任小麗，何洪林,2*，王曉鋒，劉寶付，張黎,2

1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190

3. 北京市農(nóng)林科學(xué)院國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097

4. 北京星天科技有限公司，北京 100015

渦度相關(guān)通量觀測(cè)技術(shù)已成為生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)和能量交換觀測(cè)的主要方法，基于該方法已形成全球和多個(gè)區(qū)域性的通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為分析生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)和適應(yīng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。全球通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò) (FLUXNET) 在過(guò)去 20 多年飛速發(fā)展，目前已有 900 多個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，7000 多個(gè)站點(diǎn)年數(shù)據(jù)[2-3]，該數(shù)據(jù)能夠幫助理解全球主要植被型的碳水交換狀況，為不同生態(tài)系統(tǒng)類型跨站點(diǎn)比較和集成分析提供了前所未有的機(jī)會(huì)，也為全球生態(tài)系統(tǒng)碳收支及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)。已有研究利用機(jī)器學(xué)習(xí)等算法將站點(diǎn)通量數(shù)據(jù)升尺度得到區(qū)域尺度的碳通量數(shù)據(jù)[4-7]；利用站點(diǎn)或區(qū)域通量數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)遙感模型和過(guò)程模型進(jìn)行參數(shù)化和驗(yàn)證，降低模型模擬結(jié)果的不確定性，進(jìn)而更準(zhǔn)確地分析生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)[4,8-10]?？梢?jiàn)，通量觀測(cè)數(shù)據(jù)是生態(tài)系統(tǒng)模型校驗(yàn)和區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)碳收支模擬分析及其對(duì)氣候變化響應(yīng)研究的基礎(chǔ)，研究結(jié)果是否準(zhǔn)確直接依賴于通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括準(zhǔn)確性和完整性。

由于渦度相關(guān)技術(shù)自身的局限性、環(huán)境和氣象條件等問(wèn)題經(jīng)常造成通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的異?；蛉笔?，因此觀測(cè)數(shù)據(jù)在使用前需要進(jìn)行一系列的校正和插補(bǔ)等處理[11-13]。另外，通量觀測(cè)只能得到凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量 (NEE, net ecosystem exchange of CO2)，而NEE是總生態(tài)系統(tǒng)碳交換量 (GEE, gross ecosystem exchange of CO2) 和生態(tài)系統(tǒng)呼吸 (Reco, ecosystem respiration) 的差值，如果模型模擬的 GEE 和 Reco 同時(shí)高估或低估相同的量，這個(gè)誤差則不能通過(guò) NEE 的觀測(cè)值和模擬值比對(duì)檢測(cè)出來(lái)，因此有必要對(duì) NEE 進(jìn)行拆分處理，而且將 NEE 拆分之后能夠更好地理解 NEE 年際變異及其不同站點(diǎn)間差異的原因[12]?？梢?jiàn)，通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、插補(bǔ)和拆分非常重要。為將科學(xué)家從繁瑣的數(shù)據(jù)處理中解放出來(lái)，將精力主要放在科學(xué)研究上，而不是重復(fù)性的數(shù)據(jù)處理工作上；同時(shí)增強(qiáng)不同站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的可比性，便于區(qū)域尺度上的碳收支分析，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了幾種通量數(shù)據(jù)處理軟件，例如 Eddypro (eddy covariance processing software)，EDIRE (eddy-cov reprocesisng)，TK2/3(Turbulence Knight) 等。這些軟件雖然涵蓋了國(guó)際主流的通量數(shù)據(jù)處理流程和算法，但均是英文版的桌面系統(tǒng)，使用之前需要進(jìn)行安裝和系統(tǒng)學(xué)習(xí)，并且在應(yīng)用于我國(guó)通量數(shù)據(jù)處理之前，需要進(jìn)行具體處理步驟和算法的篩選及參數(shù)的確定。

