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    中國(guó)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUX)專(zhuān)題 I 區(qū)論文(評(píng)審中) ? 版本 ZH2
    下載
    2006–2015年中國(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降時(shí)空格局?jǐn)?shù)據(jù)集
    A spatial and temporal dataset of atmospheric inorganic nitrogen dry deposition in China (2006–2015)
    ?>>
    : 2019 - 12 - 18
    : 2020 - 01 - 02
    7189 145 0
    摘要&關(guān)鍵詞
    摘要:干沉降是大氣氮沉降的重要組分,對(duì)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(fù)雜、觀測(cè)技術(shù)難度大,我國(guó)干沉降觀測(cè)的站點(diǎn)少、時(shí)間短,如何獲取精度高、時(shí)間序列長(zhǎng)的干沉降空間格局?jǐn)?shù)據(jù)是評(píng)估干沉降對(duì)我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵。本研究基于干沉降的站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和NO2、NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù),分別建立了評(píng)估不同形態(tài)干沉降的遙感統(tǒng)計(jì)模型,生成了2006–2010年、2011–2015年2個(gè)時(shí)期中國(guó)無(wú)機(jī)氮干沉降通量的空間格局?jǐn)?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(gè)指標(biāo),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(gè)基于地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成的中國(guó)大氣氮干沉降可公開(kāi)共享數(shù)據(jù)集,可為中國(guó)大氣氮沉降的生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),也可為我國(guó)的氮素管理政策提供理論支持。
    關(guān)鍵詞:中國(guó);干沉降;遙感模型;時(shí)空格局
    Abstract & Keywords
    Abstract:?Dry deposition is an important component of atmospheric nitrogen (N) deposition, which has considerable effects on construction and functions of ecosystems. Because of the complexity of dry deposition and the difficulty of observation technologies, there were few monitoring stations in short-term for dry deposition observation in China. Therefore, how to get a spatial pattern dataset with high resolution and long-term for dry deposition is key to evaluate their ecological effects on ecosystems to China. 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 species of dry deposition, then the spatial dataset of dry deposition during 2006–2010 and 2011–2015 in China was generated. The dataset includes particulate NH4+ , NO3- , gaseous NO2, HNO3, NH3, and total dry N deposition, with spatial resolution of 10 km×10 km in tiff format. This dataset is the first open dry N deposition based on ground monitoring data in China, which can provide basic data for assessing their ecological and environmental effects and support the policy-making for N management.
    Keywords:? China;?dry deposition;?remote sensing model;?spatial and temporal pattern
    數(shù)據(jù)庫(kù)(集)基本信息簡(jiǎn)介
    數(shù)據(jù)庫(kù)(集)名稱(chēng)2006–2015年中國(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降時(shí)空格局?jǐn)?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(shí)間范圍20062015年
    地理區(qū)域中國(guó)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(wù)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(xiàng)目河北省自然科學(xué)基金(C2018204096);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31700377);中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDA19020302);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0600104)。
    數(shù)據(jù)庫(kù)(集)組成數(shù)據(jù)集共包括6個(gè)指標(biāo):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(lèi)型干沉降之和。
    數(shù)據(jù)集包括12個(gè)數(shù)據(jù)文件,分別為不同時(shí)期各形態(tài)干沉降空間格局?jǐn)?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(lèi),d代表干沉降,YYYY_YYYY代表時(shí)間段。例如:HNO3_d_2006_2010.tiff是2006–2010年中國(guó)大氣HNO3干沉降空間格局?jǐn)?shù)據(jù)。
    Dataset Profile
    TitleA spatial and temporal dataset of atmospheric inorganic nitrogen dry deposition in China (20062015)
    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 includes 12 files indicating the spatial patterns of gaseous NO2, HNO3, NH3, particulate NH4+ , NO3- , and total dry N deposition during 20062010 and 2011–2015 in China. Each data document is recorded as XXX_d_YYYY_YYYY.tiff, where XXX_d and YYYY_YYYY denote the type of dry N deposition and the study period, respectively. For example, HNO3_d_2006_2010.tiff records the spatial pattern of dry gaseous HNO3 deposition flux in China during 2006–2010.
