2003–2010年西雙版納熱帶季節雨林碳水通量觀測數據集
| 2003–2010年西雙版納熱帶季節雨林碳水通量觀測數據集 作者：起德花 張一平 宋清海 費學海 沙麗清 劉運通 周文君 周立國 鄧曉保 羅艷 鄧雲 2020年7月1日 |
 起德花, 張一平, 宋清海, 等. 2003–2010年西雙版納熱帶季節雨林碳水通量觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-06-03). DOI: 10.11922/csdata.2020.0037.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：本研究利用渦度相關技術，預測全球區域性氣候變化趨勢，評價生態系統對氣候變化貢獻，開展生態系統與大氣之間碳、水和能量交換監測研究，進而發現生態系統變化規律。西雙版納生態站作為中國生態系統觀測網（CERN）和中國通量研究網絡（ChinaFLUX）的基礎觀測站點，基於ChinaFLUX數據處理體系，已持續積累了17年標準化的熱帶季節雨林生態系統碳水通量和關鍵氣象要素數據集。本數據集不僅服務於教學、科研、管理、生活的各個方面，還服務於地方經濟發展、生態安全、政府決策等，並在高質量論文、專著和國家及省部級獎項方面取得了豐碩的成果。本數據集是面向國家重大發展戰略和服務地方應用的有力支撐。
關鍵詞：渦度相關技術；通量數據；碳水循環；氣象要素；熱帶季節雨林；西雙版納
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: Using eddy covariance technology, the global regional climate change trend is predicted and the contribution of ecosystem to climate change is evaluated. We monitored carbon, water and energy exchange between the ecosystem and the atmosphere, and then discovered the rules of ecosystem change. Xishuangbanna Ecological Station, as a basic observation station of China Ecosystem Observation Network (CERN) and ChinaFLUX Research Network (ChinaFLUX), has continuously accumulated 17 years of standardized dataset of carbon and water fluxes and key meteorological elements in tropical seasonal rain forest ecosystem based on ChinaFlux data processing system. This dataset not only serves all aspects of teaching, scientific research, management and life, but also serves local economic development, ecological security, government decision-making, etc., and has achieved fruitful results in high-quality papers, monographs and national, provincial and ministerial awards. This dataset is a strong support for facing major national development strategies and serving local applications.
Keywords: eddy covariance technique; flux data; carbon-water cycle; meteorological elements; tropical seasonal rain forest; Xishuangbanna
數據庫（集）基本信息簡介[編輯]
| 數據庫名稱 | 2003–2010年西雙版納熱帶季節雨林碳水通量觀測數據集 |
