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                        中國通量觀測研究網(wǎng)絡（ChinaFLUX）專題
                        

                        

                            II 區(qū)論文（已發(fā)表）
                        

                        
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                                版本

                                

    
        ZH3
    



                            
                        

                        
                            
                                
                                    Vol 6 (2)
                                        
    
                                        2021
                                    
                                

                            
                        

                    
    
                        
    







                        

                        

                        
    
                                下載
                                    
                        
    
                    
    
                    
    
                    
    


                    
    
                        
      
                            
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    2006–2015年中國大氣無機氮干沉降時空格局數(shù)據(jù)集
    A spatial and temporal dataset of atmospheric inorganic nitrogen dry deposition in China (2006–2015)
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    摘要&關(guān)鍵詞
    摘要：干沉降是大氣氮沉降的重要組分，對陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有重要影響。由于干沉降組分復雜、觀測技術(shù)難度大，我國干沉降觀測的站點少、時間短，如何獲取精度高、時間序列長的干沉降空間格局數(shù)據(jù)是評估干沉降對我國生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵。本研究基于干沉降的站點觀測數(shù)據(jù)和NO2、NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù)，分別建立了評估不同形態(tài)干沉降的遙感統(tǒng)計模型，生成了2006–2010年、2011–2015年2個時期中國無機氮干沉降通量的空間格局數(shù)據(jù)集，包括顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    、氣態(tài)NO2、HNO3、NH3和總干沉降通量6個指標，空間分辨率為10 km×10 km，數(shù)據(jù)格式為tiff。本數(shù)據(jù)集是第一個基于地面實測數(shù)據(jù)生成的中國大氣氮干沉降可公開共享數(shù)據(jù)集，可為中國大氣氮沉降的生態(tài)效應和環(huán)境效應評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也可為我國的氮素管理政策提供理論支持。
    關(guān)鍵詞：中國；干沉降；遙感模型；時空格局
    Abstract & Keywords
    Abstract:?As an important component of atmospheric nitrogen deposition, dry deposition has considerable effect on the construction and function of terrestrial ecosystems. Because of the complexity of dry deposition and the demanding technology in its observation, there were few monitoring stations with a short of observation time in China. Therefore, the way to obtain a spatial pattern dataset with high resolution and long-term series of dry deposition observation is essential to evaluate its effect on China’s ecosystems. Based on the ground monitoring data of dry deposition and remote sensing data of NO2 and NH3, we constructed remote sensing statistical models for different forms of dry deposition, and compiled the spatial dataset of dry deposition during 2006–2010 and during 2011–2015 in China. The dataset covers 6 dry deposition indices: atmospheric particulate ammonium (NH4+                    ), atmospheric particulate nitrate (NO3), gaseous nitrogen dioxide (NO2), gaseous nitric acid (HNO3), gaseous nitric acid (NH3), and the total nitrogen dry deposition flux, with a spatial resolution of 10 km×10 km in tiff format. This dataset is the first public and sharing dataset of the atmospheric nitrogen dry deposition based on ground monitoring data in China, which can provide basic data reference for the evaluation of its ecological and environmental effect and serve as theoretical support for making the policy about nitrogen  management.
    Keywords:?China;?dry deposition;?remote sensing model;?spatial and temporal pattern
    數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介
    數(shù)據(jù)庫（集）名稱2006–2015年中國大氣無機氮干沉降時空格局數(shù)據(jù)集
    數(shù)據(jù)作者賈彥龍、王秋鳳、朱劍興、陳智、何念鵬、于貴瑞
    數(shù)據(jù)通信作者于貴瑞（yugr@igsnrr.ac.cn）
    數(shù)據(jù)時間范圍2006–2015年
    地理區(qū)域中國大陸區(qū)域
    空間分辨率10000 m
    數(shù)據(jù)量27.0 MB
    數(shù)據(jù)格式*.tiff
    數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)網(wǎng)址http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40575
                                                			http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/921
    基金項目河北省自然科學基金（C2018204096）；國家自然科學基金項目（31700377）；中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA19020302）；國家重點研發(fā)計劃（2016YFA0600104）。
    數(shù)據(jù)庫（集）組成數(shù)據(jù)集共包括6個指標：NH4+                                            ，大氣顆粒態(tài)銨干沉降；NO3-                                            ，大氣顆粒態(tài)硝干沉降；NO2，氣態(tài)二氧化氮干沉降；HNO3，氣態(tài)硝酸氣干沉降；NH3，氣態(tài)氨氣干沉降；Total dry N，為總干沉降，即5種類型干沉降之和。 數(shù)據(jù)集包括12個數(shù)據(jù)文件，分別為不同時期各形態(tài)干沉降空間格局數(shù)據(jù)，命名規(guī)則為XXX_d_YYYY_YYYY.tiff，其中XXX代表氮沉降的種類，d代表干沉降，YYYY_YYYY代表時間段。例如：HNO3_d_2006_2010.tiff是2006–2010年中國大氣HNO3干沉降空間格局數(shù)據(jù)。
    Dataset Profile
    TitleA spatial and temporal dataset of atmospheric inorganic nitrogen dry deposition in China (2006–2015)
    Data corresponding authorYU Guirui (yugr@igsnrr.ac.cn)
    Data authorsJIA Yanlong, WANG Qiufeng, ZHU Jianxing, CHEN Zhi, HE Nianpeng, YU Guirui
    Time range2006 – 2015
    Geographical scopeMainland China
    Spatial resolution10000 m
    Data volume27 MB
    Data format*.tiff
    Data service system<http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40575>
    			<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/921>
    Sources of fundingProvincial Science Foundation of Hebei (C2018204096); National Natural Science Foundation of China (31700377); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302); National Key Research and Development Program of China (2016YFA0600104).
    Dataset compositionThe dataset covers 6 dry deposition indices: atmospheric particulate ammonium (NH4+                                            ), atmospheric particulate nitrate (NO3), gaseous nitrogen dioxide (NO2), gaseous nitric acid (HNO3), gaseous nitric acid (NH3), and the total nitrogen dry deposition flux.
    			The dataset comprises 12 files indicating the spatial pattern data of different forms of dry deposition in different periods. The name of each file follows the naming rule of XXX_d_YYYY_YYYY.tiff, in which “XXX”, “d” and “YYYY_YYYY” denote “the form of nitrogen deposition”, “dry” and “the study period”, respectively. For example, HNO3_d_2006_2010.tiff records the spatial pattern of gaseous HNO3 dry deposition flux in China during 2006–2010.
    