    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(guò)程,通過(guò)降水發(fā)生的為濕沉降,在沒(méi)有降水時(shí)通過(guò)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(dòng)態(tài)變化[2]。干沉降中的氮素可通過(guò)葉片的氣孔進(jìn)入植物或沉降到土壤,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分吸收、氮循環(huán)、溫室氣體平衡等過(guò)程有重要影響,而且,干沉降也是一種大氣污染的指示指標(biāo),對(duì)人類(lèi)健康、動(dòng)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(shí)空格局?jǐn)?shù)據(jù)是評(píng)估其生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵。
    中國(guó)是全球大氣氮沉降的三大熱點(diǎn)區(qū)之一[3],以前對(duì)于我國(guó)氮沉降的站點(diǎn)監(jiān)測(cè)和空間評(píng)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(fù)雜,其無(wú)機(jī)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(cè)帶來(lái)了很大的難度,因此站點(diǎn)尺度的干沉降觀測(cè)在我國(guó)非常少,這也為評(píng)估我國(guó)干沉降的空間格局帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在干沉降空間格局評(píng)估上,大氣化學(xué)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(lái),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(shí)間連續(xù)性的特點(diǎn),如何利用該數(shù)據(jù)評(píng)估大氣氮干沉降的時(shí)空格局成為目前亟待解決的問(wèn)題。
    在本研究中,我們基于文獻(xiàn)收集的大氣氮干沉降站點(diǎn)數(shù)據(jù),結(jié)合NO2和NH3遙感柱濃度數(shù)據(jù),建立了評(píng)估大氣氮干沉降遙感統(tǒng)計(jì)模型,生產(chǎn)了2006–2015年(5年一期,共2期)中國(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降的空間格局?jǐn)?shù)據(jù)集,指標(biāo)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(kāi)共享可為中國(guó)大氣氮沉降的生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),也可為我國(guó)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(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降時(shí)空格局?jǐn)?shù)據(jù)集的生成是基于地面觀測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)建立的遙感統(tǒng)計(jì)模型,因此,數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)流程包括干沉降站點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(gè)部分,主要流程見(jiàn)圖1。
    1.1 ? 干沉降站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)收集
    本研究中,中國(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)建立的氮沉降觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)(43個(gè)站點(diǎn))[7-8],數(shù)據(jù)指標(biāo)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(cè)方法難度較大,我國(guó)的干沉降數(shù)據(jù)一直較少,而該網(wǎng)絡(luò)是目前我國(guó)觀測(cè)較為系統(tǒng)、方法統(tǒng)一、覆蓋面廣的干沉降觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),因此,本研究使用該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作為建立遙感統(tǒng)計(jì)模型的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。


    圖1 ? 中國(guó)大氣無(wú)機(jī)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(lái)源于對(duì)流層排放監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心(TEMIS, www.temis.nl)發(fā)布的OMI探測(cè)器NO2對(duì)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(lái)自于Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI)。該衛(wèi)星2006年10月發(fā)射,2008年開(kāi)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(yīng)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(jiàn)本研究團(tuán)隊(duì)的前期論文[9]
    1.3 ? 大氣氮化物地面濃度的評(píng)估
    根據(jù)氮排放、轉(zhuǎn)化、沉降的過(guò)程,本研究團(tuán)隊(duì)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(jì)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(gè)時(shí)期中國(guó)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(shuō)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?jǐn)?shù)據(jù)由2008、2009年兩年的數(shù)據(jù)平均計(jì)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型進(jìn)行平均,得到了各種土地利用類(lèi)型五種氮化物的沉降速率的均值[11]。然后,結(jié)合中國(guó)的土地利用分布圖(來(lái)自Globcover [12]),得到了5種氮化物沉降速率的中國(guó)分布圖。
    1.5 ? 大氣氮干沉降通量的評(píng)估
    基于推算法(Inferential method),干沉降通量(Fdry )可以表達(dá)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(shí),地表的下墊面也同時(shí)會(huì)以揮發(fā)的形式向上排放NH3 [13] ,這種過(guò)程被稱(chēng)為NH3干沉降的補(bǔ)償作用。因此,有別于其他4種氮化物,NH3的干沉降通量的計(jì)算公式為:
    (2)
    其中,C0 表示NH3的補(bǔ)償點(diǎn)濃度(即當(dāng)空氣中的NH3濃度超過(guò)補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)才發(fā)生凈的NH3向下沉降)。各種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的C0 值從文獻(xiàn)中得到[14-15]
