中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)20周年专刊 II 区论文(已发表) 版本 ZH2 Vol 8 (2) 2023
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2014–2018年呼中北方林森林生态系统碳水通量观测数据集
A dataset of carbon and water fluxes of the boreal forest ecosystem in Huzhong (2014 – 2018)
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: 2022 - 12 - 04
: 2023 - 05 - 04
: 2023 - 01 - 30
: 2023 - 06 - 26
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摘要&关键词
摘要:北方林在全球碳库中占有重要份额,且对气候变暖的响应极为敏感,在气候变化和碳循环研究中备受关注。中国北方林森林生态系统定位研究站(呼中站),位于我国最大的寒温带针叶林生态系统自然保护区内,是中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)成员站之一,自2006年起开展基于涡度相关技术的碳水通量观测。遵循ChinaFLUX通量数据处理体系,本数据集整理和统计了2014–2018年呼中站北方林森林生态系统碳水通量和辅助气象环境观测数据,数据产品分为30分钟、日、月和年4个时间尺度,可为气候变化和北方林森林生态系统至区域碳、水、能量平衡的研究提供数据支持。
关键词:涡度相关;森林生态系统;碳通量;潜热通量;感热通量;蒸散;北方林
Abstract & Keywords
Abstract: As an important component of the global carbon pool, boreal forests have attracted much attention in the research on climate change and carbon cycle due to their extreme sensitivity to climate warming. Located in the largest cold-temperate coniferous forest ecosystem nature reserve in China, China Boreal Forest Ecosystem Research Station (Huzhong Station) is one of the member stations of Chinese FLUX Observation and Research Network (ChinaFLUX), which has conducted long-term carbon and water flux observations of boreal forest ecosystems based on eddy covariance techniques since 2006. Following the ChinaFLUX data processing protocols, we collected the carbon and water fluxes and auxiliary meteorological environment observations of the boreal forest ecosystem at Huzhong Station from 2014 to 2018. Processing the data in a standard process, we formed a standardized dataset with four time scales, namely half-hourly, daily, monthly and yearly. The dataset is expected to provide data support for the studies on climate change, boreal forest ecosystem carbon, as well as water and energy balance.
Keywords: eddy covariance; forest ecosystem; carbon flux; latent heat flux; sensible heat flux; evapotranspiration; boreal forest
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称2014–2018年呼中北方林森林生态系统碳水通量观测数据集
数据通信作者周广胜(zhougs@cma.gov.cn)
数据作者燕宇杰、周莉、周广胜、贾丙瑞、宋家欣、张森
数据时间范围2014–2018年
地理区域121°01′04″E、51°46′52″N,海拔773 m
数据量26.4 MB
数据格式*.xlsx
数据服务系统网址https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00063
基金项目科技部基础资源调查专项(2019FY101302);中国气象局创新发展专项(CXFZ2023P052)。
数据库(集)组成数据集共包括40个数据文件,其中:(1) 气象数据产品数据量为19.7 MB;(2)通量数据产品,数据量为6.74 MB。气象数据产品包括半小时、日、月和年尺度常规气象数据(空气温度、空气相对湿度、风速、风向、土壤温度、土壤水分、太阳辐射、光合有效辐射和降水等);通量数据产品包括半小时、日、月和年尺度碳水通量数据(总生态系统碳交换量、生态系统呼吸、生态系统净碳交换、潜热通量、感热通量)。
Dataset Profile
TitleA dataset of carbon and water fluxes of the boreal forest ecosystem in Huzhong (2014 – 2018)
Data corresponding authorZHOU Guangsheng (zhougs@cma.gov.cn)
Data authorsYAN Yujie, ZHOU Li, ZHOU Guangsheng, JIA Bingrui, SONG Jiaxin, ZHANG Sen
Time range2014 – 2018
Geographical scope121°01′04″ E, 51°46′52″ N, 773 a.s.l.
Data volume26.4 MB
Data format*.xlsx
Data service system<https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00063>
Sources of fundingNational Science and Technology Basic Resources Survey Program of China (2019FY101302); China Meteorological Administration Innovation Development Special Project (CXFZ2023P052).
Dataset compositionThe dataset includes 40 data files, including. (1) meteorological data.zip is a meteorological data product with a volume of 19.7 MB; (2) Flux data.zip is a flux data product with a volume of 6.74 MB. Meteorological data products include regular meteorological data (e.g., air temperature, air relative humidity, wind speed, wind direction, soil temperature, soil moisture, solar radiation, photosynthetically active radiation, precipitation, etc.) at half-hourly, daily, monthly and yearly scales. The flux products contain half-hourly, daily, monthly and yearly carbon and water fluxes data (e.g., gross ecosystem carbon exchange, ecosystem respiration, net ecosystem carbon exchange, latent heat flux and sensible heat flux).
