2009–2018年中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站氣象輻射數據集

2009–2018年中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站氣象輻射數據集
作者：喬田華　宋長春
2019年9月26日

本作品收錄於《中國科學數據》

喬田華, 宋長春. 2009–2018年中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站氣象輻射數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019. (2019-09-16). DOI: 10.11922/csdata.2019.0049.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：氣候因子是濕地發育的主要驅動因子，是濕地形成、發育和產生不同特徵差異的控制因素。中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站是中國生態系統研究網絡（CERN）和國家野外科學觀測研究站的基本站。三江站地處的三江平原是中國最大淡水沼澤濕地集中分布區，是全球變化最為敏感的區域之一，在全球溫帶濕地生態系統中具有相當的典型性和代表性，也是重要的國家商品糧生產基地。針對目前三江平原地區長時間序列多要素氣象輻射數據發表較少的現狀，本文利用三江站氣象觀測場Vaisala（芬蘭）自動氣象觀測系統，經過數據採集與處理，數據質量控制和評估，將2009–2018年10年氣象輻射數據共計14個表格102 KB公開報道，以期為保障國家糧食安全和區域生態安全提供數據積累與技術支持。

關鍵詞：氣候因子；沼澤濕地；淡水沼澤；氣象輻射數據

Abstract & Keywords

Abstract: Meteorological factors are the main drivers for wetland development and also the controlling factors for wetland formation and characteristic differentiation. The Sanjiang Plain Experimental Station of Wetland Ecology, Chinese Academic of Sciences, is a basic station of the national field observation for scientific research. The Sanjiang Station locates in the Sanjiang Plain which is the largest concentrative distribution area for fresh water wetlands in China. The Sanjiang Plain is a sensitive area for global warming and an important national crop production bases. It is typical and representative of temperate wetland ecosystems. At present, long-term time series of meteorological data published of the Sanjiang Plain is quite limited. In this paper, we report 10 years of meteorological and radiant data during 2009 – 2018 with 14 tables of 102 KB after data collection, processing and quality control and assessment, using the automatic Vaisala (Finland) meteorological system. We hope to provide important data accumulation and technical support for the national food and regional ecological securities.

Keywords: meteorological factors; wetland; freshwater marsh; meteorological and radiant data

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2009–2018年中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站氣象輻射數據集
數據作者	喬田華、宋長春
數據通信作者	宋長春（songcc@iga.ac.cn）
數據時間範圍	2009–2018年
地理區域	中國生態系統研究網絡（CERN）三江沼澤濕地生態試驗站、三江國家野外科學觀測研究站（東經133º31′，北緯 47º35′），位於黑龍江省同江市洪河農場。本數據集來自三江沼澤濕地生態試驗站的氣象觀測場。
數據量	102 KB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/866http://sjm.cern.ac.cn/meta/metaData
基金項目	中國生態系統觀測研究網絡野外台站運行服務費；科技部國家野外科學觀測研究站運行服務費。
數據庫（集）組成	本數據集由14部分逐月氣象輻射數據表組成，分別為：氣溫，相對濕度，氣壓，降水，10 min平均風速，地表溫度，土壤溫度（5 cm），土壤溫度（10 cm），土壤溫度（15 cm），土壤溫度（20 cm），土壤溫度（40 cm），土壤溫度（60 cm），土壤溫度（100 cm），太陽輻射。