    根據(jù)公式(1)和(2),我們通過(guò)氮化物的地面濃度與沉降速率來(lái)計(jì)算了2006–2015年5年一期共2個(gè)時(shí)期中國(guó)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(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降時(shí)空格局?jǐn)?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(lèi),d代表干沉降,YYYY_YYYY代表時(shí)間段。例如,HNO3_d_2006_2010.tiff是2006–2010年中國(guó)大氣HNO3干沉降空間格局?jǐn)?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(gè)時(shí)期中國(guó)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(gè)文件。圖2為2011-2015年中國(guó)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(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域。


    圖2 ? 2011–2015年中國(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降通量空間格局圖(數(shù)據(jù)不包括我國(guó)臺(tái)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(hào):GS(2018)4935號(hào)。
    3 ? 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估
    本研究中國(guó)干沉降空間格局的生成是基于實(shí)測(cè)站點(diǎn)的遙感統(tǒng)計(jì)模型完成。為了保證結(jié)果的可靠性,需要對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,但是我國(guó)干沉降站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)很少,因此我們利用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的氮沉降觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對(duì)干沉降結(jié)果進(jìn)行了交叉驗(yàn)證。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括R2、RMSE、回歸系數(shù)、p值(圖3)。驗(yàn)證結(jié)果表明,基于本研究遙感統(tǒng)計(jì)模型的結(jié)果能夠較好地表達(dá)中國(guó)大氣氮干沉降的空間格局分布趨勢(shì)。但是,仍然存在一些不確定性因素會(huì)影響對(duì)干沉降通量的評(píng)估結(jié)果。這些不確定性因素的主要來(lái)源有以下幾個(gè)方面:(1)NO2遙感柱濃度產(chǎn)品。探測(cè)器對(duì)流層遙感柱NO2濃度反演的誤差來(lái)源主要是大氣質(zhì)量因子(AMF)的計(jì)算,而AMF的不確定性為10%–40%[16]。(2)地面觀測(cè)站數(shù)據(jù)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的氮沉降觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是目前國(guó)內(nèi)比較系統(tǒng)的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),但由于干沉降觀測(cè)技術(shù)難度較大,其觀測(cè)也會(huì)存在一定誤差。(3)干沉降速率的評(píng)估。干沉降速率的評(píng)估主要來(lái)自模型模擬的結(jié)果,也存在較大的不確定性[17]。鑒于此,我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)大氣氮干沉降的聯(lián)網(wǎng)觀測(cè),增加觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量、分布的均勻性和長(zhǎng)期性,以減少對(duì)干沉降空間評(píng)估的不確定性。


    圖3 ? 干沉降空間格局評(píng)估結(jié)果的交叉驗(yàn)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(duì)我國(guó)干沉降生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)的時(shí)空格局評(píng)估,但對(duì)于單站點(diǎn)的評(píng)估可能會(huì)存在一定的誤差。
    致 謝
    感謝氮沉降觀測(cè)者和NO2、NH3遙感柱濃度觀測(cè)分析者的辛勤付出和為科學(xué)進(jìn)步的無(wú)私奉獻(xiàn)!
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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(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降時(shí)空格局?jǐn)?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(guó)大氣無(wú)機(jī)氮干沉降時(shí)空格局?jǐn)?shù)據(jù)集[J/OL]. 中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù), 2019. (2020-01-02). DOI: 10.11922/csdata.2019.0078.zh.
    賈彥龍
    Jia Yanlong
    主要承擔(dān)工作:實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)整理與質(zhì)量控制。
    (1986—),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)。
    王秋鳳
    Wang Qiufeng
    主要承擔(dān)工作:方法指導(dǎo)。
    (1973—),女,博士,副研究員,研究方向?yàn)槿蜃兓c碳氮水循環(huán)。
    朱劍興
    Zhu Jianxing
    主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)整理。
    (1991—),男,博士,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、全球變化生態(tài)學(xué)。
    陳智
    chenzhi
    主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)收集。
    (1986—),女,博士,助理研究員,主要研究方向?yàn)槿蜃兓c碳循環(huán)。
    何念鵬
    He Nianpeng
    主要承擔(dān)工作:方法指導(dǎo)。
    (1976—),男,博士,研究員,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)形狀、功能生態(tài)學(xué)、生物地理生態(tài)學(xué)。
    于貴瑞
    Yu Guirui
    主要承擔(dān)工作:總體方案設(shè)計(jì)。
    yugr@igsnrr.ac.cn
    (1959—),男,博士,研究員,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、全球變化與碳氮水循環(huán)。
    出版歷史
    I區(qū)發(fā)布時(shí)間:2020年1月2日 ( 版本ZH2
    II區(qū)出版時(shí)間:2021年6月25日 ( 版本ZH3
    參考文獻(xiàn)列表中查看
    中國(guó)科學(xué)數(shù)據(jù)
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