中国生态系统研究网络(CERN)专题 I 区论文(评审中) 版本 ZH2
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2012–2019年千烟洲红壤丘陵综合开发试验站散射辐射数据集
A diffuse radiation dataset in Qianyanzhou Ecological Research Station (2012–2019)
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摘要&关键词
摘要:散射辐射是太阳辐射的重要组成成分,其动态变化对生态系统碳循环有重要影响。2012年在千烟洲红壤丘陵综合开发试验站的综合气象观测场内安装了SPN1辐射仪(Delta-T Devices Ltd, 英国)进行散射辐射观测。对于缺失的散射辐射数据,首先利用同期的带有遮光环的CMP11辐射仪(Kipp & Zonen, 荷兰)测得的散射辐射数据进行替换。若CMP11辐射仪的散射辐射数据也缺失,则利用已在千烟洲地区验证过的Reindl模型进行计算。本数据集精度为30分钟尺度,时间长度为2012–2019年,以期为相关生态、环境、气象等研究提供基础数据。
关键词:千烟洲;散射辐射;总辐射;晴空指数
Abstract & Keywords
Abstract:  Diffuse radiation is a main component of solar radiation, which dynamic change has an important effect on ecosystem carbon cycle. In 2012, an SPN1 pyranometer (Delta-T Devices Ltd., UK) was installed in the comprehensive meteorological observation field in Qianyanzhou Ecological Research Station to measure the diffuse radiation. For the missing diffuse radiation data, the data measured by the CMP11 pyranometer (Kipp & Zonen, Netherlands) attached with a shadow ring were replaced. If the diffuse radiation data of CMP11 pyranometer were also missing, the Reindl model which has been verified in Qianyanzhou area was used for calculation. The accuracy of this dataset is 30 minutes, and the time range is from 2012 to 2019, so as to provide basic data for related ecological, environmental and meteorological studies.
Keywords: Qianyanzhou; diffuse radiation; global radiation; clearness index
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称2012–2019年千烟洲红壤丘陵综合开发试验站散射辐射数据集
数据作者韩佳音、张彩霞、张雷明、温学发、覃小林、王辉民
数据通信作者张雷明(zhanglm@igsnrr.ac.cn)
数据时间范围2012 – 2019年
地理区域26°44′48″N,115°04′13″E
数据量7.37 MB
数据格式*.xlsx
数据服务系统网址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00062
基金项目国家重点研发计划(2017YFC0503801、2016YFA0600104);国家自然科学基金(31570446)。
数据库(集)组成数据集由两部分数据组成,其一为SPN1测量的原始总辐射和散射辐射数据,其二是经过控制和插补计算得到的总辐射和散射辐射数据。
Dataset Profile
TitleA diffuse radiation dataset in Qianyanzhou Ecological Research Station (20122019)
Data corresponding authorZhang Leiming (zhanglm@igsnrr.ac.cn)
Data authorsHan Jiayin, Zhang Caixia, Zhang Leiming, Wen Xuefa, Qin Xiaolin, Wang Huimin
Time range2012 – 2019
Geographical scope26°44′48″N, 115°04′13″E
Data volume7.37 MB
Data format*.xlsx
Data service system<http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00062>
Sources of fundingNational key research and development program (2017YFC0503801, 2016YFA0600104); National Natural Science Foundation of China (31570446).
Dataset compositionThe dataset is composed of two parts, one is the original global radiation and diffuse radiation data measured by SPN1, and the other is the global radiation and diffuse radiation data calculated by control and interpolation.
