青海省通量觀測站網的運行管理

■ 李甫 肖宏斌 陳奇 張娟 周秉榮

陸面過程以地球陸地表面物質、能量和水分的交換與輸送為核心內容，是各圈層之間相互聯系的紐帶，氣候系統響應外部強迫和調整內部變化主要通過陸面過程來實現。20世紀90年代由于新一代超聲風速儀和紅外氣體分析儀等設備的問世，連續渦度通量測量成為現實，不同類型地表與大氣間能量、水分和CO2等交換過程的研究得到空前發展。渦度相關技術作為目前直接測定地表與大氣間CO2和水熱交換通量的標準方法，已成為國際通量觀測網絡的主要技術手段。在邊界層氣象和地圈-生物圈-大氣圈相互作用的研究中，注重輻射能、動量和熱量在生物圈和大氣圈之間的傳輸過程與平衡。自20世紀以來，由于大氣中CO2等溫室氣體濃度升高所導致的全球氣候變暖對人類社會生產活動與經濟可持續發展提出了嚴峻挑戰，從而使地球系統的碳循環和碳收支成為當前一系列大型國際合作計劃的核心研究內容之一。

青藏高原通過動力作用和熱力作用影響著東亞氣候格局和亞洲季風進程，熱力作用主要通過其地表與大氣間進行動量、水分和熱量的交換，對區域大氣環流和局地氣候產生影響。在中國科學院、科學技術部、中國氣象局、國家林業和草原局、教育部和西藏自治區人民政府等的支持下，在青藏高原的不同下墊面上正逐步建立“青藏高原觀測研究平臺”（TORP），以研究該地區復雜地表的多圈層相互作用規律。但青海為青藏高原上的重要省份之一，地氣交換通量觀測站還比較少，而且分布極不均衡，故在青海省建設通量觀測綜合站，對加深青藏高原不同下墊面的地氣相互作用研究、耦合于中尺度數值預報模式的陸面模式結果檢驗，以及衛星資料反演不同下墊面物理參數檢驗具有重要作用，對青藏高原不同類型下墊面的地氣相互作用參數和參數化方案改善具有重要意義。

1 青海地氣交換通量觀測站網建設

2001年中國科學院西北高原生物研究所首先在青海省海北高寒草地生態系統國家野外觀測研究站布設了紅外快速氣體分析儀和三維超聲風速儀，正式開啟了青藏高原長期連續水、熱、碳通量的觀測。2009—2020年，青海省氣象科學研究所依托業務和科研項目以獨立或合作形式陸續在青海省境內不同下墊面、不同重點生態功能區和國家公園內建設一批地氣交換通量觀測站。截至目前，青海省內已建成10個高原地氣交換通量觀測站，初步形成覆蓋全省的地氣交換通量觀測網。試驗場下墊面生態系統有溫性草原、高寒草原、高寒草甸、高寒濕地、荒漠化草原和沙漠6類。觀測系統包括梯度觀測子系統、渦度相關觀測子系統、輻射觀測子系統（四分量輻射＋光合有效輻射）、土壤觀測子系統（土壤溫度＋土壤濕度＋土壤熱通量）。在野外站選址時除了考慮下墊面類型，還注意涵蓋青海省重點生態功能區，已建成的地氣交換通量觀測站中三江源區域內7個，柴達木盆地內1個，青海湖流域內1個和祁連山國家公園內1個（圖1）。

圖1 青海省地氣交換通量觀測站布局

在祁連山區、柴達木盆地、環湖區和三江源區分別建成全要素梯度通量監測站，可以為開展不同類型地表能量收支、近地層結構、陸面過程參數及遙感反演結果驗證搭建試驗平臺，提升青海乃至全國天氣預報水平。依托監測站已實現氣象要素、波文比系統、固態降水、凍土、CO2、CH4、H2O通量觀測。一方面開展土壤水熱通量及過程與積雪、草地下墊面要素以及局地微氣象過程間的關系研究，揭示高寒生態環境要素間物質與能量循環交互規律；另一方面強化氣候變化背景下多年凍土能量與水分交換機制監測與研究，重點開展凍土凍融、積雪融雪條件下能量與水分交換特征及運移機理，探索并定量辨識影響高寒草地生態陸面過程變化的主要機制及驅動力，揭示高寒草地生態地氣相互作用及其對氣候變化的響應，提升氣候變化對生態系統過程影響的認識。2018年，依托海北、隆寶和甘德3個典型下墊面的觀測站入選中國氣象局野外科學試驗基地。

2 青海地氣交換通量觀測站網運行保障

由于青海省地處青藏高原，自然條件較為惡劣。特別是相比于常規氣象觀測設備，通量觀測儀器觀測頻率高，干擾項也比較多。雨雪天氣、冰雹、沙塵和霧霾等均會給觀測造成影響。而且通量觀測的氣體分析儀除常規維護外，還需要定期開展標定工作。2017年青海省氣象科學研究所專門抽調技術人員組成野外基地試驗室，專職負責站點建設、保障以及數據管理。

2.1 嚴格管理

制定了13項規章制度，匯編成《青海高寒生態氣象野外試驗基地管理辦法》，涵蓋野外基地運行管理、崗位職責、工作管理、儀器采購、場站建設、儀器開放共享、儀器管理、資料管理、安全、標定、巡檢和日常維護技術手冊等內容，確保野外觀測的正常運行。另外還根據實際觀測要素分站設計了巡檢記錄表，編制了年度巡檢報告編寫規范，為后期數據分析以及設備更替提供參考依據。