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引 言
世界气象组织(WMO)发布的《2022年全球气候状况》报告指出,过去8年可能成为有气象记录以来最热的8年,气候变化带来的影响愈发严重[1]。北方林是地球上第二大陆地生物群区,在全球碳库中占重要份额[2-3];同时,北方林对气候变暖的响应极为敏感,气候变化可能引起其大面积枯萎,有证据表明,北方林地区是全球变暖最迅速的地区之一[4-6],并且北方林的碳吸收率从20世纪80年代开始下降,气候持续变暖可能导致其转变为大气CO2的源[7]。因此,北方林在气候变化和碳循环研究中备受关注[7-9]
生态系统碳通量的长期连续定位观测是精确评估陆地生态系统在全球碳循环中作用与地位的重要手段,涡度相关技术能对碳、水和能量通量进行协同观测,取得的资料不仅是生态系统/区域碳收支研究和评估的基础,也能为水、能量平衡的研究提供数据[10]。中国北方林森林生态系统定位研究站(呼中站)于2004年3月8日由中国科学院植物研究所和黑龙江呼中国家级自然保护区管理局共建,位于我国最大的寒温带针叶林生态系统自然保护区——黑龙江呼中国家级自然保护区内。呼中站是中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)成员站之一,自2006年开展基于涡度相关技术的北方林森林生态系统碳水通量观测,一直持续至今。本数据集主要包括2014–2018年长期连续的北方林森林生态系统碳水通量和辅助气象环境观测数据。这是目前公开共享的我国最北端的森林生态系统碳水通量数据集,弥补了寒温带针叶林生态系统类型的空缺。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据采集
中国北方林森林生态系统定位研究站(呼中站)位于黑龙江呼中国家级自然保护区内,通量观测场地理坐标为121°01′04″E、51°46′52″N,海拔773 m。该站属于寒温带大陆性季风气候,年均气温−4.4℃,年均降水量为481.6 mm,主要集中在6–8月,无霜期80–100天;土壤为棕色针叶林土;植被类型为地带性寒温性针叶林,以兴安落叶松(Larix gmelinii)为单优势树种,白桦(Betula platyphylla Suk.)为主要伴生树种,林下有杜香(Ledum palustre)、越桔(Vaccinium vitis-idaea)和兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)等灌木,小叶章(Deyeuxia angustifolia)等草本。观测场所在区域林龄82 a,冠层高度约15 m,林冠郁闭度0.52,生长季内最大叶面积指数3.6 m2 m-2[2,11-12]
呼中站的碳水通量观测场周围地形平坦,场内建有高度为37 m的观测塔,主要观测设备包含一套开路式涡度相关观测系统和一套气象梯度观测系统(表1)。开路式涡度相关观测系统主要观测要素为CO2、H2O和感热通量,传感器主要包括红外CO2/H2O气体分析仪、三维超声风速仪,安装在观测塔35 m高处沿主风方向伸出的支臂上,数据采集频率为10 Hz,并提供30 min在线通量数据;气象梯度观测系统主要观测要素包括空气温湿度、风速风向、净辐射、光合有效辐射、降雨量、土壤温湿度等,各气象环境要素的传感器型号和安装高度/深度等信息详见表1,数据采集频率为2 s,在线计算半小时平均值/累积值,并相应输出各种观测变量的日平均值/累积值。通量观测场仪器有保护区工作人员定期进行维护,并由工程师定期对仪器进行标定校准。
表1   呼中站碳水通量观测设备信息
观测系统测定要素传感器型号制造商观测高度/深度
开路涡度相关通量观测系统CO2、H2O通量LI-7500LI-COR35 m
CSAT3CAMPBELL35 m
感热通量CSAT3CAMPBELL35 m
三维超声风速CSAT3CAMPBELL35 m
气象梯度
观测系统
空气温/湿度HMP45CVaisala2 m、15 m、25 m、34 m
风速014ACAMPBELL30 m
风向034BCAMPBELL30 m
光合有效辐射LI-190SBLI-COR35 m
净辐射CNR1Kipp & Zonen35 m
降雨量52203RM YOUNG38 m
土壤温度107LCAMPBELL−5 cm、−10 cm、−20 cm、−50 cm、−100 cm
土壤水分CS616CAMPBELL−10 cm、−20 cm、−30 cm、−50 cm、−100 cm
数据采集器通量采集CR5000CAMPBELL
气象要素采集CR23XTDCAMPBELL
1.2   数据处理和产品加工方法
通量站所有数据处理严格按照ChinaFLUX技术体系完成碳水通量原始观测数据的标准化质量控制和数据处理,包括数据质量控制、缺失数据插补、CO2通量数据拆分。具体的处理流程见图1。
