楊萬康，楊青瑩，尹寶樹，伊小飛，張峰，宋澤坤

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012；3.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江524088）

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1409號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)對(duì)鐵山港海域的風(fēng)暴潮增水研究

楊萬康1,2，楊青瑩2，尹寶樹1，伊小飛3，張峰2，宋澤坤2

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310012；3.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江524088）

摘要：1409號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)是1949年以來登陸我國(guó)華南地區(qū)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。本文首先以鐵山港海域的潮位站和氣象站實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)鐵山港海域的風(fēng)暴增水特征進(jìn)行了初步分析，結(jié)果表明：鐵山港灣內(nèi)最大風(fēng)暴增水值要大于灣口處，通過對(duì)歷史增水值進(jìn)行重現(xiàn)期推算可知1409號(hào)臺(tái)風(fēng)造成的最大增水強(qiáng)度達(dá)到了200年一遇。臺(tái)風(fēng)登陸期間鐵山港海域發(fā)生先減水后增水的現(xiàn)象，是因?yàn)殍F山港海域的風(fēng)向發(fā)生了轉(zhuǎn)變，先是吹離岸風(fēng)，后改為向岸風(fēng)。然后基于MIKE21和Holland臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)建立二維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型分析了1409號(hào)臺(tái)風(fēng)的最大增水空間分布規(guī)律，模型結(jié)果顯示地形與風(fēng)暴潮增水的關(guān)系十分密切，鐵山港內(nèi)部灣頂位置處最大風(fēng)暴增水超過了3.2 m，比鐵山港口門處增加了1.2 m，因此需要格外重視鐵山港灣頂處的風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)工作。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)路徑；風(fēng)暴增水；重現(xiàn)期；風(fēng)暴潮模型

1　引言

廣西北海市鐵山港一個(gè)狹長(zhǎng)的半封閉型海灣，型似喇叭狀，呈南北走向，水域南北長(zhǎng)約40 km，東西最寬處10 km，一般寬4 km，東鄰英羅灣，東南處毗鄰安鋪灣，港內(nèi)主要有石頭埠、沙田等港口，具體位置如圖1所示。鐵山港是西南地區(qū)以及華南、中南部分地區(qū)最便捷的出?？?，處于西南經(jīng)濟(jì)圈、泛珠三角經(jīng)濟(jì)圈和東盟經(jīng)濟(jì)圈的中心樞紐位置，因此，對(duì)鐵山港海域風(fēng)暴潮特征進(jìn)行研究，不僅具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值，也能對(duì)港口的防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

廣西海岸地形復(fù)雜，河口港灣眾多.獨(dú)特的海灣地形和港口形狀有利于風(fēng)暴潮增水的形成[1-2]。鐵山港其地理形狀近似于口袋型，水體更加容易堆積。港灣地形與風(fēng)暴潮增減水的關(guān)系十分密切，即使同一類臺(tái)風(fēng)在不同的岸段所產(chǎn)生的增減水有著明顯的差別[3]，李巖等人[4]研究指出氣象氣旋的時(shí)效和精度決定了風(fēng)暴潮增水的預(yù)報(bào)結(jié)果，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，許多學(xué)者對(duì)登陸廣西沿岸的臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與預(yù)報(bào)，張保明利用數(shù)值模式成功的預(yù)報(bào)了9204號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴增水[5]，李希茜采用考慮了天文潮與風(fēng)暴潮非線性相互作用耦合模型進(jìn)行風(fēng)暴潮潮位預(yù)報(bào)，提高了預(yù)報(bào)精度[6]。影響廣西沿海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)大體分如下3種類型[1]:一是斜穿雷州半島和海南島東北部進(jìn)入北部灣，在廣西沿?；蛟侥媳辈康顷?，該類臺(tái)風(fēng)引起廣西沿海港灣強(qiáng)烈的增水；二是橫穿海南島或雷州半島進(jìn)入北部灣，在越南北部沿海登陸，該類臺(tái)風(fēng)引起的港灣增水程度和范圍要小于一類路徑；三是繞過海南島向北發(fā)展，在廣西沿岸海岸登陸，該類臺(tái)風(fēng)也會(huì)引起廣西沿海港灣的水位升降。影響廣西地區(qū)的具體臺(tái)風(fēng)路徑類型如圖2所示。1409號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)為第一類臺(tái)風(fēng)路徑，而且是最近幾十年來登陸華南地區(qū)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，對(duì)廣西沿岸地區(qū)造成了嚴(yán)重的自然災(zāi)害，本文以鐵山港實(shí)測(cè)潮位資料為依據(jù)，分析了1409號(hào)臺(tái)風(fēng)期間鐵山港海域的風(fēng)暴增水特征，并結(jié)合風(fēng)暴潮模型分析了1409號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)期間鐵山港海域增水分布規(guī)律。

