極大的推動了高寒碳水熱循環的研究，為科學評估青藏高原生態功能提供了翔實的數據支撐和理論依據。

為了推動青藏高原乃至全球高寒陸地生態系統物質循環和能量交換等相關研究的發展，海北站擬免費公開發表多年連續觀測的碳水熱通量及相關常規氣象數據，以供更多科研工作者開展研究，充分體現數據的價值和共享的理念。本數據集包含2003–2010年高寒灌叢的常規氣象指標（空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、土壤水分、總輻射、光合有效輻射和降水）和碳水熱通量指標（淨生態系統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），形成了半小時、日、月和年等4種時間尺度的數據產品。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據來源

高寒灌叢渦度相關觀測系統（37°40′N，101°20′E，3400 m）位於海北站北部約8 km的高寒金露梅灌叢生態系統內，是中國通量網（ChinaFLUX）的首批野外觀測系統成員之一。海北站（37°37′N，101°19′E，3200 m）位於青海省海北州門源縣種馬場風匣口。站區為典型的高原大陸性氣候，無明顯四季之分，暖季多雨而短暫，冷季乾燥而漫長。該站年均氣溫和降水分別為–1.7℃和580 mm^[16]。土壤為高寒草甸土，表層有機質含量高但速效養分低。

金露梅灌叢渦度相關系統建於2002年8月，碳水熱通量的觀測高度為2.5 m。研究區的植被群落由灌木和草本鑲嵌組成。上層金露梅灌叢高度和蓋度約為50 cm和60%。下層草本植物高約10 cm，相對蓋度約為80%，優勢種包括異針茅（Stipa aliena）、藏異燕麥（Helictotrichon tibeticum）、垂穗披鹼草（Elymus nutans）、柔軟紫菀（Aster flaccidus）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、矮火絨草（Leontopodium nanum）等。土壤為高山灌叢草甸土，歸為暗沃寒凍雛形土（Mollic Gryic Cambisols）。研究區為冬季牧場，放牧強度約為3.7羊單位 hm-2，放牧時間約為10月上旬至翌年5月下旬^[9][10]。研究區最大平均地上生物量（草本和灌叢當年新生枝、葉）和群落葉面積指數分別為309.7 g m-2和2.5 m2m^[17]。

1.2 數據採集方法

本數據集中包含的觀測數據均是儀器自動觀測採集的，測定所用儀器型號、儀器製造商及數據採集器等相關信息詳見表1。空氣溫濕、輻射要素、土壤水熱等常規氣象要素的採樣頻率1 min，計算並存儲30 min的平均數據；CO2/H2O快速紅外氣體分析儀及三維超聲風速儀的原始數據採樣頻率為10 Hz，計算並存儲30 min的平均通量數據。

表1 海北站高寒灌叢觀測項目所用儀器的相關信息表

觀測系統	測定要素	儀器型號	儀器製造商	數據採集器	數據採集製造商
常規氣象要素	空氣溫度/濕度	HMP45C	VAISALA	CR23X	CAMPBELL
	降水量	52203	RM YOUNG
	總輻射	CM11	KIPP&ZONEN
	淨輻射	CNR-1	KIPP&ZONEN
	光合有效輻射	LI190SB	LI-COR
	風速	034A-L	RM YOUNG
	風向	014A	RM YOUNG
	壓力	CS105	VAISALA
	紅外溫度傳感器	IRTS-P	POGEE
	土壤溫度	105T	CAMPBELL
	土壤水分	CS616	CAMPBELL
CO2、H2O、顯熱通量	三維超聲風速儀	CSAT3	CAMPBELL	CR5000	CAMPBELL
	CO2/H2O快速紅外氣體分析儀	LI-7500	LI-COR

1.3 數據處理和產品加工方法

為了保障海北站高寒灌叢通量數據與中國通量網其它站點通量數據的可比性，本數據集從數據觀測、採集、質控、處理等流程嚴格遵循ChinaFLUX制定的標準化質量控制和數據處理技術體系^[18][19]。數據處理主要包括數據質量控制、缺失數據插補、CO2通量數據拆分等流程，具體如下：

數據質量控制： 採用國際上普遍認可的渦度相關通量數據的質量控制方法^[20]，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、湍流穩態測試、夜間摩擦風速閾值篩選和通量異常值剔除，以及能量閉合評價。由於高寒灌叢冠層高度較低，採用單點密度變化的估算方法發現冠層存儲項分別約占CO2通量、H2O通量和顯熱通量的2.2%、0.08%和0.22%，因此本數據集的通量數據沒有進行儲存項校正。

缺失氣象數據插補： 短時間（小於2小時）缺失的觀測數據，採用線性內插法進行插補；長時間缺失的數據，利用海北站自動氣象站的觀測資料（土壤濕度和降水數據除外）進行插補；如未能完成插補，則利用平均日變化法完成數據插補。

