R語言（“REddyProc”包）對渦動小時通量數(shù)據(jù)處理的方法介紹

瀏覽次數(shù)：1165　發(fā)布日期：2024-4-23　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

1. 后處理方法介紹

1.1 Ustar閾值判斷（主要針對夜間NEE）

1.2 數(shù)據(jù)插補(bǔ)

1.2.1 查表法插補(bǔ)（LUT法）

1.2.2 平均日變化曲線法（MDC法）

1.2.3 樣本邊緣分布采樣法（MDS法）

1.3 數(shù)據(jù)拆分

2. REddyProc包處理數(shù)據(jù)格式介紹

2.1 輸入需要處理數(shù)據(jù)的格式

2.2 輸出處理完畢數(shù)據(jù)的格式

3. REddyProc包的R代碼介紹

3.1 準(zhǔn)備—R程序包安裝、運(yùn)行、目標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入和調(diào)整

3.2 數(shù)據(jù)后處理

3.2.1 Ustar閾值計(jì)算

3.2.2 數(shù)據(jù)插補(bǔ)

3.2.3 NEE拆分插補(bǔ)

3.2.4整合處理結(jié)果并輸出數(shù)據(jù)

渦動通量數(shù)據(jù)處理分為在線處理（online-processing）和后處理（post-processing）。其中在線處理針對高頻通量數(shù)據(jù)（e.g.10Hz data）通過一系列標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行計(jì)算，最后得到帶有質(zhì)量評價的低頻通量數(shù)據(jù)（e.g.half-hour data），后處理主要包括Ustar閾值估計(jì)、數(shù)據(jù)插補(bǔ)和碳通量（NEE）拆分（植被總生產(chǎn)力GPP和呼吸消耗Re）及其結(jié)果的可視化表達(dá)。

當(dāng)夜間大氣湍流運(yùn)動較弱時，摩擦風(fēng)速u∗降低，渦動相關(guān)系統(tǒng)測量碳通量NEE時會出現(xiàn)低估的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)漂移值增多。通常需要判斷出u∗閾值，剔除這些低于u∗閾值的NEE；對缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，有利于得到完整的時間序列并得到更長時間尺度（月或年）下的均值；NEE通過主流的模型方法進(jìn)行拆分，以便進(jìn)一步了解研究區(qū)NEE兩大組分：（1）生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力（或總初級生產(chǎn)力）（2）生態(tài)系統(tǒng)呼吸。REddyProc 程序包通過R語言平臺實(shí)現(xiàn)了以上三個方面的數(shù)據(jù)后處理，以及對其計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)基本可視化功能。

1. 后處理方法介紹

數(shù)據(jù)后處理所使用的通量數(shù)據(jù)是已經(jīng)過異常值剔除后的數(shù)據(jù)，NEE拆分或可插補(bǔ)的數(shù)據(jù)包括碳通量（NEE，umolm-2s-1）、感熱通量（sensible heat flux (H) Wm-2）、潛熱通量（latent heat flux (LE) Wm-2）、摩擦風(fēng)速（friction velocity (u∗) ms-1）、入射短波輻射（global radiation (Rg) Wm-2）, 空氣或土壤溫度（air or soil temperature (Tair, Tsoil) ℃）和水汽壓飽和差（vapor pressure deficit (VPD) hPa）或相對濕度（relative humidity (RH) %）。其中u∗、Rg、VPD、Tair和RH是NEE濾除、插補(bǔ)和拆分默認(rèn)使用數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)后處理主要流程包括（圖 1）：

●確定和濾除湍流發(fā)展較弱的時期下的NEE（計(jì)算u∗閾值）。

●插補(bǔ)缺失的小時數(shù)據(jù)。

●拆分碳通量小時數(shù)據(jù),得到GPP和Reco。

圖1 數(shù)據(jù)后處理流程，以某一站點(diǎn)數(shù)據(jù)為例

（Wutzler et al.(2018)）

1.1

Ustar閾值判斷（主要針對夜間NEE）

儀器所在高度處可以測量到下墊面全部碳通量（無平流損失），對應(yīng)的最小u∗稱為u∗閾值，u∗閾值通常出現(xiàn)在夜間（Rg <10 Wm-2）。由于下墊面粗糙度在不同時期（季節(jié)）發(fā)生變化，導(dǎo)致u∗閾值會產(chǎn)生季節(jié)變化。（the u∗ threshold is the minimum u∗ above which respiration reaches aplateau. This threshold is specific for each season of a site year.）。

