1961~2014年中国光合有效辐射重构数据集

数据审核专员:

建议作者将数据集在ScienceDB上的地址:http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/400 添加到论文“数据库(集)基本信息简介”的“数据服务系统网址”里。

【2017-04-13】 评论来自:版本 1
责编:

建议作者参考如下意见修改后,通读全文,精炼语句。

1. 光合有效辐射可以揭示植被结构吗?请作者考虑。如无不妥,请忽略本条。 如有改动,英文及其他相关处统改。

2. 从致谢来看,数据集基本信息简介中的基金项目信息不全。另外,致谢中无需再提基金项目。

3. 引言中第二段是“开始采样”还是“转而采用”?

4. 引言中第三段“然后利用晴空指数Ks和太阳高度角建立的光合有效辐射分区域的光合有效辐射重构模块”,可否删除一个“光合有效辐射”?

5. 图1:①中文版的图例请用中文;②附图中的站点未标识;③图片变形,请修改;④图片应有独立性,需标明地图上横竖线条的意义。

6. Angstrom模型还是Ångström 模型?

7. 第1章中瑞利散射不是散射的一种吗?建议修改相关处,并注意逗号和分号的使用。

8. 公式8中abcd分别代表什么?

9. 公式9中的ABCDE分别代表什么?

10. 图4:①附图中未标明物理量,请修改;②建议在图中补充经纬度的刻度。

11. 公式10中有未提到的字符。

12. 相关系数在表3中没有显示?

【2017-04-19】 评论来自:版本 1
作者: 第1条、第2条和第4条,对修改部分进行了删除。其余各条的修改在文中用红色字体标出。 对图1和图4也进行了全面修改。 【2017-04-25】 评论来自:版本 1
责编委:

1、请作者做进一步文字校对;

2、建议压缩前言篇幅;

3、针对质量控制部分,统计异常值是否有进一步的分析和探索性的建议(譬如重用数据如何处理此部分,是否剔出或如何修正)?

【2017-04-27】 评论来自:版本 1
作者: 已根据评审意见,对前言进行删减修改,对于统计异常值的处理办法在文章第四部分给出了说明和建议,并且对文章整体做了文字校对。 【2017-05-03】 评论来自:版本 1
责编:

文章已通过编委投票。

【2017-07-31】 评论来自:版本 2

提交问题或建议:



您还没有登录,请[登录]或[ 注册]!

1961~2014年中国光合有效辐射重构数据集

浏览下载总计

网页浏览 论文下载
19367 149

1961~2014年中国光合有效辐射重构数据集

作者发表的论文

1 夏秋季石家庄大气污染变化特征观测研究
杜吴鹏,王跃思,宋涛,辛金元,程一松,吉东生. 环境科学[J],2010,31(7),1409-1416

数据来源:CSCD中国科学引文数据库      CSCD      被引次数: 10

19612014中国光合有效辐射重构数据集

唐利琴1,3,刘慧 2,3,胡波3*,刘广仁3,王跃思3

1. 成都信息工程大学大气科学学院,成都 610225

2. 兰州大学大气科学学院,兰州 730000

3. 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京 100191

*通讯作者(Email: hub@post.iap.ac.cn)

摘要:光合有效辐射是生态学、农学以及气候学等学科研究中的一个关键因子。它是揭示相关物质与能量交换过程的基本生理变量;作为一种重要的气候资源,它在光合作用潜力、潜在的产量和作物生长模拟研究,土壤碳的固定模拟研究中扮演着不可缺少的角色。首先根据“混合模型”,利用中国气象局常规观测数据模拟得到地面总辐射历史数据;然后由晴空指数(Ks)、太阳高度角和日照时数建立的光合有效辐射估算模块重构我国724个观测站日光合有效辐射数据。本数据集的时间范围为1961~2014年。

关键词:中国;光合有效辐射;混合模型;日照时数;重构;晴空指数

Reconstructed photosynthetically active radiation dataset in China (1961 – 2014)