引 言
太阳辐射是绿色植物进行光合作用的根本能量来源,太阳辐射强度和其组成成分的动态变化对光合作用有着重要影响[1-2]。当太阳辐射经过地球大气层时,大气中的气体分子、水汽、灰尘等会使其被吸收、反射或散射,最终到达地球表面的太阳辐射可以被划分为直接辐射和散射辐射[3]。从20世纪九十年代以来,散射辐射对陆地生态系统碳循环的作用受到越来越多研究者的关注。一些研究[4,5,6 ]表明,散射辐射比例的增加有利于促进陆地生态系统碳汇。相反地,也有研究[7]发现,在散射辐射比例提高的情况下,生态系统CO2吸收量由于总辐射的减少而减少。目前,散射辐射的改变对陆地生态系统净碳吸收的影响还存在争议,因此解析散射辐射变化对陆地生态系统碳汇的影响在未来全球变化大背景下的研究中十分重要。对于研究这些科学问题,需要对散射辐射进行连续观测获得基础数据。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据采集方法
本数据集的散射辐射观测数据由千烟洲站的综合气象观测场获得(图1)。该气象观测场场地开阔平坦,下垫面植被分布均一,观测场周边没有建筑物或高大植被遮挡,主要利用SPN1辐射仪(Delta-T Devices Ltd,英国)进行散射辐射的原位长期连续观测。SPN1辐射仪的安装高度距离地面1.5 m。在散射辐射测定期间,定期进行人工检查并清洁SPN1辐射仪传感器表面,最大程度减少测量误差。SPN1辐射仪的测量原理是利用测定探头上安装的多孔半球形遮光罩,使非开孔和开孔的表面积相等,并且在每个开孔下均放置辐射传感器。由于散射辐射具有无方向性传播的特性,传感器观测时,测定到的最小和最大辐射即分别为散射辐射和总辐射,SPN1辐射仪可同时将这两个辐射要素输出[8]


图1   千烟洲站综合气象观测场内SPN1辐射仪和带遮光环的CMP11辐射仪
在SPN1辐射仪出现故障、返厂标定时,利用带遮光环的CMP11辐射仪 [9]进行辅助观测。CMP11辐射仪测定仪由CM121B遮光环(Kipp & Zonen,荷兰)和CMP11辐射计(Kipp & Zonen,荷兰)两部分组成。遮光环为直径650 mm,宽度55 mm的黑色圆环。当测量散射辐射时,由于太阳高度角在四季变化,需要进行人工辅助设定CMP11辐射仪上方CM121B遮光环的位置,以保证遮光环的阴影可以全部覆盖辐射测定探头,从而测定散射辐射[9]。由于遮光环在遮挡直接辐射的同时也遮挡了一少部分散射辐射,所以测量得到的散射辐射数据需要根据遮光环给出的校正表进行校正。表1给出了各辐射仪器的主要技术指标。
表1   CMP11和SPN1辐射观测仪的主要技术指标
技术指标辐射仪器
CMP11SPN1
光谱范围(nm)285~2800400~2700
灵敏度(μV·W-1·m-27~141*
响应时间(s)<50.1
零漂移(W·m-2<7<3
方向误差(W·m-2<10±20
运行温度(℃)−40~80−40~70
温度对灵敏度的影响(%)<1±1
非线性度(%)<0.2<1
总体ISO分类二级标准(高质量)一级标准(良好质量)
注:*表示SPN1的灵敏度为模拟输出信号灵敏度,单位为mV。
1.2   散射辐射计算模型
使用散射辐射计算模型对缺失的散射辐射数据进行计算插补。在众多散射辐射计算模型中,Reindl模型计算方便,应用最为广泛。Reindl等[10]通过北美和欧洲的5个辐射站获得的22000条小时尺度散射辐射数据和气象数据,把对散射辐射有显著影响的4个预测变量从28个潜在预测变量中分离出来,其具体公式如下:
kt = IG / IE
kd = 1.02 – 0.254kt + 0.0123sinβkt ≤ 0.3
kd = 1.4 – 1.749kt + 0.177sinβ 0.3 < kt < 0.78
kd = 0.486kt – 0.182sinβkt ≥ 0.78
ID = kd × IG
式中:kt 为晴空指数(无量纲);IG 为总辐射(W m–2);IE 为地球外大气上界辐射(W m–2);kd 为散射分数(无量纲);β为太阳高度角(°);ID 为散射辐射(W m–2)。
2   数据样本描述
本数据集包括2012–2019年逐半小时尺度的散射辐射原始观测数据、总辐射数据散射辐射模型计算数据,每一年单独为一个表单。