                                
    引  言
        引  言    
    大氣氮沉降是指大氣氣態(tài)和顆粒態(tài)含氮物質(zhì)沉降到地表的過程，通過降水發(fā)生的為濕沉降，在沒有降水時通過重力、湍流等作用發(fā)生的是干沉降[1]。干沉降是大氣氮沉降的重要組分，其在氮沉降中所占比例約為30％–70％，存在區(qū)域差異和動態(tài)變化[2]。干沉降中的氮素可通過葉片的氣孔進入植物或沉降到土壤，對生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分吸收、氮循環(huán)、溫室氣體平衡等過程有重要影響。而且，干沉降也是一種指示大氣污染的指標，對人類健康、動植物生存、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生影響。因此，獲取大氣氮干沉降的時空格局數(shù)據(jù)是評估其生態(tài)效應和環(huán)境效應的關(guān)鍵。
    中國是全球大氣氮沉降的三大熱點區(qū)之一[3]，以前對于我國氮沉降的站點監(jiān)測和空間評估主要集中在濕沉降[4,5,6]。相比大氣氮濕沉降，干沉降組分更加復雜，其無機態(tài)的形式主要有氣態(tài)的NO2、HNO3、NH3和顆粒態(tài)的NH4+ 、NO3- ，這給干沉降的監(jiān)測帶來了很大的難度，因此站點尺度的干沉降觀測在我國非常少，這也為評估我國干沉降的空間格局帶來了挑戰(zhàn)。在干沉降空間格局評估上，大氣化學傳輸模型是一種主要方法，但是其模擬結(jié)果具有較大的不確定性[2]。近年來，NO2和NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù)先后釋放，其具有空間分辨率高、覆蓋區(qū)域廣、時間連續(xù)性的特點，如何利用該數(shù)據(jù)評估大氣氮干沉降的時空格局成為目前亟待解決的問題。
    在本研究中，我們基于文獻收集的大氣氮干沉降站點數(shù)據(jù)，結(jié)合NO2和NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù)，建立了評估大氣氮干沉降遙感統(tǒng)計模型，生產(chǎn)了2006–2015年（5年一期，共2期）中國大氣無機氮干沉降的空間格局數(shù)據(jù)集，指標包括氣態(tài)的NO2、HNO3、NH3和顆粒態(tài)的NH4+            、NO3-            。本數(shù)據(jù)集的公開共享可為中國大氣氮沉降的生態(tài)效應和環(huán)境效應評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也可為我國的氮素管理政策提供理論支持。
    1
                        ?
                    數(shù)據(jù)采集和處理方法
    在本研究中，中國大氣無機氮干沉降時空格局數(shù)據(jù)集的生成是基于地面觀測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)建立的遙感統(tǒng)計模型，因此，數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)流程包括干沉降站點監(jiān)測數(shù)據(jù)收集、遙感數(shù)據(jù)收集、遙感建模方法、干沉降速率數(shù)據(jù)處理和干沉降通量空間格局生成5個部分，主要流程見圖1。
    1.1
                        ?
                    干沉降站點觀測數(shù)據(jù)收集
    本研究中，中國大氣無機氮干沉降站點數(shù)據(jù)來自中國農(nóng)業(yè)大學建立的氮沉降觀測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)（43個站點）[7-8]，數(shù)據(jù)指標包括顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    ，氣態(tài)NO2、HNO3、NH3的年均濃度和年通量數(shù)據(jù)。由于干沉降觀測方法難度較大，我國的干沉降數(shù)據(jù)一直較少，而該網(wǎng)絡是目前我國觀測較為系統(tǒng)、方法統(tǒng)一、覆蓋面廣的干沉降觀測網(wǎng)絡，因此，本研究使用該網(wǎng)絡數(shù)據(jù)作為建立遙感統(tǒng)計模型的站點數(shù)據(jù)。


