張雷明，羅藝偉，劉敏，陳智，蘇文，何洪林，朱治林，孫曉敏，王艷芬，周國逸，趙新全，韓士杰，歐陽竹，張憲洲，張一平，劉琪璟，郝彥賓，閆俊華，張德強，李英年，王安志，吳家兵，李發(fā)東，趙風華，石培禮，張揚建，何永濤，林露湘，宋清海，王輝民，劉允芬，于貴瑞*

1. 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京100101

2. 中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100190

3. 華東師范大學，上海 200062

4. 中國科學院華南植物園，廣州 510650

5. 中國科學院西北高原生物研究所，西寧 810008

6. 中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016

7. 中國科學院西雙版納熱帶植物園，云南勐侖 666303

8. 北京林業(yè)大學林學院，北京100083

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2和水熱通量的長期觀測研究一直是國際上關(guān)注的熱點問題?；谖庀髮W理論的渦度相關(guān)法是測定大氣與群落碳水交換通量最直接的方法，實現(xiàn)了對生態(tài)系統(tǒng)尺度的生產(chǎn)力、能量平衡和溫室氣體交換等功能和過程的直接測定[1-3]，成為目前國際通量觀測網(wǎng)絡(luò)（FLUXNET）的主要技術(shù)手段[4]。渦度相關(guān)通量觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛用于各種模型及遙感觀測的檢驗和驗證之中，并且多過程、多要素的長期協(xié)同觀測將為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮水循環(huán)過程的機理研究以及碳源/匯的時空分布評價提供重要的觀測數(shù)據(jù)[5-6]，特別是全球尺度通量觀測網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合觀測是實現(xiàn)從生態(tài)現(xiàn)象觀察和生態(tài)要素觀測跨越到全球尺度生態(tài)系統(tǒng)功能狀態(tài)變化觀測的重大突破[7]。

在中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目“中國陸地和近海生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究”的資助下，依托中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN），2001年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）開始科學論證和啟動建設(shè)，2003年正式實現(xiàn)8個觀測站點（長白山、千煙洲、鼎湖山、西雙版納、內(nèi)蒙古、海北、當雄和禹城）碳水通量的聯(lián)合觀測研究[8]，填補了亞洲季風區(qū)通量觀測研究的空白，開始積累中國典型生態(tài)系統(tǒng)碳水交換通量的科學觀測數(shù)據(jù)。2014年，通過聯(lián)合國內(nèi)行業(yè)部門及高等院校觀測站點，共同組建了中國通量觀測研究聯(lián)盟（ChinaFLUX）。

本數(shù)據(jù)集為2003-2005年ChinaFLUX首批8個觀測站點的碳水通量和常規(guī)氣象要素觀測數(shù)據(jù)集，也是我國獲取的首套多站點的聯(lián)網(wǎng)協(xié)同通量觀測數(shù)據(jù)，包含生態(tài)系統(tǒng)CO2通量、潛熱通量、顯熱通量、摩擦風速、空氣溫度、土壤溫度、土壤濕度、降水、總輻射、凈輻射和光合有效輻射等觀測指標，形成了半小時和日尺度兩類數(shù)據(jù)產(chǎn)品。雖然本數(shù)據(jù)集已于2013年10月發(fā)布共享，并且受到了國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)和人員的廣泛關(guān)注，但尚缺乏對本數(shù)據(jù)集的系統(tǒng)性描述。同時，作為推動數(shù)據(jù)共享和規(guī)范數(shù)據(jù)使用的重要途徑，ChinaFLUX將在充分保障數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上，加強與觀測臺站的溝通和協(xié)調(diào)，以數(shù)據(jù)論文形式進一步推動后續(xù)更長時間和更多臺站觀測數(shù)據(jù)的開放共享。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于頂層設(shè)計和科學論證，結(jié)合我國陸地樣帶的空間分布，依托CERN的臺站網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過觀測系統(tǒng)設(shè)計、觀測臺站和通量觀測塔選址、觀測儀器選型等技術(shù)方案的反復論證，以及野外工程實施和觀測系統(tǒng)安裝與調(diào)試，ChinaFLUX于2002年底之前完成了長白山、千煙洲、鼎湖山、西雙版納、海北和禹城6個通量觀測研究站點的建設(shè)，于2003年5月之前完成了內(nèi)蒙古和當雄2個通量觀測研究站點的建設(shè)，形成了ChinaFLUX的首批觀測臺站網(wǎng)絡(luò)（表1、圖1和表2）。

