2013–2018 神农架南坡气溶胶光学厚度数据集

兰天元，徐文婷，申国珍，赵常明，葛结林，熊高明，谢宗强*

1. 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093

2. 中国科学院大学，北京 100049

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称 2013–2018 神农架南坡气溶胶光学厚度数据集 数据作者 兰天元，徐文婷，申国珍，赵常明，葛结林，熊高明，谢宗强 数据通信作者 谢宗强（xie@ibcas.ac.cn） 数据时间范围 2013–2018年 地理区域 湖北神农架森林生态系统国家野外科学观测研究站暨中国科学院神农架生物多样性定位研究站，站区位于鄂西神农架地区（109°29′34.8″–111°56′24″E、30°57′28.8″–32°14′6″N）。 数据量 41 KB 数据格式 *.xlsx 数据服务系统网址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/863 基金项目 中国生态系统研究网络（CERN）监测网络，国家生态系统观测研究共享服务平台项目（2005DKA10300）。 数据库（集）组成 本数据集包括说明文档和气溶胶光学厚度数据。气溶胶光学厚度数据有14个字段，分别为年、月、440 nm气溶胶光学厚度月平均值、440 nm气溶胶光学厚度月标准差、500 nm气溶胶光学厚度月平均值、500 nm气溶胶光学厚度月标准差、675 nm气溶胶光学厚度月平均值、675 nm气溶胶光学厚度月标准差、870 nm气溶胶光学厚度月平均值、870 nm气溶胶光学厚度月标准差、936 nm气溶胶光学厚度月平均值、936 nm气溶胶光学厚度月标准差、Angstrom参数月平均值、Angstrom参数月标准差。

引 言

大气气溶胶是悬浮于大气中，直径为10-3–10 μm 的固体或液体细微颗粒，是大气重要组成部分之一[1]。大气气溶胶通过反射太阳入射光冷却气候系统，同时吸收太阳入射辐射使大气升温并导致地表温度降低，影响地球辐射平衡和全球气候变化[2]。气溶胶粒子通过云凝结核或冰核影响降水等气候要素[3]，或者通过气溶胶辐射效应，扰动地球辐射收支和水循环过程[4]。大气气溶胶也是大气主要污染物，在生物有机体、病原体等的传播中发挥着重要作用。大气气溶胶可引起或增强呼吸道、心血管、传染性和变异性疾病，对人体健康产生危害[5]。气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是地面到大气顶层气溶胶消光系数的垂直积分[6]，是表征大气气溶胶特性的重要参数之一，也是目前可以方便获取的气溶胶数据中覆盖范围广、较为准确的数据[7]。长期连续监测一个地区气溶胶光学厚度，对研究区域气候特征和变化、估量大气污染程度有着重要意义。

神农架为世界自然遗产地，也是我国首批国家公园体制试点，拥有丰富的生物多样性和独特的北亚热带常绿落叶阔叶混交林生态系统和完整的植被垂直带谱，是我国重要的水源涵养区，也是实施长江经济带“大保护”战略和国家“南水北调”工程的关键生态安全屏障区。目前，关于神农架地区气溶胶的研究较少，且缺乏地面实测数据支持。本数据集源自湖北神农架森林生态系统国家野外科学观测研究站暨中国科学院神农架生物多样性定位研究站（简称神农架站）大气环境监测数据，包括不同波段气溶胶光学厚度。本数据集为神农架南坡首个气溶胶光学厚度长期地面监测数据集。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集

数据源自神农架站。神农架站位于神农架地区（109°29′34.8″–111°56′24″E、30°57′28.8″–32°14′6″N）南坡，地处湖北、重庆、陕西三省交界，为大巴山脉东段中山地貌[8]。神农架地区属于中国东部平原丘陵向西部高原山地过渡带，也是亚热带气候向暖温带气候过渡带，具有北亚热带季风气候特点[9]。森林类型以北亚热带常绿落叶阔叶混交林为主，代表了秦巴山地地带性森林生态系统类型。

大气气溶胶光学厚度数据采集时间为2013 年3 月至2018 年6 月，使用太阳光度计MICROTOPS II 于固定采样点（110°13′1.2″E、31°22′58.8″N）连续采集。太阳光度计MICROTOPS II 有5 个光谱通道，测量时将光谱通道对准太阳直射光，光电二极管激发产生与光强度成正比的光电流，经转换形成数字信号，然后通过内置算法直接得到每个通道波段的AOD[10]。选择晴朗天气，在卫星过境时间内于上午10:00、下午1:00、下午2:00、下午2:30，分4 次采集数据。