| 數據通信作者 | 張一平（yipingzh@ xtbg.ac.cn）、宋清海（sqh@xtbg.ac.cn） |
| 數據生產者 | 起德花、費學海、沙麗清、劉運通、周文君、周立國、鄧曉保、羅艷、鄧雲 |
| 數據時間範圍 | 2003-2010年 |
| 地理區域 | 雲南省西雙版納州勐臘縣西雙版納生態站 |
| 生態系統類型 | 熱帶季節雨林生態系統 |
| 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?classcode=SYC_A02 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1014（暂不开放） |
| 基金項目 | 國家重點基礎研究發展計劃 |
| 數據庫組成 | 分為半小時、日尺度、月尺度和年尺度常規氣象數據（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、太陽輻射、光合有效輻射和降水等）和碳水通量（生態系統總初級生產力、生態系統呼吸、淨生態系統生產力、潛熱通量、顯熱通量）數據產品表格。 |
Dataset Profile[編輯]
| Title | Observation Dataset of carbon and water fluxes in Xishuangbanna Tropical Seasonal Rain Forest from 2003 to 2010 |
| Correspondence | Zhang Yiping (yipingzh@ xtbg.ac.cn), Song Qinghai（sqh@xtbg.ac.cn） |
| Data producer | Qi Dehua, Fei Xuehai, Sha Liqing, Liu Yuntong, Zhou Wenjun, Zhou Liguo, Deng Xiaobao, Luo Yan, Deng Yun |
| Time range | 2003-2010 |
| Study site | Xishuangbanna Ecological Station, Mengla County, Xishuangbanna Prefecture, Yunnan Province. |
| Ecosystem type | Tropical seasonal rain forest ecosystem |
| Data amount | 36 MB |
| Data format | *.xlsx |
| Data service system | <http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYCA02> < http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1014> (not open yet) |
| Source of funding | National basic research program of China |
| Dataset composition | The dataset includes routine meteorological data (air temperature, air relative humidity, vapor pressure, wind speed, wind direction, soil temperature, soil moisture, solar radiation, photosynthetic active radiation, and precipitation, etc.) and carbon and water fluxes (gross ecosystem primary productivity, ecosystem respiration, net ecosystem productivity, latent heat flux, sensible heat flux), forming data products of half hour, day, month, and year scales. |
引 言[編輯]
熱帶季節雨林碳水循環過程和變化機理是農業、遙感、水文、生態、社會經濟、氣象、地質災害等相關領域的前沿性研究。深入了解其變化過程對天氣預報、全球氣候變化、水資源利用等相關研究工作具有重要意義[1]。從20世紀80年代開始，生態系統碳水通量長期觀測已引起世界各國專家學者們的普遍關注[2]。到20世紀90年代，歐洲、日本和美國共同成立了全球通量觀測網絡（FLUXNET），並已開始獲取碳水通量觀測數據[3]。渦度相關技術是目前應用較廣泛的監測方法[4]，而渦度相關儀器作為最普遍的通量觀測系統[5]，在FLUXNET中已分布了500多個觀測站點。目前，在中國有100多個通量觀測站點，其中，有50餘個觀測站用於開展陸地生態系統通量觀測研究工作，包括土壤熱流、輻射、風、溫濕梯度以及CO2通量與近地層水熱等[6][7]。
