1998-2018 年中國科學(xué)院貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)觀測試驗站輻射數(shù)據(jù)集

楊陽，王可琴，胡兆永，王根緒*

1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

2.中國科學(xué)院貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)觀測試驗站，四川甘孜州磨西 626199

引 言

近幾十年來，氣候變化已成為不爭的事實，輻射的變化已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點。輻射是陸地生態(tài)系統(tǒng)主要能量來源，大氣運動的主要動力[1-2]，同時也是農(nóng)作物、生態(tài)、水文、陸面等數(shù)學(xué)模型的重要參數(shù)[3-4]。此外，輻射是植物光合作用、植物蒸騰作用、土壤蒸發(fā)等過程的主要驅(qū)動因子[5]，影響森林生態(tài)系統(tǒng)凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換、生產(chǎn)力以及光能利用率[6-7]。因此，太陽輻射對生態(tài)學(xué)、水文學(xué)及氣候研究具有重要的意義和價值。

貢嘎山位于青藏高原的東南緣，橫斷山脈中部，主峰海拔7556 m，屬于亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)區(qū)與青藏高原東部高原溫帶半濕潤區(qū)的過渡帶上，作為全球氣候變化和人類活動最為敏感區(qū)域之一，是研究高山生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境的理想場所。目前關(guān)于貢嘎山的輻射數(shù)據(jù)公開發(fā)表比較完整的報道較少。因此，本數(shù)據(jù)集整理了1998-2018 年貢嘎山1600 m 氣象觀測場的輻射觀測數(shù)據(jù)，包括總輻射總量月合計值、反射輻射總量月合計值、紫外輻射總量月合計值等22 個指標(biāo)。本數(shù)據(jù)集通過長期觀測和資料的積累，對于太陽輻射長年代研究具有直接的氣候意義，為高山森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支和能量收支的研究提供數(shù)據(jù)支撐，為森林碳循環(huán)、水循環(huán)、能量循環(huán)的模擬和預(yù)測工作開展奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)采集地為貢嘎山站1600 m 氣象觀測場（25 m×30 m，29o38'59"N、102o06'55"E）。按照中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）陸地生態(tài)系統(tǒng)大氣環(huán)境觀測指標(biāo)與規(guī)范的要求，建立氣象觀測場，對生態(tài)系統(tǒng)輻射要素開展長期觀測工作?？傒椛?、反射輻射、光合有效輻射、凈輻射和紫外輻射依次采用CM11 總輻射表、CM6B 反射輻射表、LI-190SZ 光合有效輻射表、QMN101 凈輻射表、CUV3紫外輻射表儀器，距地面1.5 m 處觀測數(shù)據(jù)。1998-2004 年使用上海長望氣象科技有限公司的自動氣象站采集輻射原始數(shù)據(jù)，2005-2018 年芬蘭VAISALA 生產(chǎn)的MILOS520 自動監(jiān)測系統(tǒng)采集輻射原始數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

每日北京時間00∶00 時在MILOS520 數(shù)據(jù)采集器中生成日數(shù)據(jù)文件，LOG 文件以6 位數(shù)碼命名，例如050101.log，表示2005 年1 月1 日的文件。觀測數(shù)據(jù)每小時整點時刻在日文件中存儲輻射數(shù)據(jù)一組，組名CMA_RAD。

用“生態(tài)氣象工作站”報表處理程序?qū)τ^測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，填寫（貢嘎山站參數(shù)、檢驗參數(shù)和傳感參數(shù)），將觀測數(shù)據(jù)自動生成輻射觀測報表M，對日文件中的日觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢查和修正，完成數(shù)據(jù)質(zhì)量審核，即可將M 報表轉(zhuǎn)換成規(guī)范輻射報表（簡稱A 報表）。獲得D3 太陽輻射自動觀測記錄表，即各月逐日輻照總量（MJ/m2）；D4 太陽輻射自動觀測記錄表，即各月逐日輻照度極值（W/m2）；D5 太陽輻射自動觀測記錄表，即每日逐時輻照度（W/m2）和輻射總量（MJ/m2）。

輻射數(shù)據(jù)具體采集和處理方法：每10 s 采測1 次，每分鐘采測6 次輻照度（瞬時值），去除1個最大值和1 個最小值后取平均值。正點（地方平均太陽時）00 min 采集存儲輻照度，同時計算存儲曝輻量（累積值）。一月中輻射曝輻量日總量缺測9 天或以下時，月平均日合計等于實有記錄之和除以實有記錄天數(shù)。缺測10 天或以上時，該月不作月統(tǒng)計，按缺測處理[8-9]。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

本數(shù)據(jù)集包括代碼、年、月以及總輻射總量月合計值、反射輻射總量月合計值、紫外輻射總量月合計值、凈輻射總量月合計值等22 個指標(biāo)。數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)的生態(tài)站名稱與代碼的對應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 貢嘎山站輻射數(shù)據(jù)集

2.2 數(shù)據(jù)缺失情況

貢嘎山站地方偏遠(yuǎn)，條件落后，經(jīng)常停電會導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，有時其他不明原因?qū)е鲁霈F(xiàn)亂碼，或提取其他日期數(shù)據(jù)會導(dǎo)致缺失部分?jǐn)?shù)據(jù)。2004 年新安裝了Vaisala 公司自動氣象站，2005 年新增加的輻射要素包括：日照小時數(shù)月合計值、日照分鐘數(shù)月合計值、總輻射日極值、總輻射日極值出現(xiàn)日期、總輻射日極值出現(xiàn)時間、反射輻射日極值、反射輻射日極值出現(xiàn)日期、反射輻射日極值出現(xiàn)時間、紫外輻射日極值、紫外輻射日極值出現(xiàn)日期、紫外輻射日極值出現(xiàn)時間、凈輻射日極值、凈輻射日極值出現(xiàn)日期、凈輻射日極值出現(xiàn)時間、光合有效輻射日極值、光合有效輻射日極值出現(xiàn)日期、光合有效輻射日極值出現(xiàn)時間。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