1.2 数据处理

数据处理包括原始数据预处理、筛选剔除异常值和形成数据集。

原始数据预处理。采集原始记录数据后，从太阳光度计MICROTOPS II 将原始数据文件导入计算机。然后检查原始数据文件的完整性，如有缺失，与采集人员核对并根据情况进行补充和说明。然后将原始数据文件转化为Excel 表格，准备进一步处理。

筛选剔除异常值。对Excel 表格数据进行阈值和标准差校验，筛选出可疑数据，然后根据当天天气记录，分析可能原因，决定是否剔除该异常数据。

形成数据集。计算每月AOD 数值平均值、标准差，进行可视化处理，方便清晰查看数据分布（图1）。对波长λ 的对数值（lnλ）和AOD 的对数值（lnτλ）进行线性回归可得到Angstrom 参数，每月平均Angstrom 参数见图2。误差条表示标准差。

图1 2013 年3 月至2018 年6 月每月平均气溶胶光学厚度（500 nm）

图2 2013 年3 月至2018 年6 月每月平均Angstrom 参数

2 数据样本描述

本数据集包括说明文档和气溶胶光学厚度数据。说明文档包括气溶胶光学厚度数据的字段、数据类型和数据示例，还包括仪器型号、观测方法、观测人员、时间范围等信息。气溶胶光学厚度数据为2013–2018 年期间记录的全部气溶胶光学厚度数据。共计14 个字段。具体的字段名称、类型及示例见表1。

表1 神农架气溶胶光学厚度数据字段说明

字段 数据类型 数据示例 500 nm 气溶胶光学厚度月平均值 数值型 0.467 500 nm 气溶胶光学厚度月标准差 数值型 0.296 675 nm 气溶胶光学厚度月平均值 数值型 0.403 675 nm 气溶胶光学厚度月标准差 数值型 0.298 870 nm 气溶胶光学厚度月平均值 数值型 0.370 870 nm 气溶胶光学厚度月标准差 数值型 0.304 936 nm 气溶胶光学厚度月平均值 数值型 0.337 936 nm 气溶胶光学厚度月标准差 数值型 0.277 Angstrom 参数月平均值 数值型 0.656 Angstrom 参数月标准差 数值型 0.276

3 数据质量控制和评估

本数据集的质量控制分为数据采集前和采集后两级质量控制。

3.1 数据采集前质量控制

神农架站设有经过培训的专人负责采集气溶胶光学厚度数据，采集人员严格按照实验操作规范采集数据。

3.2 数据采集后质量控制

为保证数据质量，将本数据集与Wang（2019）[11]和王晓玲（2018）[12]遥感反演数据进行对比。两者通过MODIS 遥感数据反演神农架南坡多年平均AOD（550 nm）范围为0.3–0.45，而本数据集神农架南坡多年平均AOD（500 nm）为0.416，因此本数据集与遥感反演数据相符。

4 数据价值

本数据集为首次基于地基方法连续记录的神农架南坡气溶胶光学厚度数据集，其对研究神农架地区气溶胶特征和变化规律以及气候特征和变化有着重要的意义。利用本数据集不同波段气溶胶光学厚度数据，可以计算Angstrom参数和Angstrom浑浊系数，用于反映气溶胶颗粒大小和天气的浑浊程度[1]。气溶胶光学厚度是从地面仪器中远程评估大气气溶胶的最全面的变量。因此，本数据集可用于卫星遥感数据大气校正，为气溶胶光学厚度遥感反演和模型建立提供地面实测数据支持。

数据作者分工职责

兰天元（1996—），男，北京人，博士研究生，研究方向为生态学。主要承担工作：数据质量控制、数据分析与论文撰写。

徐文婷（1973—），女，河南人，博士，高级工程师，研究方向为生态遥感。主要承担工作：仪器校准与数据质量控制。

申国珍（1973—），男，内蒙人，博士，副研究员，研究方向为林学。主要承担工作：场地布设与数据质量控制。

赵常明（1973—），男，四川人，博士，高级工程师，研究方向为植物生态学。主要承担工作：数据质量控制与数据分析。

葛结林（1986—），男，安徽人，博士，助理研究员，研究方向为森林生态学。主要承担工作：数据测量与质量控制。

熊高明（1969—），男，江西人，博士，助理研究员，研究方向为保护生态学。主要承担工作：数据测量与质量控制。

谢宗强（1965—），男，内蒙人，博士，研究员，研究方向为生态学。主要承担工作：项目组织、数据库建设与管理。