Dataset Profile

Title	Meteorological and Radiant Dataset observed by Sanjiang Plain Experimental Station of Wetland Ecology, Chinese Academic of Sciences, during 2009 – 2018
Data authors	Qiao Tianhua, Song Changhcun
Data corresponding author	Song Changchun (songcc@iga.ac.cn)
Time range	2009 – 2018
Geographical scope	Sanjiang Plain Experimental Station of Wetland Ecology, Chinese Ecosystem Research Network; National Field Observation and Research Station of the Sanjiang Plain（133º31′E, 47º35′N）, locates in the Honghe Farm of Tongjiang City. The dataset came from the meteorological field of the Sanjiang Station.
Data volume	102 KB
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/866><http://sjm.cern.ac.cn/meta/metaData>
Sources of funding	Supported by Chinese Ecosystem Research Network of Chinese Academy of Sciences and National Ecosystem Research Network of China, Ministry of Science and Technology.
Dataset composition	The dataset consists of the following fourteen monthly meteorological and radiant tables: temperature, relative humidity, air pressure, precipitation, 10 min average wind speed, soil surface temperature, soil temperature (5 cm), soil temperature (10 cm), soil temperature (15 cm), soil temperature (20 cm), soil temperature (40 cm), soil temperature (60 cm), soil temperature (100 cm), solar radiation.

引 言

氣候因子是濕地發育的主要驅動因子，是濕地形成、發育和產生不同特徵差異的控制因素^[1]。冬季凍結期漫長，夏秋季節多雨且蒸發量少，有利於水分的積聚，是該區沼澤濕地大面積發育的重要氣候因素。氣候變化能夠顯著影響濕地的水文情勢，誘發侵蝕並改變濕地沉積速率，導致濕地面積的變化，是濕地面積擴張與萎縮的主要因素^[2]。

中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站（簡稱三江站）以濕地生態系統及濕地農田生態系統為研究對象，1992年成為中國生態系統研究網絡的基本站，2005年進入國家野外科學觀測研究站。三江站地處的三江平原位於黑龍江省東北部，是由黑龍江、松花江、烏蘇里江沖積形成的低平原，區域氣候為溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，1月平均氣溫低於-18℃，7月平均氣溫21～22℃，年均降水量500～600 mm，且主要集中在7–9月，占全年降水量的60%^[3]。三江平原是我國最大的淡水沼澤濕地集中分布區，是全球變化最為敏感的區域之一，在全球溫帶濕地生態系統中具有相當的典型性和代表性。作為中國重要的糧食生產基地和淡水濕地集中分布區，三江平原對於保障國家糧食安全和區域生態安全具有舉足輕重的地位^[4]。近幾十年來，三江平原沼澤濕地經歷多次大面積墾殖，濕地農田化現象嚴重，自然濕地大面積喪失，並引發一系列區域生態環境問題^[5]。

針對三江平原地區長時間序列多要素氣象輻射數據發表較少的現狀，本數據集整理了三江站2009-2018年的多要素氣象輻射觀測月平均數據，以期為我國區域生態與環境安全提供基礎數據支撐。

1 數據採集和處理方法

本數據集的構建過程主要包括：原始觀測數據採集、數據報表處理、缺失數據插補、數據質量控制與評估、數據上報與反饋、數據集的形成與入庫。

1.1 數據來源

數據主要來自於三江站Vaisala（芬蘭）自動氣象觀測系統，數據採集地為三江站氣象觀測場（47°35'14"N，133°31'12"E）。三江站按照中國生態系統研究網絡（CERN）生態系統大氣環境觀測規範的觀測指標和觀測分析方法要求，設立固定氣象觀測場，開展生態系統大氣環境長期觀測工作。三江站氣象觀測場面積25 m×25 m，海拔高差55 m，位於三江站常年積水區綜合觀測場和季節性積水區輔助觀測場的中間地帶，能很好地代表三江站沼澤濕地的氣象狀況。

1.2 數據採集方法

三江站氣象觀測遵循CERN生態系統大氣環境觀測規範，採用的方法取自世界氣象組織《氣象儀器和觀測方法指南》（WTO, No.8, 1992）、中國氣象局《地面氣象觀測規範》（2004年版）等標準文獻。每日北京時間00:00時在自動氣象觀測系統的數據採集器中生成日數據文件，文件以年月日6位數碼加.log命名，每小時整點時刻在日數據文件中存儲氣象數據一組（組名：CMA_LOG）和輻射數據一組（組名：CMA_RAD）。Vaisala公司按照CERN大氣分中心數據格式要求提供自動氣象站運行程序，實現數據的採集與通信等。通過數據通訊線纜連接自動氣象站與三江站室內電腦，利用氣象站軟件實現數據的實時查看與日數據文件的下載採集功能。氣象輻射數據的採集方法具體採集方法見表1。