Tang Liqin1,3, Liu Hui2,3, Hu Bo3*, Liu Guangren3, Wang Yuesi3

1. College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, P. R. China

2. College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, P. R. China

3. State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100191, P. R. China

*Email: hub@post.iap.ac.cn

Abstract: Photosynthetically active radiation (PAR) plays important roles in ecology, agriculture and climatology research. It is a fundamental physiological variable that influence on the exchange processes of mass and energy. As an important climatic resource, PAR is an indispensable data for calculated the potential photosynthesis, potential yield, crop growth and carbon cycle. In situ measured data from Chinese ecology research network used to develop the estimation model for estimation PAR under all-sky condition. The “hybrid model” was used to calculate historical solar radiation from China Meteorological Administration routine observations. And then combined PAR estimation model that based on clearness index, solar elevation angle and sunshine durations, to obtain the historical daily PAR data at 724 routine stations from 1961 to 2014.

Keywords: China; photosynthetically active radiation; hybrid model; sunshine duration; reconstruction; clear sky index

数据库(集)基本信息简介

数据库(集)中文名称

1961~2014年中国光合有效辐射重构数据集

数据库(集)英文名称

Reconstructed photosynthetically active radiation dataset in China

(1961 – 2014)

通讯作者

胡波(hub@post.iap.ac.cn)

数据作者

刘慧、唐利琴、胡波、刘广仁、王跃思

数据时间范围

1961~2014年

地理区域

中国陆地

数据格式

*.txt

数据量

69.5 MB

数据服务系统网址

http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/400

基金项目

中国科学院科技服务网络计划(STS计划)

CERN观测指标、方法及规范的研究与修订,KFJ-SW-STS-168

数据库(集)组成

中国光合有效辐射重构数据集为1个压缩文件,其中724个txt文件,每个文件为一个站点的光合有效辐射数据集,文件名为对应站点的编号;另有一个excel文件,为724个观测站的站点信息。

引 言

光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)是指能被植物叶绿素吸收进行光合作用的那部分太阳辐射,波段范围在400~700 nm。它是植物形成干物质的能量来源,是描述植被对光合有效辐射能量吸收能力的指标,是揭示相关的物质与能量交换过程的基本生理变量[1]。光合有效辐射作为一种重要的气候资源,是光合潜力、潜在的产量和作物生长模拟研究以及土壤碳的固定模拟研究中不可缺少的基础数据。另一方面,光合有效辐射还是陆地生态系统和海洋生态碳循环的核心因素之一,它的精确测量有助于修正净生产率(NPP)和CO2源汇研究模型,使各种模式更贴近实际地–气系统的变化规律[2]。光合有效辐射时空分布的监测是通过模式精确估算我国生态系统碳收支的基础。因此,光合有效辐射研究在生态学、农学以及气候研究中都具有重要的意义和价值。

从1984年起,我国开始通过差值法研究光合有效辐射,1997年开始采用直接观测法对光合有效辐射进行观测研究,得到一些地区光合有效辐射变化规律[3-7],并且利用总辐射和光合有效辐射的主要影响因子得到了适用于不同区域的光合有效辐射经验估算模型[8-12]。目前关于光合有效辐射的研究仍较分散,建立的经验模型具有较好的区域代表性,但是在拓展应用时需要借助于总辐射与光合有效辐射同步观测,因而大尺度的光合有效辐射的观测以及估算方法都还有待深入开展。

中国生态系统研究网络(CERN)长期全面监测我国生态环境变化,通过对水、土、气及生物的综合研究为我国生态环境重大问题的研究提供全国性的数据和理论支持。其气象辐射观测系统是我国第一个国家尺度的采用直接观测方式进行光合有效辐射连续观测的地基观测网,它由分布在我国8种典型生态类型(农田、森林、城市、草地、湖泊、荒漠、湿地、海湾)的44个野外观测站组成,从2004年开始观测。其数据反映了我国光合有效辐射的时空演变规律[13-14],但是存在空间分辨率不足、时间尺度较短的问题。为了获得更高时空分辨率的光合有效辐射数据,我们利用阳坤提出并发展的“混合模型”,结合中国气象局(CMA)724个观测站的长期观测数据(如日照时数、气压、温度和相对湿度),以及卫星数据反演的气溶胶光学厚度(AOD)和臭氧柱总量数据等参数,重构获得了1961~2014年的地面总辐射数据。然后利用晴空指数Ks和太阳高度角建立分区域的光合有效辐射重构模块,计算得到光合有效辐射数据。按照气候特征及行政区划,参考Shen等人的文献[15],我们把中国分成了8个区域,分别是东北地区(NEC)、华北地区(NCP)、中北地区(NC)、西北地区(NWC)、青藏高原地区(TP)、西南地区(SWC)、东南地区(SEC)、东部地区(EC)。图1是CMA和CERN的站点分布图,以及光合有效辐射重构模块的区域划分图,黑色实线为区域分界线。