    圖1
                    ?
                中國大氣無機氮干沉降空間格局生成主要流程示意圖
    1.2
                        ?
                    遙感數(shù)據(jù)收集和處理
    本研究利用的NO2遙感數(shù)據(jù)來源于對流層排放監(jiān)測網(wǎng)絡服務中心（TEMIS，www.temis.nl）發(fā)布的OMI探測器NO2對流層垂直柱濃度數(shù)據(jù)。我們下載了2006–2015年NO2柱濃度的月尺度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.125°，數(shù)據(jù)單位為1015 molec/cm2，數(shù)據(jù)格式為ESRI grid。NO2柱濃度的年均值由其月均值算術(shù)平均得到。
    NH3遙感數(shù)據(jù)來自于紅外大氣探測干涉儀（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI）。搭載該儀器的衛(wèi)星于2006年10月發(fā)射，2008年開始有NH3柱濃度數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布。我們從ESPRI Data Centre下載了2008–2015年的NH3柱濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)單位為1015 molec/cm2。應用MATLAB軟件將原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理為ESRI grid格式的NH3柱濃度年均值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°。具體方法詳見本研究團隊的前期論文[9]。
    1.3
                        ?
                    大氣氮化物地面濃度的評估
    根據(jù)氮排放、轉(zhuǎn)化、沉降的過程，本研究團隊基于大氣氮化物地面濃度和NO2、NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù)分別建立了估算顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    和氣態(tài)NO2、HNO3、NH3地面濃度的遙感統(tǒng)計模型[9]。利用該模型和NO2、NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù)，我們得到了2006–2015年5年一期共2個時期中國顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    和氣態(tài)NO2、HNO3、NH3地面濃度的空間分布圖，空間分辨率為10 km×10 km。需要說明的是，由于從2008年才有NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù)，且2010年數(shù)據(jù)有缺失，因此2006–2010年顆粒態(tài)NH4+                    和氣態(tài)NH3地面濃度的空間格局數(shù)據(jù)由2008、2009年兩年的數(shù)據(jù)平均計算得出。
    1.4
                        ?
                    干沉降速率數(shù)據(jù)收集和處理
    研究表明，土地利用類型是影響干沉降速率最主要的因素[10]。我們收集了不同土地類型下顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    和氣態(tài)NO2、HNO3、NH3的沉降速率，土地利用類型涵蓋了森林、草地、農(nóng)田、城市、灌木、濕地、荒漠、水域等，并將干沉降速率按照土地利用類型進行平均，得到了各種土地利用類型5種氮化物的沉降速率的均值[11]。然后，結(jié)合中國的土地利用分布圖（來自Globcover [12]），得到了5種氮化物沉降速率的中國分布圖。
    1.5
                        ?
                    大氣氮干沉降通量的評估
    基于推算法（Inferential Method），干沉降通量（Fdry                    ）可以表達為氮化物的地面濃度（C）與其沉降速率（Vd                    ）的乘積：
                                                                          (1)