表1 生態(tài)站名稱及經(jīng)緯度信息

代碼 站名 臺站全稱 經(jīng)度 緯度 植被類型N M G 內(nèi)蒙古站 內(nèi)蒙古溫帶典型草原通量觀測研究站 1 1 6°1 8'E 4 4°0 8'N 草地H B G C T 海北站 海北高寒草地通量觀測研究站 1 0 1°2 0'E 3 7°4 0'N 草地D X 當雄站 當雄高寒草甸通量觀測研究站 9 1°0 3'E 3 0°2 9'N 草地Y C 禹城站 禹城溫帶農(nóng)田通量觀測研究站 1 1 6°3 8'E 3 6°5 8'N 農(nóng)田

圖1 觀測研究臺站的空間分布（審圖號：GS（2018）4935號）

表2 生態(tài)站植被和土壤的基本特征

注：1）草地和農(nóng)田植被的冠層高度是指生長季內(nèi)的最大高度；2）葉面積指數(shù)為生長季內(nèi)的最大葉面積指數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

各臺站采用了相同的觀測設(shè)備開展通量和氣象數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的測定和采集均為自動化完成。

觀測設(shè)備組成與型號：各測定要素所采用主要儀器設(shè)備的傳感器和分析儀及制造商分列于表3。

表3 各測定要素所用關(guān)鍵設(shè)備的傳感器和分析儀及其制造商

觀測系統(tǒng) 測定要素 傳感器和分析儀 制造商數(shù)據(jù)采集與通訊 常規(guī)氣象要素 CR10X/CR23X CAMPBELL碳水通量要素 CR5000 CAMPBELL

觀測設(shè)備的安裝和配置：根據(jù)各觀測站點下墊面情況和植被冠層高度，在觀測塔上安裝不同要素的測定傳感器（表4），開展植被-大氣界面CO2、H2O和能量通量以及氣象要素在線、連續(xù)觀測。

表4 各測定要素所用關(guān)鍵傳感器的安裝高度（m）

觀測數(shù)據(jù)采集與傳輸：本數(shù)據(jù)集中植被-大氣界面CO2、H2O和能量通量系統(tǒng)的原始測定頻率為10Hz，利用數(shù)據(jù)采集器獲取和存儲高頻測定數(shù)據(jù)。常規(guī)氣象要素的測定記錄頻度為30分鐘，由相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器獲取和存儲數(shù)據(jù)。根據(jù)站點條件的不同，通量和氣象測定數(shù)據(jù)采用有線網(wǎng)絡(luò)方式下載（長白山站、千煙洲站、鼎湖山站、西雙版納站和禹城站）和直接讀取數(shù)據(jù)采集器內(nèi)的存儲卡（內(nèi)蒙古站、海北站和當雄站）兩種方式獲取，然后開展后續(xù)的質(zhì)量控制、標準化處理和產(chǎn)品加工。

1.3 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

基于獲取的生態(tài)系統(tǒng)碳水通量原始觀測數(shù)據(jù)，利用ChinaFLUX技術(shù)體系完成標準化的質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理（圖2）。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：采用國際上普遍認可的渦度通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，主要包括原始數(shù)據(jù)分析[2]、超聲虛溫校正[9]、坐標軸旋轉(zhuǎn)[10]、WPL校正[11]、頻率損失校正[12]、冠層儲存項校正[13]、穩(wěn)態(tài)測試與湍流積分特性[14]、夜間摩擦風速閾值篩選[15]和異常值剔除[16]，以及能量閉合評價[17]。其中需要說明的是，農(nóng)田和草地臺站采用二次坐標旋轉(zhuǎn)，森林臺站采用平面擬合；冠層存儲項采用CO2濃度的單點估算方式，并且僅考慮植株高大的森林臺站。