中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò) (ChinaFLUX)創(chuàng)建于 2001 年，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展已從最初的 6個(gè)臺(tái)站擴(kuò)展到 70 個(gè)左右，積累了大量的長(zhǎng)期聯(lián)網(wǎng)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)[1,14,15]；并于 2008 年研發(fā)了一套基于MATLAB 的桌面版 CO2通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)處理工作中存在的處理過(guò)程繁瑣、方法不統(tǒng)一、處理不及時(shí)等問(wèn)題，很大程度上提升了通量數(shù)據(jù)處理的效率，已經(jīng)被多個(gè) ChinaFLUX 臺(tái)站所安裝使用[16]。經(jīng)過(guò)幾年的應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)自身的一些局限性，例如由于該系統(tǒng)是基于 C/S (客戶端/服務(wù)器) 架構(gòu)的 Windows 單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，用戶需要在本地安裝并運(yùn)行客戶端應(yīng)用程序，系統(tǒng)運(yùn)行效率依賴于用戶的軟硬件平臺(tái)，并且在同一時(shí)段僅允許單個(gè)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作；另外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理算法間耦合程度較高，當(dāng)處理過(guò)程中某個(gè)算法需要修改時(shí)，所有的客戶端程序均要進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)更新。因此，如何解決這些問(wèn)題，從而方便用戶快速高效地處理通量數(shù)據(jù)以便將其及時(shí)投入科研應(yīng)用，就成為ChinaFLUX 面臨的重要課題。

近年來(lái)，隨著面向服務(wù)的體系架構(gòu) (SOA，Service-Oriented Architecture) 和 Web 服務(wù) (Web services) 技術(shù)的不斷發(fā)展，與平臺(tái)和編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其屏蔽了不同軟件平臺(tái)之間的差異，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的互操作；無(wú)論是在IT領(lǐng)域，還是在科學(xué)研究領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[17-28]。SOA 建立在Web 服務(wù)的基礎(chǔ)上，是建立分布式信息系統(tǒng)的一種方法；Web 服務(wù)是 SOA 最核心的抽象手段，將具體業(yè)務(wù)組件化為一系列相對(duì)獨(dú)立且可重用的業(yè)務(wù)服務(wù)，業(yè)務(wù)流程則由服務(wù)組裝而成。與傳統(tǒng)方法相比，SOA具有松耦合的特點(diǎn)，使得應(yīng)用組件獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言和其它基礎(chǔ)設(shè)施。因此，本研究詳細(xì)討論了將 SOA 的體系架構(gòu)應(yīng)用到通量數(shù)據(jù)處理上，設(shè)計(jì)并建立標(biāo)準(zhǔn)、通用的通量數(shù)據(jù)處理 Web 服務(wù)集，進(jìn)而根據(jù) ChinaFLUX 通量數(shù)據(jù)處理流程，開(kāi)發(fā)基于 SOA 架構(gòu)的在線通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。從而提供一個(gè)便于共享、即時(shí)可用的通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)，用戶只需一個(gè) Web 瀏覽器即可隨時(shí)隨地在線處理通量數(shù)據(jù)，解決已有通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

1 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)之前，首先要對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行需求分析，本研究中業(yè)務(wù)流程即碳通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理流程。ChinaFLUX 根據(jù)國(guó)內(nèi)通量觀測(cè)站點(diǎn)的實(shí)際情況，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，包括 FLUXNET、AmeriFLUX、EuroFLUX 和 AsiaFLUX 等通量數(shù)據(jù)處理流程，研制了一套標(biāo)準(zhǔn)的 ChinaFLUX 30 min CO2通量數(shù)據(jù)處理流程[1,13,29]，該流程主要包括觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)以及碳通量分解和統(tǒng)計(jì)等主要過(guò)程。根據(jù)這一流程，設(shè)計(jì)了以下系統(tǒng)處理流程圖 (圖 1)，具體包括：

(1) 前期數(shù)據(jù)匹配：將原始 30 min 通量和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，并進(jìn)行時(shí)間上的匹配。