    與其他形態(tài)干沉降不同，氣態(tài)的NH3在以干沉降方式向下沉降的同時，地表的下墊面也同時會以揮發(fā)的形式向上排放NH3 [13]                    ，這種過程被稱為NH3干沉降的補償作用。因此，有別于其他4種氮化物，NH3的干沉降通量的計算公式為：
                                                                    (2)
    其中，C0                    表示NH3的補償點濃度（即當空氣中的NH3濃度超過補償點時才發(fā)生凈的NH3向下沉降）。各種生態(tài)系統(tǒng)類型的C0                    值從文獻中得到[14-15]。
    根據(jù)公式（1）和（2），我們通過氮化物的地面濃度與沉降速率來計算了2006–2015年5年一期共2個時期中國顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    和氣態(tài)NO2、HNO3、NH3干沉降通量的空間分布圖。
    2
                        ?
                    數(shù)據(jù)樣本描述
    2.1
                        ?
                    命名格式
    中國大氣無機氮干沉降時空格局數(shù)據(jù)集的命名規(guī)則為：XXX_d_YYYY_YYYY.tiff，其中XXX代表氮沉降的種類，d代表干沉降，YYYY_YYYY代表時間段。例如，HNO3_d_2006_2010.tiff是2006–2010年中國大氣HNO3干沉降空間格局數(shù)據(jù)。
    2.2
                        ?
                    數(shù)據(jù)樣本
    本數(shù)據(jù)集包括2006–2010年、2011–2015年2個時期中國顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    、氣態(tài)HNO3、NO2、NH3和總干沉降通量的空間格局分布圖，共12個文件。圖2為2011–2015年中國顆粒態(tài)NH4+                    、NO3-                    ，氣態(tài)NO2、HNO3、NH3和總干沉降通量空間格局圖的數(shù)據(jù)展示，顏色由綠到紅代表干沉降通量由低到高，白色區(qū)域代表無數(shù)據(jù)區(qū)域。
    3
                        ?
                    數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估
    本研究中國干沉降空間格局的生成是基于實測站點的遙感統(tǒng)計模型完成。為了保證結(jié)果的可靠性，需要對評估結(jié)果進行驗證，但是我國干沉降站點觀測數(shù)據(jù)很少，因此我們利用中國農(nóng)業(yè)大學的氮沉降觀測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)對干沉降結(jié)果進行了交叉驗證。評價指標包括R2、RMSE、回歸系數(shù)、p值（圖3）。驗證結(jié)果表明，基于本研究遙感統(tǒng)計模型的結(jié)果能夠較好地表達中國大氣氮干沉降的空間格局分布趨勢。但是，仍然存在一些不確定性因素會影響對干沉降通量的評估結(jié)果。這些不確定性因素主要來源于以下幾個方面：（1）NO2遙感柱濃度產(chǎn)品。探測器對流層遙感柱NO2濃度反演的誤差來源主要是大氣質(zhì)量因子（AMF）的計算，而AMF的不確定性為10％–40％[16]。（2）地面觀測站數(shù)據(jù)。中國農(nóng)業(yè)大學的氮沉降觀測網(wǎng)絡是目前國內(nèi)比較系統(tǒng)的觀測網(wǎng)絡，但由于干沉降觀測技術(shù)難度較大，其觀測也會存在一定誤差。（3）干沉降速率的評估。干沉降速率的評估主要來自模型模擬的結(jié)果，存在較大的不確定性[17]，同時，干沉降速率的季節(jié)變異也會引起年干沉降通量評估的不確定性。（4）NH3干沉降的補償點(C0                )。不同作物在不同生長階段的C0                值是變化的[18]，這也在一定程度上會影響NH3年干沉降通量的評估。鑒于此，我國應加強對大氣氮干沉降的聯(lián)網(wǎng)觀測，增加觀測點數(shù)量、分布的均勻性和長期性，同時增強對干沉降速率的數(shù)值模擬，以減少對干沉降空間評估的不確定性。