缺失數(shù)據(jù)插補：對于短時間（小于2小時）內(nèi)缺失的通量和氣象觀測數(shù)據(jù)，采用內(nèi)插的方式完成插補；對于長時間缺失的氣象數(shù)據(jù)，利用各觀測站氣象站觀測資料（土壤濕度和降水數(shù)據(jù)除外）開展插補；如未能完成插補，則利用平均日變化法完成數(shù)據(jù)插補。

對于長時間缺失的CO2通量數(shù)據(jù)，采用非線性回歸的方式[18-19]。其中夜間缺失數(shù)據(jù)利用Arrhenius方程插補[20]，并且對于易受水分脅迫的臺站，如千煙洲、內(nèi)蒙古和當雄，方程中的 Q10表達為土壤溫度和土壤水分的線性方程[21]。白天缺失數(shù)據(jù)利用直角雙曲線方程插補，最小插補時間窗口為7天。

對于長時間缺失的能量通量數(shù)據(jù)，采用邊際分布采樣法[15]完成缺失數(shù)據(jù)插補。

CO2通量數(shù)據(jù)拆分：采用邊際分布采樣法[15]完成數(shù)據(jù)拆分。首先，基于夜間觀測數(shù)據(jù)，采用和缺失數(shù)據(jù)插補時相同的回歸方程，確定生態(tài)系統(tǒng)呼吸方程中的系數(shù)，然后估算夜間和白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸；其次，利用插補完成的白天CO2通量數(shù)據(jù)和估算的同時刻生態(tài)系統(tǒng)呼吸，求和得到總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。

圖2 ChinaFLUX通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與處理技術(shù)體系（改自文獻[8]）

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)子集命名規(guī)則與數(shù)據(jù)量

本數(shù)據(jù)集包括8個臺站產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)，因此分為8個數(shù)據(jù)子集，共計66個EXCEL數(shù)據(jù)文件，總數(shù)據(jù)量為78.94 MB（表5）。在半小時尺度上，根據(jù)數(shù)據(jù)要素不同，數(shù)據(jù)文件（數(shù)據(jù)子集）的名稱格式為“年份+臺站+類型+時間尺度.xls”，如“2003年長白山通量30分鐘數(shù)據(jù)”和“2003年長白山氣象 30分鐘數(shù)據(jù).xls”。數(shù)據(jù)代碼為“AAATL30MIN_GFYY.xls”和“AAAQX30MIN_GFYY.xls”。其中，AAA表示站點縮略名（見表1）；TL表示通量，QX表示氣象；30MIN表示數(shù)據(jù)的時間分辨率為30分鐘；GF表示插補（Gap-filling）；YY表示數(shù)據(jù)產(chǎn)生年份的后兩位，如2003表示為03。

表5 數(shù)據(jù)集各子集名稱與數(shù)據(jù)量

臺站 年份 3 0分鐘尺度 數(shù)據(jù)量(M B) 日尺度 數(shù)據(jù)量(K B)D H S Q X 3 0 M I N_G F 0 4 1.7 4 0 2 0 0 5 D H S T L 3 0 M I N_G F 0 5 1.7 0 1 D H S T L D A I L Y_G F 0 5 6 7 D H S Q X 3 0 M I N_G F 0 5 1.7 6 7西雙版納站 2 0 0 3 X S B N T L 3 0 M I N_G F 0 3 1.6 2 2 X S B N T L D A I L Y_G F 0 3 6 7 X S B N Q X 3 0 M I N_G F 0 3 1.7 1 0 2 0 0 4 X S B N T L 3 0 M I N_G F 0 4 1.6 2 0 X S B N T L D A I L Y_G F 0 4 6 7 X S B N Q X 3 0 M I N_G F 0 4 1.7 2 7 2 0 0 5 X S B N T L 3 0 M I N_G F 0 5 1.5 9 8 X S B N T L D A I L Y_G F 0 5 6 7 X S B N Q X 3 0 M I N_G F 0 5 1.7 2 3合計 文件數(shù)量 6 6個 數(shù)據(jù)量（M B） 7 8.9 4

在日尺度上，數(shù)據(jù)文件（數(shù)據(jù)子集）的名稱為格式為“年份+臺站+類型+日統(tǒng)計數(shù)據(jù).xls”，數(shù)據(jù)代碼為“AAATLDAILY_GFYY.xls”。其中，AAA表示站點縮略名（見表1）；TL表示通量；DAILY表示數(shù)據(jù)的時間分辨率為日；GF表示插補；YY表示數(shù)據(jù)產(chǎn)生年份的后兩位，如2003表示為03。