(2) 通量和氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理：計(jì)算得到通量數(shù)據(jù)處理的輔助數(shù)據(jù)，例如為了區(qū)分白天和夜間 NEE，需要根據(jù)站點(diǎn)經(jīng)緯度和日序計(jì)算日出日落時(shí)間；并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)氣象和通量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的閾值剔除。

(3) 氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)：對(duì)缺失的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，獲取完整時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)。

(4) 碳通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：這是通量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵過(guò)程，用于糾正地形、水熱條件等對(duì) CO2通量觀測(cè)的影響，并剔除 CO2通量觀測(cè)過(guò)程中的異常數(shù)據(jù)，具體包括 9 個(gè)步驟，分別為坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、WPL校正、儲(chǔ)存項(xiàng)計(jì)算、降水對(duì)應(yīng)的通量數(shù)據(jù)剔除、通量閾值剔除、通量異常值剔除、夜間 NEE 負(fù)值剔除、U* 校正、非生長(zhǎng)季白天 NEE 負(fù)值剔除。針對(duì)不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，需要的處理步驟不盡相同，例如對(duì)于草地、農(nóng)田等低矮植被不需要進(jìn)行儲(chǔ)存項(xiàng)計(jì)算。因此每個(gè)步驟均需設(shè)置跳過(guò)功能。

(5) 碳通量數(shù)據(jù)插補(bǔ)和分解：由于通量觀測(cè)數(shù)據(jù)存在異常或缺失，因此 CO2通量數(shù)據(jù)時(shí)間序列不完整，需要利用有效通量數(shù)據(jù)結(jié)合氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，進(jìn)而得到完整時(shí)間序列的 NEE 數(shù)據(jù)；并結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?NEE 分解為 GEE 和 Reco。

(6) 碳通量和氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：將插補(bǔ)和拆分后的NEE、GEE、Reco 通量數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)從30 min 尺度統(tǒng)計(jì)到日、月和年尺度上。

圖1 通量數(shù)據(jù)處理流程Fig. 1 The flowchart of flux data processing

2 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Web 服務(wù)接口設(shè)計(jì)

通量數(shù)據(jù)處理的 Web 服務(wù)接口在設(shè)計(jì)上遵循盡可能簡(jiǎn)單的原則，把復(fù)雜的處理邏輯封裝在 Web 服務(wù)內(nèi)部，將輸入和輸出參數(shù)定義為簡(jiǎn)單的基本數(shù)據(jù)類型，而運(yùn)算所需的復(fù)雜數(shù)據(jù)類型則在算法內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到。由于通量數(shù)據(jù)處理算法是由 MATLAB 的 M語(yǔ)言編寫(xiě)的，所以首先要對(duì)算法進(jìn)行整理和標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)其輸入輸出進(jìn)行系統(tǒng)梳理。之后使用 MATLAB Builder JA 工具將 M 程序封裝成 Java 類 (Jar 包)，進(jìn)而采用 Apache Axis2 和 XFire 將其發(fā)布為 Web 服務(wù)(圖 2)。這樣既發(fā)揮了 MATLAB 強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，又發(fā)揮了 Java 的 Web 開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。除了通量數(shù)據(jù)處理 Web 服務(wù)之外，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于 MATLAB 的可視化 Web 服務(wù)，用于結(jié)果數(shù)據(jù)可視化展示，方便用戶即時(shí)在線查看和分析通量數(shù)據(jù)處理情況。

2.2 基于 SOA 架構(gòu)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖3 是通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖，Web service 的使用便利了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，通量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵函數(shù)無(wú)需用 Java 編寫(xiě)，只需調(diào)用相應(yīng)的Web service 即可；對(duì)于有多種處理算法的步驟均提供了多個(gè) Web service，用戶可以選擇適合自己數(shù)據(jù)的算法進(jìn)行處理。系統(tǒng)主要包括 MATLAB 數(shù)據(jù)處理、Web Service 組件接口、通量數(shù)據(jù)處理執(zhí)行引擎以及Web 交互四個(gè)功能模塊，模塊之間的交互關(guān)系如圖 3所示。

