2005–2018年中國科學院鼎湖山森林生態系統定位研究站氣象數據集

2005–2018年中國科學院鼎湖山森林生態系統定位研究站氣象數據集
作者：劉佩伶　張倩媚　劉效東　孟澤　李躍林　劉世忠　褚國偉　張德強　劉菊秀
2020年4月27日

本作品收錄於《中國科學數據》

劉佩伶, 張倩媚, 劉效東, 等. 2005–2018年中國科學院鼎湖山森林生態系統定位研究站氣象數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-04-25). DOI: 10.11922/csdata.2020.0016.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：氣象數據是區域氣候特徵描述的重要基礎資料，開展局地長期氣象觀測對提升區域氣象預報準確度和防災減災能力、認知與應對氣候變化等意義深遠。氣象因子是中國生態系統研究網絡（CERN）各定位站野外觀測的重要要素之一。中國科學院鼎湖山森林生態系統定位研究站（簡稱「鼎湖山站」）位於我國廣東的南亞熱帶北緣，屬典型濕潤季風型氣候，水熱資源豐富。基於站內氣象觀測場，依據CERN大氣環境觀測規範，開展了局地關鍵氣象要素的長期定位觀測與數據質量控制。本數據集詳實、系統報道鼎湖山站氣象觀測場2005–2018年VISILA自動觀測系統監測數據，以期為區域國民經濟相關行業尤其是農、林、水利等領域研究與生產提供數據支撐。

關鍵詞：南亞熱帶；森林生態系統；氣象數據；長期動態

Abstract & Keywords

Abstract: Meteorological data is the important basis for the description of regional climate characteristics. Long-term meteorological observation has a profound effect on the improvement of meteorological forecast, the capability to weather-related disasters, and the awareness and response to climate change. Meteorological factor is one of the important elements for field observation at each location station of the Chinese Ecosystem Research Network (CERN). Dinghushan Forest Ecosystem Research Station (hereafter referred to as Dinghushan Station) is located in the north margin of south subtropical zone of Guangdong Province, which belongs to a typical subtropical monsoon climate with abundant water and heat resources. Based on the meteorological observation field and the atmospheric environment observation standard of CERN, the long-term observation and data quality control of key meteorological elements in the station had been carried out. This dataset provided a detailed and systematic report on the monitoring data of VISILA automatic observation system in the meteorological observation field of Dinghushan Station from 2005 to 2018, which could provide data support for the research and production of relevant industries of regional national economy, especially agriculture, forestry, water conservancy and other fields.

Keywords: subtropical zone; forest ecosystem; meteorological data; long-term dynamics

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2005–2018年中國科學院鼎湖山森林生態系統定位研究站氣象數據集
數據作者	劉佩伶，張倩媚，劉效東，孟澤，李躍林，劉世忠，褚國偉，張德強，劉菊秀
數據通信作者	張倩媚（zqm@scib.ac.cn），劉效東（liuxd@scau.edu.cn）
數據時間範圍	2005–2018年
地理區域	中國生態系統研究網絡（CERN）鼎湖山站（23°09′21″–23°11′30″N，112°30′39″–112°33′41″E），位於廣東省肇慶市鼎湖山國家級自然保護區。本數據集來自鼎湖山站的氣象觀測場。
數據格式	*.xlsx
數據量	227KB，2856條記錄
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/966
基金項目	中國生態系統研究網絡（CERN）鼎湖山森林生態系統定位研究站運行服務費；科技部國家生態系統觀測研究網絡（CRERN）廣東鼎湖山森林生態系統國家野外科學觀測研究站運行服務費；中國科學院檔案館專項課題（Y821341001）；廣東省林業科技創新平台建設項目（2019KJCX021）。
數據庫（集）組成	數據集由1個數據文件組成，數據量2856條，包含17部分，分別為氣溫，露點溫度，相對濕度，大氣壓，水汽壓，海平面氣壓，降水，10 min平均風速月平均，太陽輻射，地表溫度月平均，5 cm土壤溫度月平均，10 cm土壤溫度月平均，15 cm土壤溫度月平均，20 cm土壤溫度月平均，40 cm土壤溫度月平均，60 cm土壤溫度月平均，100 cm土壤溫度月平均。