1 CMACERN站点分布及光合有效辐射重构模块的区域划分图

1 数据获取方法

虽然光合有效辐射可以直接测量,但由于其不是气象站的常规观测项目,导致我国光合有效辐射有效观测数据较少。CERN从2004年开始对生态监测网络中所有的气象辐射观测系统进行全面升级改造,升级改造后的所有传感器都符合WMO标准,且精密度和稳定性高。采用标准的标定方法和标定仪器对辐射仪器进行标定,保证了监测结果的可比性和一致性,获得高质量的光合有效辐射数据集。但是依然存在站点稀少、观测时间短的问题,因此为了获得高时空分辨率的光合有效辐射数据,我们通过“混合模型”结合分区域的光合有效辐射重构模块,重构获得了我国时空分辨率较高的光合有效辐射的日值数据集。图2为数据集生成技术路线图,简要描述了数据集的生成过程。

2 数据集生成技术路线图

阳坤研发的“混合模型”[16-17] 是一个半物理半经验模型,既实现了Ångström模型计算的简便性,又包含了辐射传输过程中的物理过程。具体思路为:晴空时,太阳辐射穿过大气时因受到瑞利散射、气溶胶吸收和散射、臭氧吸收、水汽吸收以及均一混合气体吸收而衰减,这5种衰减作用对应的透过率分别表示为\tau _{r}\tau _{oz}\tau _{a}\tau _{w}\tau _{g} 。太阳直接辐射透过率和散射辐射透过率分别表示为\tau _{b}\tau _{d},计算方法见公式(1)和(2)。

以上公式中的5种透过率可通过地面气压、大气可降水量、臭氧层厚度以及Ångström大气浑浊度β计算获得,具体计算过程可参见Yang等人的研究[17]。由公式(3)可获得晴空大气状况下到达地面的太阳辐射日值R_{\mathit{clear}}t1t2 分别为日出和日落时刻。

有云时,云的透过率可以通过日照时数得到,其参数化方案如公式(4)。其中,n为日照时数,Ns为最大可能日照时数,即晴空大气条件下到达地面的太阳直接辐射超过120W·m-2的日照时数。此条件下,到达地面的太阳辐射日值计算见公式(5)。

由于光合有效辐射与总辐射的变化规律基本一致,因此有学者用晴空指数(到达地面的太阳辐射和大气层顶的天文辐射的比值)Ks和太阳高度角建立了光合有效辐射参数化估算模型,见公式(6)。其中,Rs 是到达地面的太阳辐射,R0是大气层顶的天文辐射。

许多研究表明,不同Ks范围时光合有效辐射随太阳高度角正弦值(\mu)变化,它们的变化关系可以用幂函数的形式表示,见公式(7)。PARm\mu等于单位太阳高度角正弦值时的光合有效辐射值,e为光合有效辐射值随太阳高度角正弦值的变化程度。而PARmKs存在如公式(8)的关系。a、b、c、d为拟合参数。

通过拟合计算得到光合有效辐射值日累计值,估算方法见公式(9)。其中\bar{K_{s}}为地面总辐射日累计值和天文辐射日累计值的比值,\bar{\mu}为每天日出到日落太阳天顶角余弦值的均值,td为日照时数。A、B、C、D、E这5个参数可以通过拟合获取。它们均依赖地理位置和气候类型,因而各个区域的参数有所不同。