當(dāng)前REddyProc 包計(jì)算Ustar閾值方法主要有移動點(diǎn)法（the moving point method，MPT）和斷點(diǎn)檢測法（the breakpoint detection method，CPT），其中MPT較常用。

1.2

數(shù)據(jù)插補(bǔ)

Ustar閾值濾除NEE后，會有更多的NEE缺失數(shù)據(jù)，需要插補(bǔ)。

1.2.1 查表法插補(bǔ)（LUT法）

在REddyProc包的查表法中（look-up table (LUT)），所有通量數(shù)據(jù)以特定的時間窗口內(nèi)的相似氣象條件為依據(jù)進(jìn)行分類并計(jì)算平均值，最后得到可供參照的速查表。缺失的數(shù)據(jù)可利用同時間序列中已知的氣象數(shù)據(jù)與速查表匹配，對應(yīng)的通量數(shù)據(jù)即為所缺失的數(shù)據(jù)。

1.2.2 平均日變化曲線法（MDC法）

該方法可在其他氣象數(shù)據(jù)缺失條件下進(jìn)行通量數(shù)據(jù)插補(bǔ)。假設(shè)植物晚上只進(jìn)行呼吸作用，白天發(fā)生光合和呼吸作用，且NEE具有較為規(guī)律的日變化特征。則缺失的數(shù)據(jù)可根據(jù)臨近天同時刻（或前后一小時）已知的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)（mean diurnal course (MDC)）。

1.2.3 樣本邊緣分布采樣法（MDS法）

邊緣分布采樣法（marginal distribution sampling (MDS)）結(jié)合了以上LUT和MDC兩種方法，根據(jù)通量數(shù)據(jù)與氣象因子之間的關(guān)系（covariation）以及通量數(shù)據(jù)在時間上的自相關(guān)進(jìn)行插補(bǔ)。MDS可針對較大缺失范圍的NEE和LE數(shù)據(jù)插補(bǔ)，該方法目前最受歡迎。

利用Rg, Tair和 VPD三種氣象數(shù)據(jù)，（1）如果三個氣象數(shù)據(jù)皆未缺失, 使用LUT 方法，三個氣象因子默認(rèn)邊際條件（default margins）為50 Wm−2, 2.5 ◦C和5.0 hPa；（2）Tair 或VPD 缺失, 則只利用 Rg；(3) 如果三種氣象數(shù)據(jù)都缺失，使用 MDC方法。另外，很多站點(diǎn)沒有Rg的觀測數(shù)據(jù)，可用光合有效輻射par代替，并設(shè)置par的邊際條件（可嘗試使用100-200 μmol m-2 s-1）

1.3

數(shù)據(jù)拆分

NEE、Reco（↑）和GPP（↓）三者關(guān)系為NEE = Reco– GPP，當(dāng)前NEE拆分為Reco 和GPP主要方法有利用夜間NEE數(shù)據(jù)拆分和利用白天NEE數(shù)據(jù)拆分兩種。當(dāng)前夜間NEE數(shù)據(jù)拆分方法最常用。

夜間NEE數(shù)據(jù)拆分方法是假設(shè)植被呼吸Reco只與Tair變化有關(guān)，且夜間植被只進(jìn)行呼吸作用，因此可以通過夜間NEE對Tair的響應(yīng)變化曲線推出白天植被的呼吸Reco變化，最后根據(jù)以上關(guān)系式求出植被總生產(chǎn)力GPP。

白天NEE數(shù)據(jù)拆分方法是將白天NEE和總輻射的關(guān)系假設(shè)為Rg和VPD對GPP的影響以及Tair對Reco的影響的綜合。

2. REddyProc包處理數(shù)據(jù)格式介紹

本節(jié)圖片來源：

https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/index.php/Services/REddyProcWebDataFormat

注意雖然REddyProc包是基于該網(wǎng)頁在線工具所開發(fā)的，但是二者的算法還有一些區(qū)別，詳情參見Wutzler et al.(2018)。

2.1

輸入需要處理數(shù)據(jù)的格式

輸入數(shù)據(jù)格式如圖2所示，輸入文件類型為“文本文件（制表符分隔）（*.txt）”