西雙版納生態站作為中國生態系統觀測網（CERN）和ChinaFLUX的基礎觀測站點[8]。由於該地處於熱帶北緣，海拔偏高，年平均溫度和年降雨量相對較低，並且降雨季節變化明顯。特殊的地理環境、氣候和植被結構，使其生態系統具有生物多樣性豐富、生產力高的特性，在區域的生態環境、緩解氣候變暖和全球碳循環方面具有重要作用[9]。
在中國科學院知識創新工程重要方向項目「中國陸地生態系統碳氮通量特徵及其環境控制作用研究」，國家重點基礎研究發展計劃（國家973項目）「中國陸地生態系統碳-氮-水通量的相互關係及其環境影響機制」等支持下，在西雙版納生態站利用渦度相關技術，預測全球區域性氣候變化趨勢，評價生態系統對氣候變化貢獻，開展生態系統與大氣之間碳、水和能量交換監測研究等。西雙版納生態站積累了17年的碳水通量數據，以期服務於政府和科研機構，提高公眾使度，進而推動中國乃至全球陸地生態系統碳水通量研究及相關領域的發展。
1 數據採集和處理方法[編輯]
1.1 數據來源[編輯]
通量塔位於中國科學院西雙版納熱帶植物園內，101°12′44″E，21°57′32″N，平均海拔為756 m，年平均氣溫為21.5℃，最冷月（1月）平均溫度為16.0℃，最熱月（6月）平均溫度為25.7℃，年Σ t ≥10℃和Σ t ≥18℃積溫分別為7959.2℃和6638.1℃。平均日照時數為1858.7 h。多年平均降水量為1556.8 mm[10]，但各月份分配不均，87 %的降水集中在5–10月，年平均相對濕度為85 %。林下土壤為磚紅壤，腐殖質層厚1–3 cm，落葉層厚2–5 cm，土壤偏酸（PH<5）。年平均風速僅為0.4 m/s，是著名的靜風區[11]。版納熱帶季節雨林不僅霧日較多，而且還存在「碳湖」現象，「碳湖」在4–9月出現頻率較高，在10–3月出現頻率較低，存在明顯的季節變化特徵，影響高度可達20 m[12]。
通量塔位於起伏山坡階梯上的小凹地處，四面有山丘[13]，鐵塔底部與周圍山丘頂的水平距離為400–686 m，相對高差為80–70 m。通量塔所處植被類型為熱帶季節雨林，優勢種主要為絨毛番龍眼（Pometia tomentosa）、千果欖仁（Terminalia myriocarpa），其群落高35 m左右，生物量大約500 t /ha，該雨林群落胸徑≥10 cm的立木密度為386棵/ hm2，平均樹高18.6 m[14]。
通量塔於2002年底正式投入使用，通量塔上安裝有開路渦度相關通量系統和多層微氣象觀測系統。氣象梯度觀測系統包括：7層3杯風速儀和溫濕度構成風速和溫濕度垂直梯度觀測系統；此外，還設置了6層PAR傳感器以觀測PAR垂直變化；在通量塔頂層設置了太陽輻射傳感器和雨量筒；在鐵塔41.6 m處設置了太陽輻射傳感器以觀測太陽總輻射4分量動態；還觀測了地表溫度、土壤熱通量、9層土壤溫度梯度、3層土壤體積含水量等相關數據；此外，還在植被冠層安裝紅外溫度傳感器，以監測植物冠層表面溫度變化。
1.2 數據採集方法[編輯]
觀測系統的渦度相關和氣象梯度觀測數據都是通過數據採集器Datalogger進行自動採集並存儲，CO2、H2O和能量通量系統頻率為10 Hz，常規氣象要素的數據採樣頻率為0.5 Hz。為了保證數據可比性和準確性，提升研究結果可靠性，對所有儀器設備進行定期校對和維護。各觀測項目測定所用儀器及型號、儀器製造商，以及數據採集傳感器及其廠家等相關信息見表1，氣象數據觀測高度見表2。
表1 觀測項目所用分析儀相關信息
| 觀測系統 | 測定要素 | 分析儀器 | '分析儀'製造商 | 數據採集傳感器 | 數據採集傳感器製造商 | |
| 常規氣象要素 | 空氣溫度/濕度 | HMP45C | VAISALA | CR10XCR23X | 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 | LQS70-10 | APOGEE | ||||
| 風速 | A100R | VECTOR | ||||
| 風向 | W200P | VECTOR | ||||
| 壓力 | CS105 | VAISALA | ||||
| 紅外溫度傳感器 | IRTS-P | POGEE | ||||
| 土壤溫度 | 105T/107-L | CAMPBELL | ||||