圖1　鐵山港海區(qū)地理位置示意圖

2　臺(tái)風(fēng)特征分析

1409號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)于2014年7月9日在楚克東部的西北太平洋海面上生成，并向西移動(dòng)。16日上午穿越菲律賓中部進(jìn)入南海，并由強(qiáng)臺(tái)風(fēng)減弱為臺(tái)風(fēng)。18日15時(shí)30分（北京時(shí)，下同）左右，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)威馬遜在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)17級(jí)，中心最低氣壓為910 hPa。18日19時(shí)威馬遜在廣東省徐聞縣龍?zhí)伶?zhèn)沿海再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力仍有17級(jí)，中心最低氣壓仍為910 hPa。隨后威馬遜臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有所減弱，并以西北偏西的移動(dòng)路徑，掠過雷州半島，穿越北部灣，于19日07時(shí)在廣西防城港市沿海再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力15級(jí)，中心最低氣壓950 hPa，登陸時(shí)其強(qiáng)度降為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（臺(tái)風(fēng)路徑見圖3）。隨后受地形摩擦等影響，開始急劇減弱，并繼續(xù)向偏西方向移動(dòng)，最后消失在云南境內(nèi)。1409號(hào)臺(tái)風(fēng)主要特點(diǎn)如下：

（1）登陸強(qiáng)度大，“威馬遜”登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)中心氣壓創(chuàng)1949年以來登陸我國(guó)華南沿海最低記錄，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力17級(jí)（60 m/s），中心氣壓910 hPa；

（2）登陸次數(shù)多，先后3次登陸我國(guó)，分別在海南文昌翁田鎮(zhèn)（7月18日15時(shí)30分）、廣東湛江徐聞縣沿海（7月18日19時(shí)30分）、廣西防城港光坡鎮(zhèn)沿海（7月19日07時(shí)10分）登陸；

（3）災(zāi)害嚴(yán)重：根據(jù)廣西省民政廳統(tǒng)計(jì)，臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)給廣西境內(nèi)帶來了暴雨和狂風(fēng)，災(zāi)害造成150.26萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積3萬多公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失3.98億元。

圖2　影響廣西地區(qū)的臺(tái)風(fēng)路徑分類示意圖

圖3　1409號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑示意圖

3　鐵山港海域風(fēng)暴增水特征分析

為了分析鐵山港海域在1409號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)暴潮增水特征，我們選取了石頭埠水文站和W1臨時(shí)潮位站的潮位資料進(jìn)行增減水分離，兩個(gè)潮位站的具體位置如圖1所示，增水統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　1409號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴增水結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖4　石頭埠潮位站增減水示意圖

圖5　W1潮位站增減水示意圖

圖6　英羅灣氣象站風(fēng)速風(fēng)向示意圖

根據(jù)增水統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，鐵山港內(nèi)部的石頭埠站最大增水為271 cm，港口外部的W1測(cè)站最大增水為179 cm，鐵山港灣內(nèi)部的增水要遠(yuǎn)大于灣外口門處，這是因?yàn)殍F山港海灣為半封閉型海灣，風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)大量的海水涌入灣內(nèi)，由于岸線地形的特殊形狀，海水不斷聚集而且不容易消散，所以增水值較大。