数据质量控制:本研究对30 min气象观测数据的质量控制包括异常值剔除和阈值剔除;而对于通量数据的质量控制采用ChinaFLUX涡度通量数据质量控制方法[13],主要包括原始数据分析、Webb–Pearman–Leuning(WPL)校正、冠层储存校正、坐标旋转、超声虚温校正、夜间数据校正(夜间摩擦风速阈值剔除)、谱特征分析,并利用差分法进行异常值剔除。
气象缺失数据插补:本研究对于小于2 h的气象数据缺失采用线性内插法进行插补,而对于超过2 h的气象数据缺失则采用平均日变化进行插补。
通量缺失数据插补:本数据集利用边际分布采样法(Marginal Distribution Sampling,MDS) [14],并结合平均日变化法和线性内插法,对数据质量控制后缺失的半小时尺度通量数据进行插补,进而得到连续、高质量的数据,并进行日、月、年尺度数据集的构建。
CO2通量数据拆分:利用Reichstein等[14]的方法对开路式涡度相关系统(OPEC)测得的生态系统碳交换数据(NEE)进行拆分,获得生态系统呼吸(Reco)和 (GEE)数据。


图1   呼中站通量和气象数据集处理流程
Figure 1 Process flowchart of flux and meteorological data at Huzhong Station
2   数据样本描述
本数据集由40个Excel文件组成,总数量为26.4 MB,包括2014–2018年共5年半小时、日、月和年4个时间尺度的碳水通量和气象2大类型数据。根据不同的时间尺度和数据类型,数据文件的名称格式为“台站+年份+数据类型+时间尺度.xlsx”。其中,“数据类型”分别为碳水通量和气象数据,“时间尺度”分别为30分钟、日、月和年尺度。如“呼中站2014年气象30分钟数据.xlsx”和“呼中站2014年通量日尺度数据.xlsx”。数据文件表头说明见表2、表3。
表2   通量观测数据表头
数据项计量单位数据项说明
半小时尺度日尺度月尺度年尺度
////年份
////月份
////日期
////小时
////分钟
NEEmg CO2 m-2 s-1g C m-2 d-1g C m-2 mon-1g C m-2 y-1生态系统净碳交换
Recomg CO2 m-2 s-1g C m-2 d-1g C m-2 mon-1g C m-2 y-1生态系统呼吸
GEEmg CO2 m-2 s-1g C m-2 d-1g C m-2 mon-1g C m-2 y-1
潜热通量W m-2M W m-2M W m-2M W m-2潜热通量
显热通量W m-2M W m-2M W m-2M W m-2显热通量
数据表头说明:30分钟尺度。(1)“质控 NEE”,“质控 LE”和“质控 Hs”分别表示经过数据质量控制和异常值剔除后的净生态系统碳交换、感热通量和潜热通量;(2)“插补 NEE”,“插补 LE”和“插补 Hs”分别表示经过数据插补后的生态系统碳交换、感热通量和潜热通量;(3)估算Reco和估算GEE分别表示由NEE数据拆分得到的生态系统呼吸和的估算值。日、月和年尺度:NEE,Reco和GEE分别表示日、月和年尺度累积的净生态系统碳交换,生态系统呼吸和,在日、月 和年尺度上的单位分别是g C m-2 d -1、g C m-2 mon-1 和g C m-2 y-1。其中异常值(包括原始数据缺失)以-99999表示。
表3   半小时气象观测数据表头
数据项计量单位观测高度数据项说明
yyyy\\年份
mm\\月份
dd\\日期
HH\\小时
MM\\分钟
Temp_34m_Avg°C34 m第四层空气温度
Temp_25m_Avg°C25 m第三层空气温度
Temp_15m_Avg°C15 m第二层空气温度
Temp_2m_Avg°C2 m第一层空气温度
RH_34m_Avg%34 m第四层空气湿度
RH_25m_Avg%25 m第三层空气湿度
RH_15m_Avg%15 m第二层空气湿度
RH_2m_Avg%2 m第一层空气湿度
Press_AvghPa30 m平均大气压强
wnd_spdm s-130 m平均水平风速
wnd_dir_compassdegree30 m风向
DR_AvgW m-235 m向下短波辐射均值(总辐射)
Rn_AvgW m-235 m净辐射
par_Avgµmol m-2 s-135 m光合有效辐射
Ts_1_AVG°C−5 cm第一层土壤温度
Ts_2_AVG°C−10 cm第二层土壤温度
Ts_3_AVG°C−20 cm第三层土壤温度
Ts_4_AVG°C−50 cm第四层土壤温度
Ts_5_AVG°C−100 cm第五层土壤温度
VWC_10cm_Avgm3 m-3−10 cm第一层土壤体积含水量
VWC_20cm_Avgm3 m-3−20 cm第二层土壤体积含水量
VWC_30cm_Avgm3 m-3−30 cm第三层土壤体积含水量
VWC_50cm_Avgm3 m-3−50 cm第四层土壤体积含水量
VWC_100cm_Avgm3 m-3−100 cm第五层土壤体积含水量
rain_Totmm38 m总降水量