Dataset Profile

Title	Meteorological dataset observed by Dinghushan Forest Ecosystem Research Station , Chinese Academy of Science (2005–2018)
Data authors	Liu Peiling, Zhang Qianmei, Liu Xiaodong, Meng Ze, Li Yuelin, Liu Shizhong, Chu Guowei, Zhang Deqiang, Liu Juxiu
Data corresponding author	Zhang Qianmei (zqm@scib.ac.cn); Liu Xiaodong (liuxd@scau.edu.cn)
Time range	2005 – 2018
Geographical scope	Dinghushan Station of Chinese Ecosystem Research Network (23°09′21"N–23°11′30"N, 112°30′39"E–112°33′41"E) is located in Dinghushan National Nature Reserve, Zhaoqing City, Guangdong Province. This dataset is from the meteorological observation field of Dinghushan Station.
Data format	*.xlsx
Data volume	227 KB (2856 entries)
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/966>
Sources of funding	Operation Service Project supported by Dinghushan Forest Ecosystem Research Station of the Chinese Ecosystem Research Network (CERN); Operation Service Project supported by National Scientific Observation and Research Field Station of Dinghushan Forest Ecosystem in Guangdong, National Ecosystem Research Network, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (CRERN); Specific Project supported by the Archives of Chinese Academy of Sciences (No. Y821341001); Construction Project supported by the Forestry Science and Technology Innovation Platform in Guangdong Province (No. 2019KJCX021).
Dataset composition	The dataset consists of one data file comprised of 2856 entries with seventeen tables: temperature, dew point temperature, relative humidity, air pressure, water vapor pressure, sea level pressure, precipitation, 10 min average monthly average wind speed, solar radiation, soil surface temperature, 5 cm monthly average soil temperature, 10 cm monthly average soil temperature, 15 cm monthly average soil temperature, 20 cm monthly average soil temperature, 40 cm monthly average soil temperature, 60 cm monthly average soil temperature, 100 cm monthly average soil temperature.

引 言

氣象數據作為區域氣候特徵描述的重要基礎資料，也是開展天氣預報、氣候預測和科學研究的關鍵基礎要素^[1][2]。特定地區開展長期氣象觀測，對於提升氣象預報準確度和區域防災減災能力、認知與應對氣候變化等意義深遠。

中科院鼎湖山森林生態系統定位研究站（簡稱「鼎湖山站」）作為中科院生態系統研究網絡（CERN）台站和國家野外科學觀測研究站（CNERN）重要成員之一，也是聯合國教科文組織人與生物圈（MAB）第17號定位站，中國通量網成員，中科院大氣本底觀測網成員，國際氮沉降觀測網成員。在森林生態系統生態學、全球變化生態學、生態系統過程、森林水文與生態水文學等研究領域起着重要的引領作用，是國內外知名的生態系統生態學綜合研究基地^[3]。本地區位於我國南亞熱帶北緣，屬濕潤季風型氣候，水熱資源豐富，乾季（10月至翌年3月）、濕季（4–9月）分明，濕季降水量約占全年總降水量的80%。站區內分布的季風常綠闊葉林、針闊混交林、馬尾松針葉林、溝谷雨林、山地常綠闊葉林等區域典型森林植被類型長期以來受到嚴格的人為保護。建站近40年來，鼎湖山站的科學研究先後經歷了本底調查、群落結構和動態、生物量和生產力、生態系統結構與功能研究、生態系統關鍵過程及其耦合對全球變化的響應與適應性研究等階段^[4][3]，為我國的植被建設與保護、社會與環境可持續發展作出了重要貢獻。

氣象數據作為定位站開展水、土、氣、生等日常觀測基本要素，規範、完整的氣象數據集也必將在新時期生態學、地理學、水文學等相關學科發展及其創新研究中發揮巨大推動作用。鑑於此，本數據集系統整理了鼎湖山站氣象觀測場VISILA自動觀測系統2005–2018年共計14年關鍵氣象要素數據，以數據論文形式公開報道，以期為國民經濟相關行業發展提供基礎支撐。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據採集樣地描述