(1) MATLAB 數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊主要承擔(dān)著執(zhí)行具體通量數(shù)據(jù)處理流程的任務(wù)。通量數(shù)據(jù)處理流程的各算法是由 MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)的，MATLAB 負(fù)責(zé)后臺(tái)計(jì)算，從 Web Service 接到命令后，運(yùn)行相應(yīng)的通量數(shù)據(jù)處理算法，處理完成之后將結(jié)果返回給Web Service 接口。

(2) Web Service 組件接口模塊：通量數(shù)據(jù)處理主業(yè)務(wù)邏輯根據(jù)通量數(shù)據(jù)處理步驟 Web Service 的WSDL 文件調(diào)用對(duì)應(yīng)的 Web Service，Web Service組件接口模塊接到調(diào)用信息后，把文件和參數(shù)信息全部轉(zhuǎn)化為 MATLAB 可調(diào)用的數(shù)據(jù)類型，之后通過(guò) MATLAB Builder JA 創(chuàng)建的 Java 類調(diào)用相應(yīng)的MATLAB 數(shù)據(jù)處理程序，完成 Java 程序與 MATLAB程序之間的交互。

(3) 通量數(shù)據(jù)處理執(zhí)行引擎模塊：該模塊是系統(tǒng)的核心部分，主要由部署于其中的通量數(shù)據(jù)處理引擎及輔助訪問(wèn)的外圍中間件構(gòu)成。該模塊接收來(lái)自用戶交互模塊的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，負(fù)責(zé)解析請(qǐng)求的相關(guān)信息，并進(jìn)行流程實(shí)例化和執(zhí)行控制、任務(wù)調(diào)度等。執(zhí)行引擎模塊接收用戶請(qǐng)求信息后，根據(jù) Web 服務(wù)定義的一系列組件接口，來(lái)調(diào)配相應(yīng)的通量數(shù)據(jù)處理 Web 服務(wù)，然后等待 Web 服務(wù)返回結(jié)果數(shù)據(jù)，收集結(jié)果數(shù)據(jù)之后，再傳回到前端 JSP 展現(xiàn)層。

(4) Web 交互模塊：Web 交互模塊以 Web 頁(yè)面的方式提供給用戶，是系統(tǒng)對(duì)用戶的唯一接口。該模塊基于 Web 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，提供給用戶實(shí)時(shí)的通量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，用戶可以使用自己的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的處理，數(shù)據(jù)處理執(zhí)行過(guò)程中，還可以即時(shí)地查看和下載程序運(yùn)行的中間結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和歸檔保存，以供以后做進(jìn)一步的分析與研究。

圖2 Web 服務(wù)接口設(shè)計(jì)Fig. 2 The design of Web Services

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig. 3 The schematic structure of the online flux processing system

3 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于 SOA 架構(gòu)，因此不依賴于特定的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言等；服務(wù)器搭建在中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò) (Chinese Ecosystem Research Network, CERN) 綜合中心的云平臺(tái)上，用云平臺(tái)的虛擬機(jī)作為服務(wù)器，便于管理和擴(kuò)容。圖 4 是系統(tǒng)主頁(yè)面，為了推廣使用，已作為一個(gè)工具嵌入到中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)科研信息化環(huán)境中，左邊是數(shù)據(jù)處理的具體步驟，右邊是數(shù)據(jù)處理的具體頁(yè)面。

系統(tǒng)提供了一個(gè)可以在線、實(shí)時(shí)進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理的門(mén)戶，用戶只需使用通用的 Web 瀏覽器即可進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理。進(jìn)行完每一項(xiàng)數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)都會(huì)實(shí)時(shí)返回給用戶數(shù)據(jù)處理結(jié)果，用戶可以下載相應(yīng)的結(jié)果數(shù)據(jù)?？梢暬彩窍到y(tǒng)的一部分，給用戶提供了一個(gè)快速查看數(shù)據(jù)的工具，通過(guò)每步中間結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化，用戶可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷數(shù)據(jù)情況，選擇合適的方法，如果有問(wèn)題可回到上一步嘗試另一種方法重新處理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括MATLAB 與 Java 混合編程以及 Web services 封裝與發(fā)布。