| 土壤水分 | CS615-L | CAMPBELL | ||||
| 土壤熱通量 | HFP01 | HUKSEFLUX | ||||
| CO2和水熱通量 | 三維超聲風速 | CSAT3 | CAMPBELL | CR5000 | CAMPBELL | |
| CO2、H2O密度 | LI-7500A | LI-COR | ||||
| 顯/潛熱通量 | LI-7500A | LI-COR | ||||
1.3 數據處理和產品加工方法[編輯]
數據處理基本基於ChinaFLUX流程與標準[15][16]，但基於站點（site-based）地形及氣候，故數據處理時我們做出改進/訂正：詳細方法見姚玉剛等和費學海等的文獻[17][18]。數據處理流程見圖1。
圖1 渦度相關系統30 min碳水通量數據處理流程數據（改自文獻[15]）
數據質量保證/質量控制：
（1）數據校正——坐標軸旋轉（採用自然風系統三次旋轉方法）、WPL校正。
（2）數據的篩選，對摩擦風速u* < 0.1 m/s（由於地處山坳，且該地區常年風速小，故沒有採用ChinaFLUX規定的u* < 0.2 m/s標準）的數據進行剔除；對有降雨發生的通量和CO2濃度數據進行了剔除；對輸出30 min的通量值為1.#IND,1.#INF,NAN（1.#IND,1.#INF,NAN均為數據缺失值）的數據進行剔除，對明顯超過其正常範圍的數據進行刪除；對X > |M ±5d|（X代表要判斷的當前數值，M、d分別代表5天數據的平均值M和方差d）的數據進行剔除；對天亮到11:00這個時段Fc > 0 mg /m2 s的數據進行剔除（由於形成「碳湖效應」和「假碳源效應」，故剔除）。
（3）能量閉合評價。
（4）平面擬合，冠層存儲項採用CO2濃度的單點估算方式。
缺失數據插補： 缺失數據的插補主要分以下三種情況：
（1）對於短時間（小於2小時）內缺失的通量和氣象觀測數據：採用內插的方式完成插補。
（2）對於長時間缺失的氣象數據：採用日平均值法[19]，將缺失數據日前後各4天（共8天）每半小時的平均值求出，對缺失的時段進行相應插補[20]，潛熱和顯熱通量的缺失值則通過建立其與淨輻射之間經驗回歸關係式（對白天、夜間和不同季節分別進行擬和）進行插補。
（3）對於由於儀器故障，系統校正，天氣狀況和剔除野點造成的數據的缺失，使用非線性回歸法進行插補。
CO'2'通量數據拆分： 採用邊際分布採樣法完成數據拆分。首先，基於夜間觀測數據，採用和缺失數據插補時相同的回歸方程，確定生態系統呼吸方程中的係數，然後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[編輯]
2.1 數據子集與數據量[編輯]
本數據集為版納熱帶季節雨林2003–2010年連續8年的碳水通量觀測數據，每年有8個EXCEL數據文件，分為兩類數據文件，一類常規氣象數據文件，一類通量數據文件，每年每類數據文件各有4個，即30 min、日、月和年尺度，總共64個文件，總數據量36 MB。
2.2 數據文件示例[編輯]
以2003年數據文件為例，表2–3分別為2003年版納熱帶季節雨林30分鐘氣象和通量數據表頭說明，所有數據均是以數字形式呈現。氣象觀測系統包括7層三杯風速儀（A100R，VECTOR, UK），近地面觀測高度為4.2 m。7層溫濕探頭（HMP45C, VAISALA, Netherlands）。氣壓觀測設置在距地表4.2 m高度（CS105, VAISALA, Netherlands），頂層設置有雨量筒（52203, RM YOUNG, USA）。上述儀器均與CR10X型數據採集器（CR10X, Campbell, USA）相連，每30 min輸出一組平均值。
表2 氣象數據表說明及指標觀測高度
| 數據項 | 計量單位 | 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 | ℃ | 4.2 m | 近地面平均空氣溫度 | |
| 冠層上方空氣溫度 | ℃ | 42 m | 冠層上方平均空氣溫度 | |
| 近地面空氣濕度 | % | 4.2 m | 近地面平均相對濕度 | |
| 冠層上方空氣濕度 | % | 42 m | 冠層上方平均相對濕度 | |
| 近地面水汽壓 | kPa | 4.2 m | 近地面水汽壓 | |
| 冠層上方水汽壓 | kPa | 42 m | 冠層上方水汽壓 | |
| 近地面風速 | m/s | 4.2 m | 近地面風速 | |
| 冠層上方風速 | m/s | 42 m | 冠層上方風速 | |
| 風向 | degree | 70 m | 風向 | |