表1 氣象輻射數據具體採集方法

觀測指標	觀測傳感器	採集方法	觀測層次
氣壓	PTB300數字氣壓表	觀測頻率為1次/每分鐘，正點（地方時）采測00 min的每分鐘氣壓平均值作為正點數據存儲。	距離地面小於1 m
氣溫	HMP155溫度傳感器	觀測頻率為1次/每分鐘，正點（地方時）采測00 min的每分鐘溫度平均值作為正點數據存儲。	距離地面1.5 m
相對濕度	HMP155濕度傳感器	觀測頻率為1次/每分鐘，正點（地方時）采測00 min的每分鐘濕度平均值作為正點數據存儲。	距離地面1.5 m
降水	RG13H型雨量計	每分鐘計算出1 min降水量，正點（地方時）計算、存儲1 h的累積降水量。	距地面70 cm
10 min平均風速	WAA151風速傳感器	觀測頻率為1次/每分鐘，正點（地方時）存儲00 min的10 min滑動平均風速值。	10 m風杆
地表溫度	QMT110地溫傳感器	觀測頻率為1次/每分鐘，正點（地方時）采測00 min的地表溫度平均值作為正點數據存儲。	地表面0 cm處
土壤溫度（5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm）	QMT110地溫傳感器	觀測頻率為1次/每分鐘，正點（地方時）采測00 min每分鐘對應深度的土壤溫度平均值作為正點數據存儲。	地面以下5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm處
太陽輻射	總輻射表反射輻射表紫外輻射表淨輻射表光合有效輻射表	觀測頻率為1次/每分鐘，正點（地方時）采測00 min太陽輻射瞬時平均值作為正點數據存儲，同時存儲曝輻量（累計值）。	距離地面1.5 m處

1.3 數據處理方法

自動氣象站數據處理主要依靠大氣分中心下發的報表處理程序，按月份處理採集得到的觀測數據，對異常數據檢查修正、數據質量控制和規範報表製作均在報表處理程序中進行。

1.3.1 數據預處理

運行報表處理程序，點擊生成自動站報表M，程序對當月數據進行初步檢查，報表日誌內會提示哪些文件的數據存在異常或亂碼。根據日誌內容，打開對應數據文件檢查原始數據，進行手工修正或剔除。具體數據預處理過程，可參見《生態大氣環境觀測手冊》的製作數據報表過程與技巧。

1.3.2 製作數據報表

把經過質量控制後的觀測數據，按照自動氣象站數據採集器的各要素觀測順序，分別製成氣象數據報表和輻射數據報表，稱為自動站報表（M），簡稱M報表。在M報表中進行氣象數據和輻射數據的質量審核和日統計處理工作。把審核處理完成的M報錶轉換成「規範氣象數據報表（A）」，簡稱為A報表。在A報表中手工錄入氣象人工觀測數據後，進行旬和月的各氣象輻射要素統計處理工作，最後形成符合觀測規範要求的A報表。經台站初步質控和審核後，提交至中國生態系統研究網絡大氣分中心。大氣分中心進行質控和二次審核後，反饋給台站並上交至中國生態系統研究網絡綜合研究中心^[6]，完成各氣象輻射要素數據集的入庫工作。報表的處理流程見圖1。

圖片

圖1 報表處理流程圖

2 數據樣本描述

本數據集由14個逐月氣象輻射要素的表單組成，每個表單對應一個逐月觀測要素，生態站代碼為SJM，代表中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站。以2017年三江站自動氣象站逐月氣溫為例描述數據的組織方式（表2）。