2.2 數(shù)據(jù)文件示例

以長白山站 2003年數(shù)據(jù)文件為例，表 6-7分別為 CBSTL30MIN_GF03.xls、CBSQX30MIN_GF03.xls和CBSTLDAILY_GF03的數(shù)據(jù)表頭。

表6 半小時通量觀測數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表頭說明：（1）“CO2通量”表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的CO2通量（mg m-2s-1）；（2）“潛熱通量”表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的潛熱通量（W m-2）；（3）“顯熱通量”表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的顯熱通量（W m-2）。

表7 半小時氣象觀測數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)項 數(shù)據(jù)類型 計量單位 數(shù)據(jù)項說明 示例日 數(shù)字 日期 1時 數(shù)字 小時 9分 數(shù)字 分鐘 3 0四層空氣溫度 數(shù)字 ℃ 植被冠層下方的空氣溫度 -1 8.5 3五層空氣溫度 數(shù)字 ℃ 植被冠層上方的空氣溫度 -1 8.8 1天空短波輻射 數(shù)字 W m-2 總輻射平均值 2 7 7.2光合有效輻射 數(shù)字 μ m o l m-2 s-1 光合有效輻射平均值 4 8 3.2降水量 數(shù)字 m m 降水量累計值 0.2

數(shù)據(jù)表頭說明：（1）四層平均氣溫表示植被冠層上方的空氣溫度（℃）；（2）五層平均氣溫表示植被冠層上方的空氣溫度；（3）平均天空總輻射表示冠層上方接受的太陽總輻射（W m-2）；（4）有效輻射平均值表示冠層上方的光合有效輻射（μmol m-2s-1）；（5）總降水量表示降水量的累計值（mm）。其中剔除后的數(shù)據(jù)以“-99999”表示。需要說明的是，對于農(nóng)田和草地臺站而言，空氣溫度表示為一層空氣溫度和二層空氣溫度，前者的觀測高度低于后者。具體安裝高度參見表4。

表8 日尺度通量觀測數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表頭說明：（1）NEE表示日尺度的CO2通量累計值（g C m-2d-1）；（2）Re表示日尺度的生態(tài)系統(tǒng)呼吸累計值（g C m-2d-1）；（3）GEE表示日尺度的總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力累計值（g C m-2d-1）；（4）LE表示日尺度的潛熱量累計值（Kg H2O m-2d-1）；（5）H表示日尺度的顯熱量累計值（Kg H2O m-2d-1）。其中無法統(tǒng)計日值的數(shù)據(jù)以-99999表示。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

ChinaFLUX有嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證和質(zhì)量控制規(guī)范，以支撐長期、連續(xù)的聯(lián)網(wǎng)觀測的開展和運行。本數(shù)據(jù)集從觀測、采集、質(zhì)控、處理和存儲方面均遵循了ChinaFLUX的技術(shù)體系（圖2）。該技術(shù)體系是基于全球通量觀測研究領(lǐng)域普遍采用和認可的技術(shù)流程建立起來的[8]，包括數(shù)據(jù)質(zhì)控、缺失數(shù)據(jù)插補和通量拆分等方面。同時，亞洲通量觀測網(wǎng)（AsiaFlux）組織日本通量網(wǎng)（JapanFLux）、韓國通量網(wǎng)（KoFlux）和ChinaFLUX基于同一站點數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制的綜合比較，結(jié)果表明，不同網(wǎng)絡(luò)的計算結(jié)果表現(xiàn)出很好的一致性[22]。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

基于全球通量觀測研究領(lǐng)域普遍使用的質(zhì)量評價方法，對數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量開展系統(tǒng)評價。譜分析結(jié)果表明，三維風速、CO2、H2O和溫度的功率譜在慣性子區(qū)內(nèi)基本符合-2/3定律，而CO2、H2O和溫度與垂直風速的協(xié)譜在慣性子區(qū)內(nèi)也基本符合-4/3定律[23]。能力閉合分析表明，8個臺站的能量平衡比率為0.57-0.95，平均為0.73[24]，處于全球通量觀測臺站能量平衡比率變化范圍之內(nèi)[17]。數(shù)據(jù)質(zhì)控的不確定性分析表明，摩擦風速閾值是影響CO2通量年總量的主要因素，數(shù)據(jù)處理方法不確定性引起的總生態(tài)系統(tǒng)碳交換量和生態(tài)系統(tǒng)呼吸年總量估算相對偏差分別為3.88%-11.41%和6.45%-24.91%[25]。