中國科學院鼎湖山站氣象觀測場於1992年建立在鼎湖山自然保護區緩衝區米塔嶺，海拔100 m，中心點經緯度為112°32′57.51″E，23°9′50.84″N，具體樣地設施布置如下圖1所示。台站自1997年起啟用配備AMRS-1氣象輻射自動觀測系統的標準氣象觀測場，2004年11月改用VISILA自動觀測系統（MILOS520，維薩拉公司，芬蘭），2014年型號更新為MAWS301。

圖片

圖1 氣象觀測場設施布局示意圖[5]

1.2 數據來源

本數據集主要出版鼎湖山站2005–2018年氣象因子的月數據，數據來源於VISILA自動觀測系統每日採集的氣象監測數據。生態站工作人員主要應用「生態氣象工作站」軟件或報表處理程序對原始觀測數據進行整理和分析，最終編制出符合規範的報表文件。依照自動氣象站數據採集器的各要素觀測順序，軟件首先生成氣象數據報表和輻射數據處理報表（簡稱M報表），完成數據質量審核和部分統計處理工作。其中數據質量審核環節主要利用M報表中相關功能對每月數據文件中的日觀測數據進行再次確認或修正，審核完成後即可將M報錶轉換成規範氣象數據報表（簡稱A報表），並在其中進行旬、月的各要素統計處理，在氣象報表中手工錄入人工觀測的相關觀測要素數據，軟件再進行旬、月的各要素統計處理，最後A報表完成並達到觀測規範的要求，工作人員就可以將符合規範的報表上報大氣分中心，大氣分中心再次核查後交綜合中心數據庫，完成觀測數據最後的處理與審核。

1.3 觀測儀器設施和數據採集精度

各項氣象指標原始數據的採集和處理方法如表1所示。

表1 原始數據具體的採集和處理方法

觀測指標	'觀測'設備	'觀測'層次	'數據'單位	'小數'位數	原始數據採集精度
氣溫、露點溫度	HMP45D溫度傳感器	距地面1.5 m防輻射罩內	°C	1	每10 s采測1次，每分鐘共采測6次，去除一個最大值和一個最小值後取平均值，作為每分鐘的觀測值存儲，正點時采測00 min的觀測值作為正點數據存儲。
相對濕度	HMP45D濕度傳感器	距地面1.5 m防輻射罩內	%	0
大氣壓、水汽壓、海平面氣壓	DPA501數字氣壓表	距地面小於1 m	hPa	1
土壤溫度	QMT110地溫傳感器	地表面0 cm和地面以下5、10、15、20、40、60、100 cm處	°C	1
降水	SM1-1型雨量器	距地面70 cm	mm	1	人工觀測每天8:00和20:00前12小時的累積降水量。
10 min平均風速	WAA151或者 WAC151風速傳感器	10 m風杆	m/s	1	每秒采測1次風速數據，以1 s為步長求3 s滑動平均值，以3 s為步長求1 min滑動平均風速，然後以1 min為步長求10 min滑動平均風速。正點時存儲00 min的10 min平均風速值。
太陽輻射	MAWS110系統	距地面1.5 m處	MJ/m2或mol/ m2	3	每10 s采測1次，每分鐘采測6次輻照度（瞬時值），去除一個最大值和1個最小值後取平均值。正點（地方平均太陽時）00 min採集存儲輻照度，同時計算存儲曝輻量（累積值）。

具體數據產品處理方法：空氣氣溫、露點溫度、相對濕度、氣壓、10 min平均風速、土壤溫度觀測指標某一定時數據缺測時，用前、後兩定時數據內插求得，按正常數據統計；若連續兩個或以上定時數據缺測時，不能內插，仍按缺測處理。一日中若24次定時觀測記錄有缺測時，該日按02∶00、08∶00、14∶00、20∶00共4次定時記錄求算日平均值。若4次定時記錄缺測一次或以上，但該日各定時記錄缺測5次或以下時，按實有記錄作日統計；缺測6次或以上時，不求算日平均值。用質控後的日均值合計值除以對應日數獲得月平均值，日極值合計值除以對應日數獲得月極值平均值。月極大值、月極小值來源於月報表每日定時數據統計。