表2 三江站自動氣象站逐月氣溫（℃）

生態站代碼	年	月	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
SJM	2013	1	−23.68	−17.9	−29.02	−11.8	21	−34.5	8
SJM	2013	2	-	-	-	2.9	1	−32.5	6
SJM	2013	3	−9.17	−3.29	−15.24	5.3	27	−24.1	3
SJM	2013	4	2.74	7.51	−1.55	15.4	29	−10.8	1
SJM	2013	5	14.62	20.44	9.58	29.1	31	2.8	2
SJM	2013	6	20.73	26.24	15.71	32.6	25	7.7	3
SJM	2013	7	22.27	27.57	17.65	32.5	7	10.3	12
SJM	2013	8	20.62	25.78	16.95	31.2	1	8.5	29
SJM	2013	9	14.21	21.04	8.55	27.2	9	−0.8	30
SJM	2013	10	4.99	11.37	−0.04	21.6	7	−7.1	16
SJM	2013	11	−3.73	0.44	−7.3	10.7	5	−20.2	29
SJM	2013	12	−18.64	−13.29	−23.81	−4.1	5	−32.5	11

表中2013年2月「-」代表數據缺測，由於2013年2月10日至19日氣象觀測場供電線路故障，導致數據缺測天數較多，數據處理報表程序無法統計月平均值。圖2為三江站2009–2018年日平均值、日最大值和最小值月均值的長期變化趨勢。

圖片

圖2 三江站2009–2018年日均值、日最大值和日最小值月均值

3 數據質量控制和評估

為獲取高質量的觀測數據，避免和減少出現數據缺測和記錄異常的現象，保證觀測記錄的完整性和準確性，需要進行多方面的數據質量控制，以便滿足生態系統研究的需要。

3.1 傳感器維護

自動氣象站主要依靠各傳感器採集觀測數據，因此傳感器的日常維護是獲取高質量氣象觀測數據的基礎。維護項目主要包括：氣壓傳感器、溫濕度傳感器、風向和風速傳感器、地表溫度和土壤溫度傳感器、土壤熱通量、日照計、翻斗雨量計以及輻射傳感器等。

3.2 實時數據檢查

通過數據通信線纜將觀測場自動氣象站與室內計算機相連接，氣象站軟件界面將顯示自動氣象站的實時分鐘數據和正點觀測數據。通過設置氣象站運行審核參數，對於超出設定範圍的實時數據，系統會彈出報警提示，以便及時發現問題進行處理。另外，還要進行人工檢查實時數據，查看各觀測要素是否符合日、月、年的變化規律，以保證觀測數據質量。

3.3 數據質量控制

在製作氣象數據報表時，需要氣象管理員依據本站的地理位置和歷史數據，在報表處理程序中輸入各觀測要素的檢驗條件參數，利用報表處理程序對月報表中的數據進行自動檢驗，完成對數據文件的錯誤檢查。對於數據文件的亂碼、日期時間記錄錯誤、某個氣象要素無記錄等情況，需要手工修正、剔除或插補。生成M報表是報表製作的關鍵過程，自動站觀測數據的質量控制、檢查以及處理的方法技術都是在這個過程中完成。上報數據報表前，進行站級數據審核，按要求填寫數據質量信息報表。將觀測數據和規範報表上報CERN大氣分中心後，大氣分中心其會對觀測報表進行再次審核，然後提交綜合中心並反饋給台站完成數據入庫工作。氣象數據具體質量控制和評估方法見表3。