| 大氣壓 | kPa | 4.2 m | 大氣壓強 | |
| 太陽輻射 | W/m2 | 70 m | 太陽輻射 | |
| 淨輻射 | W/m2 | 41 m | 淨輻射 | |
| 光合有效輻射 | μmol/m2 | 70 m | 光合有效輻射 | |
| 一層土壤溫度 | ℃ | 0 m | 0 cm土壤溫度 | |
| 二層土壤溫度 | ℃ | -40 m | 40 cm土壤溫度 | |
| 三層土壤溫度 | ℃ | -60 m | 60 cm土壤溫度 | |
| 四層土壤溫度 | ℃ | -80 m | 80 cm土壤溫度 | |
| 五層土壤溫度 | ℃ | -100 m | 100 cm土壤溫度 | |
| 一層土壤體積含水量 | m3/mm | -5 cm | 5 cm土壤水分 | |
| 二層土壤體積含水量 | m3/mm | -20 cm | 20 cm土壤水分 | |
| 三層土壤體積含水量 | m3/mm | -40 cm | 40 cm土壤水分 | |
| 降水量 | mm | 72 m | 總降雨量 | |
表3 通量數據表說明
| 數據項 | 計量單位 | 數據項說明 |
| 年 | 年份 | |
| 月 | 月份 | |
| 日 | 日期 | |
| 時 | 小時 | |
| 分 | 分鐘 | |
| 質控NEE | mg CO2 m-2 s-1 | 進行質量保證/質量控制後半小時尺度的淨生態系統生產力 |
| 質控LE | W m-2 | 進行質量保證/質量控制後半小時尺度的潛熱通量 |
| 質控Hs | W m-2 | 進行質量保證/質量控制後半小時尺度的顯熱通量 |
| NEE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小時尺度的淨生態系統生產力 |
| RE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小時尺度的生態系統呼吸 |
| GEE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小時尺度的總生態系統生產力 |
| LE | W m-2 | 半小時尺度的潛熱通量 |
| Hs | W m-2 | 半小時尺度的顯熱通量 |
3 數據質量控制和評估[編輯]
半小時尺度上，不同年份之間淨生態系統生產力（NEE）、潛熱通量（LE）和顯熱通量（H）有效觀測數據比例分別為48.0%–83.0%、57.4%–91.1%、58.1 %–92.2%，其中，除2008年潛熱通量和顯熱通量有效數據在57.4%和58.1%外，其餘年份潛熱通量和顯熱通量有效數據量均達到70%以上，且均高於淨生態系統生產力質控後有效通量數據比例（圖2）。
圖2 半小時尺度上不同年份質控的有效通量數據比例（%）
4 數據使用方法和建議[編輯]
本數據已在國家科技資源共享服務平台（http://www.cnern.org.cn）发布，用户登录系统后，点击数据资源栏目，在数据资源搜索中输入“版纳站”，点击查询，即可进入相关数据下载界面。 （編者註：數據暫不開放）
本數據集可應用於模型的開發、驗證。為了便於不同站點數據的比較，本數據集採用ChinaFLUX制定的標準技術體系進行數據處理和質量控制。但是由於不同插值方法計算結果存在差異，即使年通量差異相對較小，也可能導致季節動態較大的不同，因此在機理解析中應尤其慎重。
5 展望[編輯]
西雙版納熱帶季節雨林碳水通量在能量平衡及全球小氣候特徵中至關重要。在後續研究中需要進一步加強：
（1）由於該地處於熱帶北緣，海拔偏高，年平均溫度和年降雨量相對較低，風速較小，霧日較多，而且還存在「碳湖」現象。有特殊的地理環境、氣候和植被結構，在觀測系統運行以及數據質量控制時要考慮多種因素。
（2）隨着碳水通量觀測儀器的推陳出新以及碳水通量數據處理方法的不斷改進、完善和創新，碳水通量質控後有效數據比例將越來越高。
致 謝[編輯]
西雙版納熱帶季節雨林碳水通量觀測數據積累離不開中國科學院西雙版納熱帶植物園和西雙版納生態站的大力支持，西雙版納生態站承擔了通量和氣象觀測設備的野外維護和原始數據採集工作，為本數據集的生產做出了不可缺少的貢獻，特此致謝！
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數據引用格式[編輯]
張一平, 宋清海, 起德花, 等. 2003–2010年西雙版納熱帶季節雨林碳水通量觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-10). DOI: 10.11922/sciencedb.1014.