我国8个区域的光合有效辐射重构的参数化方案如表1所示。

1 8个区域光合有效辐射估算参数化方程

代表站点

区域分区

估算公式

海伦

NEC

(0.28+9.01×Kt +2.03×Kt 2-1.89×Kt 3) ×μ1.19×td

北京

NCP

(0.03+10.57×Kt -4.44×Kt 2 +3.37×Kt 3) ×μ1.06×td

东湖

EC

(0.18+9.26×Kt +0.91×Kt 2 -1.01×Kt 3) ×μ1.18×td

鼎湖山

SEC

(0.07+9.47×Kt -2.10×Kt 2 +2.26×Kt 3) ×μ1.06×td

沙坡头

NC

(0.24+10.18×Kt +1.43×Kt 2-1.78×Kt 3) ×μ1.24×td

盐亭

SWC

(0.20+9.22×Kt +1.34×Kt 2-1.43×Kt 3) ×μ1.25×td

阜康

NWC

(0.44+7.97×Kt+5.84×Kt 2 -5.42×Kt 3) ×μ1.12×td

拉萨

TP

(2.67+-5.83×Kt +30.42×Kt 2-19.37×Kt 3) ×μ1.14×td

2 数据样本

2.1 数据内容描述

光合有效辐射数据集文件的文档内容描述遵循以下规则:

“中国光合有效辐射重构数据集(1961-2014).rar”由724个站点的光合有效辐射重构值文本文件和一个站点信息excel文件构成,文本文件名为“*.txt”,其中*代表站点编号。文本内各列分别代表年、月、日、光合有效辐射值,单位为mol/(m2·d),excel文件内各列分别代表站号、经度和纬度。

2.2 数据样本描述

以中国科学院大气物理研究所的北京城市气象辐射观测站的数据为例,光合有效辐射重构值的数据样本如表2方式呈现,4列分别代表年、月、日和光合有效辐射值。图3为北京站2014年光合有效辐射年变化图,图4则为2014我国的光合有效辐射空间分布图。

2 20146月北京站重构光合有效辐射值

光合有效辐射(mol/(m2·d)

2014

6

1

18.413

2014

6

2

27.367

2014

6

3

40.523

2014

6

4

28.119

2014

6

5

40.555

2014

6

6

16.59

2014

6

7

43.504

2014

6

8

34.692

2014

6

9

41.07

2014

6

10

30.538

2014

6

11

42.219

2014

6

12

43.444

2014

6

13

36.691

2014

6

14

39.755

2014

6

15

26.533

2014

6

16

23.018

2014

6

17

12.226

2014

6

18

37.453

2014

6

19

12.221

2014

6

20

34.495

2014

6

21

23.689

2014

6

22

30.106

2014

6

23

43.293

2014

6

24

40.701

2014

6

25

12.246

2014

6

26

34.6

2014

6

27

41.112

2014

6

28

43.557

2014

6

29

38.623

2014

6

30

39.38

3 2014年北京站光合有效辐射日总量年变化图

4 2014年我国光合有效辐射空间分布图(单位:mol/(m2·d)

3 数据质量评估

为了验证重构的光合有效辐射数据的精确度,利用CERN的39个站点光合有效辐射观测数据,时间跨度2005~2014年,与CMA最临近站点的重构数据比较。以CMA站点的重构数据为X轴,CERN站点的观测数据为Y轴,将二者进行线性拟合,拟合结果如表3所示,分别以斜率(S)、截距(I)、显著性检验值(P)以及平均偏差(MBE)来表征光合有效辐射估算公式的精度。平均偏差的定义见公式(10)。其中,EiMi分别是为第i个样本的计算值和观测值,Mave是所有样本观测值的平均值,N为观测值的样本数。