表3 氣象數據質量控制和評估方法

觀測指標	數據質量控制和評估方法
氣溫	（1）某一定時氣溫缺測時，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；（2）一日中若24次定時觀測記錄有缺測時，該日按照02、08、14、20時4次定時記錄做日平均；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，不做日平均。
相對濕度	（1）某一定時相對濕度缺測時，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；（2）一日中若24次定時觀測記錄有缺測時，該日按照02、08、14、20時4次定時記錄做日平均；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，不做日平均。
降水	（1）降雨強度超出氣候學界限值域0～400 mm/min的數據為錯誤數據；（2）降水量大於0.0 mm或者微量時，應有降水或者雪暴天氣現象；（3）一日中各時降水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，不做日合計，按缺測處理。
氣壓	（1）某一定時氣壓缺測時，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；（2）一日中若24次定時觀測記錄有缺測時，該日按照02、08、14、20時4次定時記錄做日平均；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，不做日平均。
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）一日中若24次定時觀測記錄有缺測時，該日按照02、08、14、20時4次定時記錄做日平均；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，不做日平均。
地表溫度	（1）某一定時地表溫度缺測時，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；（2）一日中若24次定時觀測記錄有缺測時，該日按照02、08、14、20時4次定時記錄做日平均；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，不做日平均。
土壤溫度 （5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm）	（1）某一定時土壤溫度缺測時，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；（2）一日中若24次定時觀測記錄有缺測時，該日按照02、08、14、20時4次定時記錄做日平均；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，不做日平均。
太陽輻射	（1）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；（2）輻射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，不做日合計。

3.4 數據缺失情況

由於自動氣象站內部程序存在偶然跑飛的現象，出現部分觀測數據日期時間記錄錯誤或亂碼的情況，導致部分或整小時的氣象輻射數據缺失；溫濕度傳感器等傳感器也存在偶發故障，發生部分溫度、最高溫度、最低溫度和濕度等無記錄的情況；供電線路出現故障，也會導致缺失部分觀測數據。雖然儀器運行過程中，難免會出現各種問題，但在三江站監測人員的努力下，氣象觀測數據的完整率仍在99.5%以上。

4 數據價值

本數據集的觀測數據嚴格遵循中國生態系統觀測研究網絡（CERN）生態系統大氣環境觀測規範，經過試驗站初級質量控制和大氣分中心二次質量審核後，保證觀測數據的真實性和可靠性，且與其他CERN野外台站氣象數據格式統一，具有良好的可比性。濕地是一種廣泛分布的綜合自然體，氣候變化對區域沼澤濕地面積的消長具有直接的驅動作用。但是，高強度的人類活動，尤其是大規模的沼澤農業開墾是造成三江平原沼澤減少的主要原因。本數據集可為深入研究濕地氣候變化、濕地生態系統穩定性維護機制及三江平原天然沼澤濕地的保護與恢復等提供數據支撐，對於保障國家糧食安全和區域生態安全具有重要意義。

致 謝

感謝CERN大氣分中心的劉廣仁、胡波老師在傳感器標定和終端數據質量控制方面的貢獻；感謝中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站的宋長春、郭躍東、韓哲、譚穩穩、孫麗等老師在儀器維護與數據處理工作中的辛苦付出。

參考文獻

1. Winkler M G. Effective of climate on development of two Sphagnum bogs in South-Central Wisconsin[J]. Ecology, 1988, 69(4): 1032-1043.
2. 呂憲國. 中國濕地與濕地研究[M]. 石家莊: 河北科學技術出版社, 2008.
3. 陳剛起. 三江平原沼澤研究[M]. 北京: 科學出版社, 1996.
4. 王宗明, 宋開山等. 1954-2005年三江平原沼澤濕地農田化過程研究[J]. 濕地科學, 2009, 7(3): 208-21.
5. 劉興土, 馬學慧. 三江平原自然環境變化與生態保育[M]. 北京: 科學出版社, 2002.
6. 劉慧, 唐利琴, 胡波, 等. 2005～2015年CERN光合有效輻射數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2017, 2(1): 1-10. DOI: 10. 11922/csdata.170.2016.0100.

數據引用格式

喬田華, 宋長春. 2009–2018年中國科學院三江平原沼澤濕地生態試驗站氣象輻射數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-08-29). DOI: 10.11922/csdata.2019.0049.zh.