2012年2月1日18时至2012年2月24日15时,由于仪器调试没有观测,共1099条数据由通量塔上测得的总辐射带入Reindl模型进行计算获得。2017年1月9日14时至2017年3月14日18时,SPN1辐射仪返厂标定,这期间共3081条数据由CMP11测得的散射辐射数据提供。其他短时间内缺失的数据由前后两小时数据插补获得。数据样本描述如表2,第一列为时间,第二列为SPN1测得的原始总辐射,第三列为SPN1测得的原始散射辐射,第四列为经过质量控制和计算的总辐射,第五列为经过质量控制和计算的散射辐射。
表2   数据样本描述(单位:W m–2
时间IG (raw)ID (raw)IG (control)ID (control)
2012/1/1 0:002.221.410.000.00
2012/1/1 0:302.281.450.000.00
2012/1/1 1:002.211.430.000.00
2012/1/1 1:302.771.910.000.00
2012/1/1 2:003.472.610.000.00
…………………………
3   数据质量控制和评估
各辐射仪器获得的观测数据都进行了必要的质量控制[11]。由于在日出和日落时太阳高度角数值较小,辐射仪在这种情况下观测会出现余弦误差,从而造成测量值偏大。一般地,太阳高度角在6°~10°以下的值可以作为误差数据剔除掉[12],本数据集在质量控制时剔除了小于7°太阳高度角的测量值。
降水也会严重影响SPN1散射辐射仪器的准确测量,本数据集把每次降水前1 h和降水后2 h数据进行剔除。理论上IG 不能超过IEID 不能超过IG 。对于由于测量误差造成ID 大于IG 的数据,将IG 修订为与ID 等值。
4   数据价值
本数据集为完整的长时间序列高频率散射辐射数据集,为亚热带地区生态、环境、气象等相关领域的研究提供了基础。
5   数据使用方法和建议
本数据集可通过Science Data Bank在线服务网址(http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00062)获取数据服务。如需要与本数据集相关的其他数据也可直接咨询本文作者。
致 谢
感谢千烟洲站尹善元长年对综合气象站内各仪器的管理以及数据采集传送。
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数据引用格式
韩佳音, 张彩霞, 张雷明, 等. 2012–2019年千烟洲红壤丘陵综合开发试验站散射辐射数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2021. (2021-02-02). DOI: 10.11922/sciencedb.j00001.00062.
稿件与作者信息
论文引用格式
韩佳音, 张彩霞, 张雷明, 等. 2012–2019年千烟洲红壤丘陵综合开发试验站散射辐射数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2020-11-24). DOI: 10.11922/csdata.2020.0056.zh.
韩佳音
Han Jiayin
主要承担工作:数据处理、散射辐射计算。
(1989—),男,博士,博士后,研究方向为生态系统碳循环。
张彩霞
Zhang Caixia
主要承担工作:数据整理与质控。
(1974—),女,博士,工程师,研究方向为生态服务功能评估方法。
张雷明
Zhang Leiming
主要承担工作:观测设计、管理。
zhanglm@igsnrr.ac.cn
(1974—),男,博士,副研究员,研究方向为生态系统碳水循环过程与全球变化。
温学发
Wen Xuefa
主要承担工作:数据管理。
(1975—),男,博士,研究员,研究方向为生物地球化学、生态系统生态学、稳定同位素生态学。
覃小林
Qin Xiaolin
主要承担工作:仪器售后。
(1979—),男,学士,总经理。
王辉民
Wang Huimin
主要承担工作:台站管理。
(1967—),男,博士,研究员,研究方向为森林生态学、恢复生态学、生态系统物质循环。
出版历史
I区发布时间:2021年2月2日 ( 版本ZH2
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中国科学数据
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