2.2 運行保障

按照管理辦法要求，屬地氣象局負責日常維護以及故障的初步排查，野外基地試驗室負責故障維修以及每年春季和秋季巡檢。日常維護主要是每月對觀測場環境、傳感器外觀、供電、支架和光學鏡頭進行檢查和維護。巡檢主要開展兩方面的工作，首先是常規的、全面的檢查，例如觀測站環境變化、支架、線纜、數據采集器、供電、無線模塊等配件的檢測和維護；輻射表、渦度相關觀測系統、雨量筒、固態降水等儀器檢查、清潔和維護；雪深傳感器下墊面的維護等。其次是氣體分析儀的標定。通過對比渦度相關系統觀測的水汽密度與空氣溫濕度傳感器計算的水汽密度值，如果兩者存在明顯差異或觀測水汽密度為負值，則開展零點標定；跨度標定則每2年定期開展一次；如果氣體分析儀的信號強度在清潔過后仍小于0.9，則需要拆除返廠進行內部清理和工廠標定。儀器檢查的同時填寫巡檢記錄表用于記錄和存檔，最后編制年度巡檢報告提交青海省氣象科學研究所審核備案。

2.3 故障處理

野外觀測站常見的故障多出現在觀測儀器、供電模塊、數據采集器以及數據傳輸模塊等方面，其中又以供電模塊和數據傳輸模塊的故障頻率最高。觀測儀器故障中渦度相關觀測系統傳感器的故障數為3站次，輻射儀為1站次，CO2濃度儀為1站次，風速儀為2站次等。故障處理時需要在維護巡檢表中詳細記錄故障發生的時間、原因、處理結果等內容，以備數據處理分析時使用。故障處理遵循的基本原則為不中斷觀測或盡可能縮短維修時間。能現場解決的，盡可能當場解決，即便當場解決有些許瑕疵，也較數據缺失帶來的影響要小。如果現場缺少維修配件，在判明故障原因或部位的基礎上立即拆除返廠維修，對于三維超聲風和氣體分析儀的運輸還需準備好其自帶包裝箱。這期間最好能有備用傳感器可以替換繼續開展觀測。

3 存在的問題和對策

3.1 存在的問題

1）數據質量有待提高

青海省面積72萬km2，東西長超過1200 km，南北寬超過800 km。青海地氣交換通量觀測站網中沱沱河站距離省會西寧最遠，約為1200 km，巡檢一次僅往返就需要4天時間，每年開展兩次定期的巡檢已經實屬不易。加之通量觀測站一般安裝在人煙稀少的野外，自然環境極其惡劣，站點故障率較高，而且由于缺乏實時有效的監控系統，故障發生時往往無法及時發現，導致數據連續性較差，數據缺失通常要以旬月計。

觀測點的建設是依托不同的項目建設而成，由于觀測設備更新換代較快，所以各觀測站的儀器型號差異較大。以氣體分析儀為例，目前青海地氣交換通量觀測站的設備擁有Li-7500、EC150、IRGASON等型號，標定設備和判識方法很難統一。由于建設時間和人員不同，相同數據命名也是千差萬別。野外基地試驗室成立后，由于缺少有效的數據庫和管理系統，一直未能完成原始數據的標準化處理，這就造成數據使用時每次都需要花費大量時間完成前期的標準化處理，十分繁瑣。加上不同的數據由于處理人員不同，缺失值、異常值等處理方法差異較大，相同站點同一時間的數據，往往分析結果還有差異。

2）數據挖掘深度不夠

在通量站網建設規劃時，首先著重考慮不同下墊面觀測體系的建設，未能在特定區域或流域內形成觀測網絡布局，目前科技論文和項目只能針對單一站點開展輻射、地氣間水汽、物質等交換通量的變化特征分析，缺乏由微尺度到小尺度再到中尺度的拓展。團隊建設方面，科技人員專業相對較為集中，每個團隊只關注特定領域內的研究，缺乏土壤、草地、積雪、凍土、遙感等多學科的交叉，導致有大量數據卻只能分析表象，無法做到針對某一問題多專業、多領域結合開展深入分析和挖掘。科研產出未能出現有效提升。

3.2 對策

為了解決儀器故障解決時效和數據標準化以及使用管理等存在的問題，2019年啟動了野外試驗數據綜匯管理平臺的開發，主要包括兩部分：數據庫和實時監控及報警平臺，以實現數據標準化處理和儀器狀態的實時監控。

數據庫采用目前較為通用或流行的語言編寫，具有較好的可擴展性。提供較為通用的數據接口，以及接口說明文檔。實現入庫數據的初步質量控制。庫中數據表分為通用型和專業型兩類，通過站名連接。其中通用型表中包括站點地理信息及其他相關較為固定的信息等字段。專業型表中則按照設備觀測內容具體設置字段，并對各站的同一數據的命名進行了規范。

實時監控及報警平臺基于WebGIS，可在界面上直觀展示站點能否建立連接。點擊每個站點可以打開對應的窗口，該窗口可獲取對應設備的Public數據，并在界面中進行精美展示。根據數據變化規律及實際物理意義，對電壓、探頭等實時運行狀態進行監測，如果出現問題則會寫進日志。每天08時前，生成前一天的設備運行狀況日志，包括連接是否正常、設備是否正常、電壓是否正常等信息。出現不正常情況會突出顯示。

深入閱讀

郭海強, 邵長亮, 董剛, 2016. 渦度協方差技術——測量及數據分析的實踐指導. 北京: 高等教育出版社.

馬耀明, 2012. 青藏高原多圈層相互作用觀測工程及其應用. 中國工程科學, 14(9): 28-34.

于貴瑞, 孫曉敏, 2017. 陸地生態系統通量觀測的原理與方法（第二版）. 北京: 高等教育出版社.

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張強, 王勝, 2008. 關于黃土高原陸面過程及其觀測試驗研究. 地球科學進展, 23(2): 167-173.