表3 重构光合有效辐射与临近站观测值的对比

CMAX

CERNY

S

I

P

MBE%

51628

阿克苏

1.129

2.860

P < 0.01

-18.32

56856

哀牢山

0.895

4.641

P < 0.01

-6.31

53845

安塞

0.947

1.811

P < 0.01

-0.08

54518

北京城市

0.891

4.686

P < 0.01

-6.30

56959

西双版纳

0.793

7.076

P < 0.01

-5.59

54285

长白山

0.992

2.026

P < 0.01

-5.83

51828

策勒

1.017

5.581

P < 0.01

-18.18

58259

常熟

1.063

4.456

P < 0.01

-20.10

53929

长武

0.988

3.979

P < 0.01

-10.93

59278

鼎湖山

1.118

1.726

P < 0.01

-16.56

57494

东湖

1.042

3.926

P < 0.01

-17.12

59493

大亚湾

0.899

6.229

P < 0.01

-12.96

53545

鄂尔多斯

0.954

3.874

P < 0.01

-7.03

51076

阜康

0.894

8.149

P < 0.01

-11.63

57091

封丘

1.184

3.287

P < 0.01

-25.02

56374

贡嘎山

0.956

3.844

P < 0.01

-9.54

52765

海北

0.788

7.836

P < 0.01

-2.38

59023

环江

0.894

3.002

P < 0.01

-3.02

50756

海伦

0.895

5.588

P < 0.01

-7.61

59478

鹤山

0.899

3.658

P < 0.01

-5.35

57745

会同

0.998

3.069

P < 0.01

-11.65

54857

胶州湾

1.082

2.342

P < 0.01

-15.22

53698

栾城

1.032

1.744

P < 0.01

-8.83

55591

拉萨

0.894

6.968

P < 0.01

-8.78

52546

临泽

1.115

2.839

P < 0.01

-17.19

56188

茂县

1.269

1.878

P < 0.01

-26.58

54226

奈曼

1.022

3.744

P < 0.01

-12.74

54102

内蒙古

0.896

7.566

P < 0.01

-12.26

57799

千烟洲

1.031

2.918

P < 0.01

-12.91

50788

三江

0.955

5.412

P < 0.01

-12.79

57355

神农架

1.279

0.435

P < 0.01

-22.90

53704

沙坡头

1.013

6.072

P < 0.01

-18.85

54342

沈阳

1.033

2.662

P < 0.01

-11.52

59948

三亚

0.929

8.004

P < 0.01

-18.45

58358

太湖

1.477

2.803

P < 0.01

-36.88

57662

桃源

1.098

1.678

P < 0.01

-14.29

54715

禹城

1.004

3.339

P < 0.01

-11.81

57306

盐亭

1.079

2.246

P < 0.01

-16.22

58626

鹰潭

1.024

3.778

P < 0.01

-14.47

如表3所示,39个站点的线性拟合的斜率值都在1附近变化,只有西双版纳和海北站低于0.8,以及茂县、神农架和太湖站斜率值高于1.2;除了三亚的截距为8.004以外,其余站点的截距都在8以下;所有站点P都小于0.01,表明所有拟合结果都通过了99%的显著性检验;平均偏差都为负,说明估算值偏低,除了太湖站和茂县站以外,平均绝对偏差都低于25%。以上统计结果表明,本数据集的精度是可靠的。

4 数据使用方法和建议

光合有效辐射对于定量估算光合作用和探索生物利用太阳能等重大理论问题都有十分重要的作用,有助于提高全球生态系统的碳估算精度,以及提供科学发展农业的理论基础。本数据集包含了光合有效辐射长期的时空变化,可用于我国气候资源评估等领域。光合有效辐射也能够对气候预测模式中的辐射过程物理参数化方案的改进和完善提供支持。综合考虑下垫面对观测数据精度影响的程度,比如对于建在太湖上的太湖站和建在半山上的茂县站,下垫面对观测数据精度影响较大,所以在重构光合有效辐射值时,误差较大。因此,对数据精度要求较高时,建议不使用此类站点的数据。此外,本数据集单位统一为mol/(m2·d),用户在使用时应注意数据单位。

致 谢

感谢中国生态系统研究网络(CERN)提供的光合有效辐射值观测数据,以及中国气象局(CMA)提供的总辐射数据和常规气象观测数据。最后还要感谢MODIS团队提供的AOD数据和NASA/GSFC臭氧处理团队提供的臭氧数据。