    圖2
                    ?
                2011–2015年中國大氣無機氮干沉降通量空間格局圖（數(shù)據(jù)不包括我國臺灣省和南海諸島）
    A：NO2；B：HNO3；C：NO3-；D：NH4+；E：NH3；F：總干氮沉降。單位Kg N ha-1 yr-1。審圖號：GS（2021）2091。


    圖3
                    ?
                干沉降空間格局評估結(jié)果的交叉驗證
    a：NO2干沉降； b：HNO3干沉降；c：NO3-干沉降；d：NH3干沉降；e：NH4+干沉降。單位：kg N ha-1 yr-1。
    4
                        ?
                    數(shù)據(jù)使用方法和建議
    本數(shù)據(jù)集在ArcGIS環(huán)境下制作生成，格式為tiff，可在支持以上格式的可視化地理信息系統(tǒng)軟件中查看和使用。需要注意的是，本數(shù)據(jù)集適用于對我國干沉降生態(tài)效應和環(huán)境效應的時空格局評估，但對于單站點的評估可能會存在一定的誤差。
    致  謝                                                           
    感謝氮沉降觀測者和NO2、NH3遙感柱濃度觀測分析者的辛勤付出和為科學進步的無私奉獻！
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    數(shù)據(jù)引用格式
    賈彥龍, 王秋鳳, 朱劍興, 等. 2006–2015年中國大氣無機氮干沉降時空格局數(shù)據(jù)集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-12-18). DOI: 10.11922/sciencedb.921.
    


                            
                            
    
                                    
                                    
    
                                        稿件與作者信息
                                        
                                            
                                        
                                        
                                            
                                        
                                    
    
                                    
    
                                        
                                            
    論文引用格式
    賈彥龍, 王秋鳳, 朱劍興, 等. 2006–2015年中國大氣無機氮干沉降時空格局數(shù)據(jù)集[J/OL]. 中國科學數(shù)據(jù), 2021, 6(2). (2021-04-19). DOI: 10.11922/csdata.2019.0078.zh.
    賈彥龍
    Jia Yanlong
    主要承擔工作：實驗設計、數(shù)據(jù)整理與質(zhì)量控制。
    （1986—），男，博士，講師，主要研究方向為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學。
    王秋鳳
    Wang Qiufeng
    主要承擔工作：方法指導。
    （1973—），女，博士，副研究員，研究方向為全球變化與碳氮水循環(huán)。
    朱劍興
    Zhu Jianxing
    主要承擔工作：數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)整理。
    （1991—），男，博士，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學、全球變化生態(tài)學。
    陳智
    chenzhi
    主要承擔工作：數(shù)據(jù)收集。
    （1986—），女，博士，助理研究員，主要研究方向為全球變化與碳循環(huán)。
    何念鵬
    He Nianpeng
    主要承擔工作：方法指導。
    （1976—），男，博士，研究員，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)形狀、功能生態(tài)學、生物地理生態(tài)學。
    于貴瑞
    Yu Guirui
    主要承擔工作：總體方案設計。
    yugr@igsnrr.ac.cn
    （1959—），男，博士，研究員，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學、全球變化與碳氮水循環(huán)。
    

                                        


                                        
    

    
    
    出版歷史
    
    
    

        
           
     I區(qū)發(fā)布時間：2020年1月2日
            （
            版本ZH2）
    
        

        
            
    
            II區(qū)出版時間：2021年6月25日
            （
            版本ZH3）
    
        

        

    
        

        

        


        
        

        

        

        

        

    
    

    



                                        
                                    
    


                                
    


                        
    

                    
                
    

            
    
            
        
    
    
    


    
    
    
    
    
        
    
        
        
    參考文獻列表中查看
    
    
    
    
    
    
        
    
    
    

    
    
    
    
    
    
        
    
            
    
                
    
                    
                    
    中國科學數(shù)據(jù)
    
                    
    csdata
    
                    
                
    
                
    
                    
    
                        


                    
    
                    
      
                        

                        
      
                        
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