圖4 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)主頁(yè)面Fig. 4 The homepage of the online flux processing system

(1) Java 和 MATLAB 混合編程

鑒于 MATLAB 在矩陣運(yùn)算和科學(xué)計(jì)算上的優(yōu)勢(shì)，通量數(shù)據(jù)處理各流程的算法是由 MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)的，而通量數(shù)據(jù)在線處理平臺(tái)是由 Java 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，因此兩種語(yǔ)言之間需要進(jìn)行通信和相互轉(zhuǎn)換。MATLAB 提供了將 M 程序轉(zhuǎn)換成 Java 或 .NET程序的工具，這些工具有 MATLAB Builder JA (面向Java 語(yǔ)言) 或 MATLAB Builder NE (面向 .NET 框架)等。本系統(tǒng)采用的是 MATLAB Builder JA 來(lái)將通量數(shù)據(jù)處理的 M 程序轉(zhuǎn)化成 Java 類，方便 Java 語(yǔ)言調(diào)用。MATLAB Builder JA 并不能把任意M程序轉(zhuǎn)換成 Java 類，待轉(zhuǎn)換的 M 程序必須符合轉(zhuǎn)換條件，因此首先需要將 MATLAB 通量數(shù)據(jù)處理各算法改寫(xiě)成MATLAB Builder JA 工具可以調(diào)用的形式，以便成功地轉(zhuǎn)換和打包。

(2) Web service 封裝與發(fā)布

Web Service 是使應(yīng)用程序可以與平臺(tái)和編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的方式進(jìn)行相互通信的技術(shù)，屏蔽了不同軟件平臺(tái)的差異，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的互操作?；?Java 的Web 服務(wù)開(kāi)發(fā)工具有很多，我們采用的是 Apache Axis2和 XFire，都是 Java 的開(kāi)源框架，支持大多數(shù) Web 服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，是連接 POJO (簡(jiǎn)單 Java 對(duì)象)和 SOA 的橋梁，可以將 POJO 通過(guò)非常簡(jiǎn)單的方式發(fā)布成 Web服務(wù)；降低了SOA系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，為科研系統(tǒng)轉(zhuǎn)向SOA 架構(gòu)提供了一種簡(jiǎn)單可行的方式。本文將通量數(shù)據(jù)處理的逐個(gè)步驟均進(jìn)行了 Web service 封裝和發(fā)布。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本研究以 ChinaFLUX 千煙洲亞熱帶常綠人工針葉林通量觀測(cè)站 2010 年 30 min 數(shù)據(jù)處理為例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。千煙洲通量觀測(cè)站 (26°44'52"N，115°03'47"E，110.8 m) 位于江西省泰和縣，在 CERN的千煙洲試驗(yàn)站內(nèi)，具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候特征，年均氣溫和降水量分別為 17.9℃ 和 1485.1 mm；通量塔周圍近 1 km2范圍內(nèi)森林覆蓋率高達(dá) 90%，林分為 1985 年前后開(kāi)始營(yíng)造的人工林[30,31]。

(1) 數(shù)據(jù)上傳和預(yù)處理：首先根據(jù)用戶指南準(zhǔn)備通量和氣象數(shù)據(jù)，相應(yīng)的閾值文件通過(guò)查看數(shù)據(jù)情況確定。整理完畢之后通過(guò)上傳頁(yè)面逐項(xiàng)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器；接著將數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間以及站點(diǎn)經(jīng)緯度輸入系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理；完成之后進(jìn)入閾值剔除頁(yè)面，對(duì)通量和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的質(zhì)量控制。