数据作者分工职责

唐利琴(1992—)女,四川人,硕士,研究方向为大气辐射。主要承担工作:论文撰写。

刘慧(1989—)女,山西人,博士,研究方向为大气辐射与遥感。主要承担工作:数据整理。

胡波(1974—)男,云南人,博士,研究方向为大气辐射。主要承担工作:数据质量控制。

刘广仁(1950—)男,北京人,本科,研究方向为通信工程。主要承担工作:数据质量控制。

王跃思(1960—)男,北京人,博士,研究方向为大气化学。主要承担工作:观测网络设计

参考文献

[1] 董泰峰, 蒙继华. 光合有效辐射(PAR)估算的研究进展[J]. 地理科学进展, 2011, 30(9): 1125–1134.

[2] Miskolczi F, Aro T, Iziomon M, et al. Surface Radiative Fluxes in Sub-Sahel Africa[J]. Journal of Applied Meteorology, 2010, 36(5): 521–530.

[3] 彰宪洲, 周允华. 青藏高原4月—10月光合有效量子值的气候学计算[J]. 地理学报, 1997, 52(4): 361–365.

[4] Yingmnian L, Zhou H. Features of Photosynthetic Active Radiation(PAR) in Haibei AlpineMeadow Area of Qilian Mountain during Plant Growing Period[J]. Plateau Meteorology, 2002, 21(1): 90–95.

[5] 刘新安, 范辽生. 辽宁省太阳辐射的计算方法及其分布特征[J]. 资源科学, 2002, 24(1): 82–87.

[6] 张运林, 秦伯强. 太湖地区光合有效辐射(PAR)的基本特征及其气候学计算[J]. 太阳能学报, 2002, 23(1): 118–123.

[7] 朱旭东, 何洪林. 近50年中国光合有效辐射的时空变化特征[J]. 地理学报, 2010, 65(3): 270–280.

[8] 李韧, 季国良. 青藏高原北部光合有效辐射的观测研究[J]. 太阳能学报, 2007, 28(3):241–247.

[9] Zhang X, Zhang Y, Zhoub Y. Measuring and modeling photosynthetically active radiation in Tibet Plateau during April-October[J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2000, 102(2-3): 207–212.

[10] 余予, 陈洪滨. 香河地区光合有效辐射观测分析研究[J]. 高原气象, 2008, 27(5): 1094–1101.

[11] 胡波, 王跃思. 三江平原地区光合有效辐射观测研究[J]. 气候与环境研究, 2014, (3): 343–350.

[12] Wang L, Wei G. Measurement and estimation of photosynthetically active radiation from 1961 to 2011 in Central China[J]. Applied Energy, 2013, 111(4): 1010–1017.

[13] Hu B, Liu H, Wang Y. Investigation of the variability of photosynthetically active radiation in the Tibetan Plateau, China[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016, 55(2): 240–248.

[14] 胡波. 中国紫外与光合有效辐射的联网观测及其时空分布特征研究[D]. 北京: 中国科学院研究生院(大气物理研究所), 2005.

[15] Shen X, Liu B, Li G, et al. Spatiotemporal change of diurnal temperature range and its relationship with sunshine duration and precipitation in China[J/OL]. J. Geophys. Res. Atmos. 2014, 119: 13,163–13,179. DOI: 10.1002/2014JD022326.

[16] Yang K, Huang G, Tamai N. A hybrid model for estimating global solar radiation[J]. Solar Energy, 2001, 70(1): 13–22.

[17] Yang K, Koike T, Ye B. Improving estimation of hourly, daily, and monthly solar radiation by importing global data sets[J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2006, 137(1-2): 43–55.

引用本文

唐利琴, 刘慧, 胡波. 1961~2014年中国光合有效辐射重构数据集(讨论版)[J/OL]. 中国科学数据, 2017. DOI: 10.11922/csdata.170.2017.0135.

引用数据

刘慧, 唐利琴, 胡波. 1961~2014年中国光合有效辐射重构数据集(讨论版)[DB/OL]. Science Data Bank, 2017. DOI: 10.11922/sciencedb.400.

下载