在半小時尺度上，不同臺站和年份之間CO2通量、潛熱通量和顯熱通量的有效觀數(shù)據(jù)比例分別為42.6%±4.6%、54.1%±8.8%和54.7%±9.0%，在僅考慮白天數(shù)據(jù)的情況下，CO2通量有效觀測數(shù)據(jù)的比例可以達到60%-70%以上（表9）。數(shù)據(jù)缺失的原因可以分為兩類，一類是個性原因，主要為供電故障、儀器故障和干擾（如設(shè)備維護、雷擊等），特別是2004年鼎湖山站由于觀測系統(tǒng)返廠維修導致數(shù)據(jù)缺失明顯；另一類是共性原因，主要是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)缺失，包括異常數(shù)據(jù)剔除、夜間通量數(shù)據(jù)篩選等，特別是夜間數(shù)據(jù)的質(zhì)控和篩選是引起有效觀測數(shù)據(jù)降低的主要因素。

表9 半小時尺度上不同站點通量數(shù)據(jù)質(zhì)控后的有效數(shù)據(jù)比例（%）

站點名稱 年份 C O 2通量 潛熱通量 顯熱通量2 0 0 5 4 1.4 5 6.1 5 6.6長白山 2 0 0 3 5 0.2 6 2.9 6 3.6 2 0 0 4 4 4.9 5 8.8 6 0.4 2 0 0 5 4 6.7 6 2.4 6 4.2

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集由CERN綜合研究中心和ChinaFLUX綜合研究中心提供數(shù)據(jù)共享資源，用戶可登錄數(shù)據(jù)資源服務(wù)網(wǎng)站（http://www.cnern.org.cn），在首頁打開碳氮水通量數(shù)據(jù)集進入相應(yīng)的數(shù)據(jù)瀏覽、在線申請頁面。也可登錄Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/600）訪問數(shù)據(jù)集信息。

通量觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制與處理是國際通量觀測研究的基礎(chǔ)性內(nèi)容，同時也是目前尚未得到很好解決的重要議題。因此，本數(shù)據(jù)集在使用中需要注意以下5個方面：

（1）由于受到觀測臺站下墊面、植被特征和氣候條件等因素的影響，渦度相關(guān)通量觀測數(shù)據(jù)的處理技術(shù)與方法目前還沒有全球普遍公認的一套技術(shù)體系。

（2）為了避免不同方法處理結(jié)果之間的差異，并便于不同站點之間開展比較分析，本數(shù)據(jù)是基于目前ChinaFLUX技術(shù)體系開展數(shù)據(jù)的質(zhì)控和處理，因此計算結(jié)果可能與部分單臺站自行計算結(jié)果之間存在一定的差異。

（3）隨著數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)的發(fā)展，ChinaFLUX也會更新和完善現(xiàn)有的技術(shù)體系，其結(jié)果也可能與現(xiàn)有方法之間存在一定差異。

（4）受觀測系統(tǒng)運行狀態(tài)（如供電、儀器故障和外界干擾）和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制（如異常數(shù)據(jù)剔除和夜間通量數(shù)據(jù)篩選）的影響，導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的缺失?？紤]到數(shù)據(jù)插補可能引起的不確定性，如果是基于日尺度數(shù)據(jù)開展模型驗證和改進，建議查看半小時尺度數(shù)據(jù)有效性，優(yōu)先選擇數(shù)據(jù)缺失較少的日尺度累積數(shù)據(jù)開展相應(yīng)的研究。如果是基于半小時數(shù)據(jù)開展碳水交換過程研究，則優(yōu)先選擇未插補數(shù)據(jù)，以減少不確定性。

（5）本數(shù)據(jù)集的質(zhì)量控制和處理方法的詳細信息可參考于貴瑞等[3]、Yu等[8]和Wen等[23]發(fā)表的文獻。