太陽輻射的曝輻量缺測數小時但不是全天缺測時，按實有記錄做日合計；全天缺測時，不求算日合計值。一月中日總量缺測9天或以下時，月合計值等於實有日合計記錄之和；缺測10天或以上時，該月不做月統計，按缺測處理。降水月合計值等於每日累積降雨量數據之和，月極大值為當月的最大日合計值。

2 數據樣本描述

2.1 數據庫結構

本數據集包含17部分數據表，分別為：

1-2．空氣溫度、露點溫度表：年份、月份、日平均值月平均、日最大值月平均、日最小值月平均、月極大值、極大值日期、月極小值、極小值日期。

3．相对湿度表：年份、月份、日平均值月平均、日最小值月平均、月极小值、极小值日期。

4-6．大氣壓、水汽壓、海平面氣壓表：年份、月份、日平均值月平均、日最大值月平均、日最小值月平均、月極大值、極大值日期、月極小值、極小值日期。

7．降水錶：年份、月份、月合計值（人工觀測）、日降水月極大值、極大值日期。

8．10 min平均風速月平均表：年份、月份、月平均風速、月最多風向、最大風速、最大風風向、最大風出現日期、最大風出現時刻。

9．太陽輻射表：年份、月份、總輻射月合計值、反射輻射月合計值、紫外輻射月合計值、淨輻射月合計值、光合有效輻射月合計值、日照小時數月合計值、日照分鐘數月合計值。

10-17．地表、分層（5、10、15、20、40、60、100 cm）土壤溫度月平均表：年份、月份、日平均值月平均、日最大值月平均、日最小值月平均、月極大值、極大值日期、月極小值、極小值日期。

2.2 數據缺失情況

傳感器、採集器、傳輸通道故障等原因會導致數據缺失問題，數據缺失達到一定量時則不適宜求算相應月統計值，針對此類情況，數據表中已用「—」表示。由於站內工作人員定期對設備進行檢查和維護，數據完整度較高，缺失情況較少出現。

3 數據質量保證和質量控制

鼎湖山站氣象數據管理包含氣象監測管理和數據庫管理兩部分，氣象監測管理主要對傳感器和線路進行檢查和維護，包括傳感器靈敏度檢查、擦拭清潔、電纜線維修等；數據庫管理則是對原始觀測數據進行保存和備份、整理分析並統計^[1]。Milos520原始數據由於採集程序受干擾、供電系統質量出問題等，易造成數據存儲日期時間錯誤、亂碼、數據丟失等現象。M報表在數據處理中起關鍵作用，報表處理程序具備觀測數據質量的檢查功能。工作人員依照當地不同季節各觀測要素的歷史數據和理論計算值為參考輸入相應的檢驗參數，程序在生成M報表過程中會根據檢驗參數大小標紅超出閾值的數據，同時產生檢查結果日誌報告文件，工作人員即可對照日誌報告及時修正原始觀測數據的錯誤。如果是數據相鄰時次差過大，可能是傳感器損壞的指示信號，工作人員能儘早發現儀器故障問題並維修。當某要素傳感器經校準，儀器係數變化較大時，CERN氣象數據軟件2010版還增加了數據2次處理方法，可對月觀測數據進行訂正，有效避免大批量數據錯誤出現^[5]。不同氣象觀測指標其他具體質量控制和評估方法如表2所示。