缺失通量數據插補： 對於短時間（小於2小時）缺失的通量數據，也採用線性內插法進行插補；對於長時間缺失的潛熱和顯熱通量數據，採用水熱通量與淨輻射的線性回歸方程進行擬合、插補，最小插補時間窗口為7天。對於長時間缺失的CO2通量數據，首先利用有效通量數據和環境因子的非線性回歸關係構建方程，然後利用該方程和缺失通量數據對應的環境因子完成數據插補。其中夜間缺失數據利用CO2通量與5 cm土壤溫度的Arrhenius方程插補。白天缺失數據分兩種時段進行插補，在植被生長季中利用CO2通量與光合有效輻射的直角雙曲線方程，結合缺失數據對應的光合有效輻射完成白天缺失數據的插補；在非生長季中則採用夜間CO2通量與5 cm土壤溫度擬合的Arrhenius方程，結合缺失數據對應的5 cm土壤溫度完成白天缺失數據的插補，最小插補時間窗口為7天。

CO'2'通量數據拆分： 利用邊際分布採樣法的原理，將淨生態系統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。先利用夜間有效CO2通量數據與5 cm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），再利用白天CO2通量數據和估算的同時刻生態系統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）^[18]。

2 數據樣本描述

2.1 數據子集與數據量

本數據集為2003–2010年海北站高寒灌叢的連續碳水熱通量觀測數據，分為常規氣象數據子集和通量數據子集兩類數據文件。每類文件每年均有4個時間尺度，包括30分鐘、日、月和年尺度，數據集內共計64個文件，總數據量36 MB。

2.2 數據文件示例

以2003年數據文件為例，表2、表3分別為該年常規氣象和碳水熱通量（30分鐘、日、月、年）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 海北站高寒灌叢的常規氣象數據表說明及觀測高度

數據項	數據單位	觀測高度	數據項說明
年	-	-	年份
月	-	-	月份
日	-	-	日期
時	-	-	小時
分	-	-	分鐘
秒	-	-	秒
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	kPa	1.5 m	一層平均水汽壓
冠層上方水汽壓	kPa	2.5 m	二層平均水汽壓
近地面風速	m s-1	1.5 m	一層平均風速
冠層上方風速	m s-1	2.5 m	二層平均風速
風向	degree	2.5 m	二層平均風向
大氣壓	kPa	1.5 m	大氣壓強
太陽輻射	W m-2	1.5 m	太陽輻射
淨輻射	W m-2	1.5 m	淨輻射
光合有效輻射	μmol m-2 s-1	1.5 m	一層光合有效輻射
一層土壤溫度	℃	−5 cm	5 cm土壤溫度
二層土壤溫度	℃	−10 cm	10 cm土壤溫度
三層土壤溫度	℃	−20 cm	20 cm土壤溫度
四層土壤溫度	℃	−40 cm	40 cm土壤溫度
五層土壤溫度	℃	−60 cm	60 cm土壤溫度
一層土壤體積含水量	m3 m-3	−10 cm	10 cm土壤水分
二層土壤體積含水量	m3 m-3	−20 cm	20 cm土壤水分
三層土壤體積含水量	m3 m-3	−50 cm	50 cm土壤水分
降水量	mm	50 cm	總降水量

註：日尺度數據表中無時、分、秒等3列數據項，月尺度數據表中無日、時、分、秒等4列數據項，年尺度數據表中沒有月、日、時、分、秒等5列數據項。

表3 海北站高寒灌叢的通量數據表說明

數據項	數據單位	數據項說明
年	-	年份
月	-	月份
日	-	日期
時	-	小時
分	-	分鐘
NEE	mg CO2 m-2 s-1	插補後的淨生態系統CO2交換量
RE	mg CO2 m-2 s-1	插補後的生態系統CO2呼吸量
GEE	mg CO2 m-2 s-1	插補後的總生態系統CO2交換量
LE	W m-2	插補後的潛熱通量
Hs	W m-2	插補後的顯熱通量

註：該表為30分鐘通量數據的數據表。日尺度數據表中無時、分等2列數據項，通量數據為30分鐘通量累計值，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。

3 數據質量控制與評估

海北站高寒灌叢通量數據的譜分析結果表明，三維風速、CO2、H2O和溫度的功率譜在慣性子區內基本符合–2/3定律，而CO2、H2O和溫度與垂直風速的諧譜在慣性子區內業基本符合–4/3定律，能量閉合分析表明能量平衡比率平均為0.76^[9]。經過質量控制和異常值剔除後，在半小時尺度上，高寒灌叢2003–2010年碳水熱通量數據集中的淨生態系統CO2交換通量、潛熱通量和顯熱通量的平均有效觀測數據比例分別為42.1%、58.1%和59.6%，其中淨生態系統CO2交換通量有效觀測數據比例最低和最高的年份分別為2010年的38.1%和2004年的48.3%，兩者之差為10.2%，而潛熱通量和顯熱通量有效觀測數據比例最低與最高的年份分別為2006年的52.2%和53.7%與2004年的68.1%和70.3%，兩者相差約為15%（表4）。

表4 高寒灌叢半小時碳水熱通量有效觀測數據比例

年份	淨生態系統CO'2'交換量	潛熱通量	顯熱通量
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 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台的國家生態科學數據中心（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]，即使年際尺度上通量計算結果相似，也可能在日、月尺度上存在一定的不同，數據使用者需要在研究結果的認知中慎重。

致 謝

感謝瓦金龍長期以來在數據採集方面的貢獻。

參考文獻

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數據引用格式

張法偉, 李紅琴, 趙亮, 等. 2003–2010年海北高寒灌叢碳水熱通量觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-20). DOI: 10.11922/sciencedb.1007.