(2) 氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)：氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)完成之后，需要通過(guò)可視化功能查看每個(gè)氣象變量的插補(bǔ)效果；如圖 5 中的冠層空氣平均溫度，可以看出季節(jié)變異比較合理，夏季高冬季低，數(shù)值也在合理范圍內(nèi)。通量數(shù)據(jù)的插補(bǔ)和拆分效果直接依賴于氣象數(shù)據(jù)，因此需逐變量查驗(yàn)完畢之后再進(jìn)入下一步。

(3) 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：由于該通量站的植被類型是位于亞熱帶的常綠林，沒(méi)有明顯的生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季，因此不需要剔除非生長(zhǎng)季白天 NEE 負(fù)值，只需進(jìn)行其他 8 個(gè)步驟的質(zhì)量控制。圖 6 展示了通量閾值剔除之后 NEE 的效果圖，可以看出將 NEE 設(shè)定在-3～3 mg/m2/s 之間是比較合理的；夏季白天 NEE (紅點(diǎn)) 出現(xiàn)了相對(duì)低值，這是由于千煙洲雨熱不同季，夏季存在季節(jié)性干旱導(dǎo)致的[32]。

(4) 通量數(shù)據(jù)插補(bǔ)和拆分：非線性插補(bǔ)所用的光響應(yīng)方程是 Michaelis-Menten 方程；呼吸方程系統(tǒng)提供了兩種：只考慮溫度影響的 Lloyd & Taylor 模型和同時(shí)考慮溫度和水分影響的 Van’t Hoff 模型。由于千煙洲存在季節(jié)性干旱[32]，因此選用了同時(shí)考慮水分對(duì)呼吸影響的 Van’t Hoff 模型。

(5) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：最后一步數(shù)據(jù)匯總得到了千煙洲通量站 2010 年 30 min、日、月和年四個(gè)尺度的通量和氣象完整時(shí)間序列數(shù)據(jù)；圖 7 展示了月尺度的NEE、GEE 和 Reco 數(shù)據(jù)。通過(guò)可視化檢查完畢各項(xiàng)數(shù)據(jù)之后，將通量和氣象統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)下載下來(lái)存檔。

圖5 氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)Fig. 5 The interpolation of meteorological data

圖6 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 (以閾值剔除為例)Fig. 6 The quality control of flux data (take threshold control for example)

圖7 通量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig. 7 The statistics of flux data

4 結(jié)語(yǔ)

本文將 SOA 應(yīng)用于 ChinaFLUX 通量數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，利用 Web Service 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 ChinaFLUX 通量數(shù)據(jù)處理算法的封裝，開(kāi)發(fā)了基于 SOA 的通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)，支持用戶實(shí)時(shí)在線處理通量數(shù)據(jù)，使得通量數(shù)據(jù)處理更便捷。相比基于 MATLAB 的桌面版通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：第一，用戶不需要安裝 MATLAB 客戶端程序，只需一個(gè) Web 瀏覽器即可在不同操作系統(tǒng)上進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理。第二，系統(tǒng)支持多用戶同一時(shí)段進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理，提高了數(shù)據(jù)處理效率。第三，由于核心的數(shù)據(jù)處理功能是在服務(wù)器端進(jìn)行的，所以數(shù)據(jù)處理效率不依賴于用戶的軟硬件平臺(tái)，只依賴于服務(wù)器的配置，而服務(wù)器搭在云平臺(tái)上，保證了處理效率。第四，如果需要對(duì)某個(gè)通量數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行修改或升級(jí)，只需修改 Web 服務(wù)類，客戶端不需要做任何改動(dòng)。目前，已有部分臺(tái)站用戶在使用，未來(lái)希望能夠推廣到更多臺(tái)站，方便臺(tái)站通量數(shù)據(jù)處理的同時(shí)，可以幫助發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可能存在的問(wèn)題，從而進(jìn)一步不斷發(fā)展完善。

致謝

感謝 ChinaFLUX 及千煙洲通量觀測(cè)站的老師為本文提供通量觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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