本數(shù)據(jù)集采取四級控制：第一級要求數(shù)據(jù)監(jiān)測員嚴(yán)格按操作規(guī)程采集和處理數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)監(jiān)測人員提交上來的數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)負(fù)責(zé)人（CERN 大氣分中心質(zhì)量控制）審核，此為第二級控制；CERN 氣象分中心采用大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件校驗數(shù)據(jù)后，反饋報告給專家（臺站負(fù)責(zé)人）最終審核和修訂，此為第三級控制；數(shù)據(jù)入庫前由質(zhì)量總控制人（數(shù)據(jù)庫管理員）審核，此為第四級控制。且數(shù)據(jù)庫管理人員負(fù)責(zé)該站自動數(shù)據(jù)原始資料、紙質(zhì)資料、報表資料的保管歸案工作，對原始數(shù)據(jù)及報表數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫和備份[9]。

數(shù)據(jù)監(jiān)測員負(fù)責(zé)自動輻射氣象站運行的日常維護(hù)，查看各要素傳感器是否正常，保證自動輻射氣象站設(shè)備處于正常連續(xù)的運行狀態(tài)；每月定期檢查各電纜是否有破損，各接線處是否有松動現(xiàn)象；每月檢查供電設(shè)施，保證供電安全；為防止意外事故導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)問題，需要定期下載數(shù)據(jù)。在制作氣象數(shù)據(jù)月報表時，利用報表處理程序?qū)υ聢蟊碇械臄?shù)據(jù)進(jìn)行自動檢驗，完成對數(shù)據(jù)文件的錯誤檢查。根據(jù)CERN《生態(tài)系統(tǒng)大氣環(huán)境觀測規(guī)范》[10]，氣象數(shù)據(jù)具體質(zhì)量控制和評估方法為[8-9]：

（1）總輻射最大值不能超過氣候?qū)W界限值2000 W/m2；

（2）當(dāng)前瞬時值與前一次值的差異小于最大變幅800 W/m2；

（3）小時總輻射量大于等于小時凈輻射、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后出現(xiàn)極大值；

（4）小時總輻射累積值應(yīng)小于同一地理位置大氣層頂?shù)妮椛淇偭?，小時總輻射累積值可以稍微大于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(tài)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于0 時用0 代替；

（5）輻射曝輻量缺測數(shù)小時但不是全天缺測時，按實有記錄作日合計，全天缺測時，不作日合計[8-9]。

4 數(shù)據(jù)價值

中國科學(xué)院貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)觀測試驗站是國家野外科學(xué)觀測研究站和中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)成員站，擁有較完善的山地垂直植被帶譜多層次生態(tài)系統(tǒng)。本數(shù)據(jù)集可以作為青藏高原東緣（橫斷山區(qū)）貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)輻射監(jiān)測可靠背景資料，為全球變化下高山生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、水循環(huán)和能量循環(huán)的研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

由于2004 年更換儀器導(dǎo)致數(shù)據(jù)整體遷移，光合有效輻射總量的單位發(fā)生變化。2004 年前測定光合輻射QPAR，單位為W/m2，2004 年以后測定光合有效輻射UPAR，單位為μ mol m-2s-1，兩者之間的量子轉(zhuǎn)換系數(shù)公式表示為UPAR=μ×QPAR，式中：μ 通常取值為4.55[11-12]。

本數(shù)據(jù)集可通過Science Data Bank 在線服務(wù)網(wǎng)址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1006）獲取數(shù)據(jù)服務(wù)。如果想獲取日或小時尺度數(shù)據(jù)等也可通過貢嘎山國家野外科學(xué)觀測研究站網(wǎng)絡(luò)（http://ggf.cern.ac.cn/meta/metaData）獲取數(shù)據(jù)服務(wù)，登錄首頁點擊“資源服務(wù)”下的數(shù)據(jù)服務(wù)，進(jìn)入相應(yīng)的頁面下載。研究人員如需進(jìn)一步了解與本數(shù)據(jù)集相關(guān)的其他觀測數(shù)據(jù)也可通過該平臺申請獲取，或與本文作者聯(lián)系。

致 謝

感謝中國生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（CERN）大氣分中心領(lǐng)導(dǎo)和老師的指導(dǎo)和支持，尤其是劉廣仁和胡波老師在數(shù)據(jù)質(zhì)控和傳感器標(biāo)定方面的貢獻(xiàn)。感謝中國科學(xué)院貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)觀測試驗站的劉巧、劉明德、陳斌如、蘭全、劉發(fā)明和劉發(fā)蓉在數(shù)據(jù)采集工作中的付出。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

楊陽（1988—），女，四川廣安人，碩士，工程師，研究方向為生態(tài)學(xué)，信息管理。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理、審核和數(shù)據(jù)論文撰寫。

王可琴（1969—），女，四川瀘定人，中專，工程師，研究方向為氣象學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)采集和處理。

胡兆永（1987—），男，廣西貴港人，博士，助理研究員，研究方向：生態(tài)水文學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)整合和質(zhì)量控制。

王根緒（1965—），男，甘肅天水人，博士，研究員，研究方向為生態(tài)水文學(xué),全球變化與高山生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和總體工作部署。