表2 不同氣象觀測指標具體質量控制和評估方法

觀測指標	數據質量控制和評估方法
空氣氣溫露點溫度	（1）氣溫大於等於露點溫度。（2）將超出氣候學界限值域−80～60℃的數據劃分為錯誤數據。（3）1 min內允許的最大變化值為3℃，1 h內變化幅度的最小值為0.1℃。（4）24小時氣溫變化範圍均小於50℃。（5）利用與台站下墊面及周圍環境相似的一個或多個鄰近站的氣溫數據計算本台站氣溫值，比較台站觀測值和計算值，如果超出閾值即認為觀測數據可疑。
相對濕度	（1）相對濕度介於0～100%之間。（2）定時相對濕度大於等於日最小相對濕度。（3）幹球溫度大於等於濕球溫度（結冰期除外）。
氣壓	（1）超出氣候學界限值域300～1100 hPa的數據劃分為錯誤數據。（2）所觀測的氣壓不小於日最低氣壓且不大於日最高氣壓，本站海拔高度大於0 m，台站氣壓應小於海平面氣壓。（3）24小時變壓的絕對值小於50 hPa。
降水	（1）降雨強度不應超出氣候學界限值域0～400 mm/min。（2）降水量大於0.0 mm或者微量時，應有降水天氣現象。（3）由於本站降雨自動監測數據與人工測量值差別較大，而人工測量數據與附近高要站相近，故統一用人工統計數據。
10 min平均風速	（1） 超出氣候學界限值域0～75 m/s的數據為錯誤數據。（2）10 min平均風速小於最大風速。
太陽輻射	（1）總輻射最大值均不超過氣候學界限值2000 W/m2。（2）當前瞬時值與前一次值的差異小於最大變幅800 W/m2。（3）小時總輻射量大於等於小時淨輻射、反射輻射和紫外輻射；除陰天、雨天和雪天外，總輻射一般在中午前後出現極大值。（4）小時總輻射累積值應小於同一地理位置大氣層頂的輻射總量，小時總輻射累積值可以稍微大於同一地理位置在大氣具有很大透過率和非常晴朗天空狀態下的小時總輻射累積值，所有夜間觀測的小時總輻射累積值小於0時用0代替。
地表、土壤分層溫度	（1）超出氣候學界限值域−90～90℃的數據為錯誤數據；（2）1 min內允許的最大變化值為5℃，1 h內變化幅度的最小值為0.1℃；（3）定時觀測地表溫度大於等於日地表最低溫度且小於等於日地表最高溫度；（4）0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm地溫24小時變化範圍分別小於60℃、40℃、40℃、40℃、30℃、30℃、20℃、20℃。

為了保證數據的完整性、準確性和一致性，台站工作人員還對氣壓、氣溫、相對濕度、風向風速、地表溫度、降水進行人工觀測，數據庫管理人員一方面可以將其與自動觀測的數據進行對比和訂正，另一方面可用於插補氣象站自動監測過程中的缺失數據。其中鼎湖山氣象站的氣溫、降水數據還與廣東省肇慶市高要氣象站（112°16'9.6″E，23°1'12″N；觀測場海拔40 m，氣壓傳感器41.9 m）的數據進行了對比。此外，還對出版的各項氣象指標數據進行合理性分析與處理：首先查看數據表中是否存在極端值並核驗子表格內各項指標的大小關係，如月極大值應大於日最大值月平均值等，當存在不合理的數據時，即查詢對應時間段內的原始監測數據，觀察數據波動情況、缺測值數量以及統計過程，依據實測數據作相應的修正處理。

4 數據價值

氣象數據綜合體現觀測地的水熱狀況，反映觀測地植被–大氣界面內的氣流運動、太陽輻射平衡和水分平衡等過程，是農、林、水利等相關領域研究者了解當地氣候、地形、土壤以及植被特徵相互關係的基礎資料^[6][7]。

氣象數據是開展氣象預報預警、公共氣象服務的基礎。標準化、系統化、長期的局地氣象要素觀測與數據共享，能夠有效提升區域氣象預報尤其是極端天氣預警準確度，為開展公共服務、防災減災等工作提供重要支撐。

基於中國亞熱帶氣候特徵及其形成機理，鼎湖山所處地區水熱環境對全球氣候變化極其敏感^[8]。本數據集詳實、系統的氣象數據報道亦能夠為氣候變化與地表覆蓋變化背景下的生態學、地理學、水文學等相關學科發展及其創新研究提供基礎支撐。

參考文獻

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數據引用格式

劉佩伶, 張倩媚, 劉效東, 等. 2005–2018年中國科學院鼎湖山森林生態系統定位研究站氣象數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-04-06). DOI: 10.11922/sciencedb.966.