注:空气温度、相对湿度、大气压强、风速、风向、水汽压、辐射表示为仪器探头安装在土壤表面以上的高度,第一层低于第二层安装高度,在数据集中表示为相应的缩写+高度,例如空气第一层和第二层温度分别表示为Ta_2m_AVG 和Ta_15m_AVG。第一层至第四层安装高度分别为2 m、15 m、25 m和34 m;五层土壤温度采用缩写+层高的表示方法,第一层表示为 Ts_1_ AVG,以此类推。土壤温度测量深度分别为0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.50 m和1.0 m;土壤体积含水量测量深度分别为0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.5 m以及1 m。其中缺失值用空白表示。
3   数据质量控制和评估
本数据集的数据质量控制在ChinaFLUX通量数据质量控制规范的指导下完成。经过数据质量控制,呼中站2014–2018年间半小时尺度的CO2通量、潜热通量和感热通量的多年平均有效数据分别为32.4% ± 1.1%、56.2% ± 1.2%、57.08% ± 0.04%(表4)。呼中站冬季温度过低、供电不足、仪器断电和故障是其通量数据缺失的主要原因,在数据质量控制过程中对不符合涡度相关方法假设条件下产生数据的剔除也是造成数据缺失的因素。
表4   半小时尺度通量数据质量控制后的有效数据比例
年份CO2通量潜热通量感热通量
201432.9%57.1%57.1%
201531.4%57.1%57.1%
201631.7%54.3%57.0%
201734.1%56.9%57.1%
201831.9%55.6%57.1%
4   数据使用方法和建议
本数据集整编了连续5年(2014–2018年)呼中站碳水通量和主要气象数据,可用于气候变化和北方林森林生态系统碳、水、能量平衡过程和机理的研究、生态系统模型的发展、参数获取、模型效果验证等领域。数据使用时需注意,涡度相关通量数据的处理结果,尤其是长时间尺度的累积值和插值方法的选择有密切关系。鉴于此,本数据集提供了插补前的有效通量数据,以便使用者根据研究目的尝试新的插值方法。并建议在进行碳、水通量环境控制机制分析时,尽可能采用有效数据进行。
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数据引用格式
燕宇杰, 周莉, 周广胜, 等. 2014–2018年呼中北方林森林生态系统碳水通量观测数据集[DS/OL]. Science Data Bank, 2022. (2023-03-27). DOI: 10.57760/sciencedb.o00119.00063.
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稿件与作者信息
论文引用格式
燕宇杰, 周莉, 周广胜, 等. 2014–2018年呼中北方林森林生态系统碳水通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2023, 8(2). (2023-05-09). DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0019.zh.
燕宇杰
YAN Yujie
主要承担工作:数据质量控制、论文撰写。
(1998—),男,硕士研究生,研究方向为生态系统碳通量及其控制机制。
周莉
ZHOU Li
主要承担工作:数据处理、论文撰写。
zhouli@cma.gov.cn
(1975—),女,博士,研究员,研究方向为陆-气通量及其生理生态机制。
周广胜
ZHOU Guangsheng
主要承担工作:通量站的运行与科学发展。
zhougs@cma.gov.cn
(1965—),男,博士,研究员,研究方向为生态气象和气候变化。
贾丙瑞
JIA Bingrui
主要承担工作:通量站的运维、数据采集。
(1975—),男,博士,副研究员,研究方向为森林生态系统生物地球化学循环。
宋家欣
SONG Jiaxin
主要承担工作:数据整理。
(1999—),女,硕士研究生,研究方向为生态系统碳通量及其控制机制。
张森
ZHANG Sen
主要承担工作:数据质量分析。
(1994—),男,硕士研究生,研究方向为生态系统碳通量及其控制机制。
科技部基础资源调查专项(2019FY101302);中国气象局创新发展专项(CXFZ2023P052)。
National Science and Technology Basic Resources Survey Program of China (2019FY101302); China Meteorological Administration Innovation Development Special Project (CXFZ2023P052).
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I区发布时间:2023年1月30日 ( 版本ZH1
II区出版时间:2023年6月26日 ( 版本ZH2
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