根據(jù)兩個(gè)站臺(tái)風(fēng)過程期間的增減水曲線（見圖4、圖5）可知：在臺(tái)風(fēng)沒有穿越雷州半島之前，兩個(gè)站的風(fēng)暴增水都不明顯，在威馬遜臺(tái)風(fēng)穿越雷州半島進(jìn)入北部灣海域時(shí)（7月19日00時(shí)后），鐵山港海域首先出現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)的減水過程，7月19日02時(shí)風(fēng)暴減水達(dá)到極值，石頭埠站最大減水位-127 cm，灣口處的W1測(cè)站為-152 cm，減水極值發(fā)生在天文潮的高潮時(shí)刻。在風(fēng)暴減水達(dá)到極值后，風(fēng)暴增水開始急劇增加，迅速達(dá)到了風(fēng)暴增水峰值，風(fēng)暴增水發(fā)生時(shí)正好對(duì)應(yīng)于天文潮的低潮位，增水曲線達(dá)到峰值后，開始迅速下降，進(jìn)入風(fēng)暴潮后期余振階段，余振階段增水值主要來源于海面起伏的慣性震蕩。鐵山港海域兩個(gè)潮位站的最大增水都發(fā)生在臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過鐵山港海域之后的2—3 h，主要是因?yàn)殍F山港海域的灣口地形特征和處于臺(tái)風(fēng)右半圓有關(guān)。

為進(jìn)一步討論鐵山港海域先減水后增水這一現(xiàn)象，本文利用英羅灣附近氣象觀測(cè)站的資料來加以分析（氣象站位置如圖1所示），圖6為T1氣象站風(fēng)速、風(fēng)向隨時(shí)間變化曲線圖。由圖可知隨著臺(tái)風(fēng)穿越雷州半島后，鐵山港附近風(fēng)速迅速增大，在7月19日04時(shí)左右，風(fēng)速達(dá)到最大值，最大風(fēng)速達(dá)到了26.5 m/s，而后隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱，風(fēng)速逐漸減小。結(jié)合潮位站增減水曲線分析，鐵山港海域兩個(gè)潮位站的增減水與風(fēng)速變化趨勢(shì)基本一致，由威馬遜臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑可知，鐵山港海域位于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)路線的右半圓，處于臺(tái)風(fēng)風(fēng)力最強(qiáng)的第一象限，但是在7月19日02時(shí)之前，鐵山港海域位于移動(dòng)臺(tái)風(fēng)的前沿，鐵山港海域風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)即離岸風(fēng)，不斷增強(qiáng)的離岸風(fēng)造成鐵山港海域較為嚴(yán)重的減水。7月19日02時(shí)之后，臺(tái)風(fēng)中心離開鐵山港海域，風(fēng)向變?yōu)槲鞅憋L(fēng)，即向岸風(fēng)，海水在強(qiáng)風(fēng)的作用下涌入鐵山港，造成比較嚴(yán)重的增水。臺(tái)風(fēng)風(fēng)向改變的根本原因是臺(tái)風(fēng)中心沿路徑的不斷前進(jìn)以及北半球臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特性。

為了評(píng)估此次臺(tái)風(fēng)增水強(qiáng)度，我們通過搜集石頭埠站1968—2014年期間臺(tái)風(fēng)增水資料，按照海港水文規(guī)范要求[7]進(jìn)行了耿貝爾重現(xiàn)期極值推算，重現(xiàn)期推算結(jié)果如表2所示。根據(jù)風(fēng)暴增水重現(xiàn)期推算結(jié)果可知，1409號(hào)臺(tái)風(fēng)對(duì)鐵山港海域所造成的增水強(qiáng)度達(dá)到了200 a一遇。

表2　石頭埠站重現(xiàn)期風(fēng)暴增水推算結(jié)果（單位：cm）

4　風(fēng)暴增水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算

為了分析鐵山港海區(qū)增水的空間分布規(guī)律，本研究應(yīng)用MIKE水動(dòng)力模型[8]，添加臺(tái)風(fēng)模型氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)并作為輸入條件，建立了一個(gè)適用于鐵山港海域的風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)鐵山港海域的最大風(fēng)暴增水進(jìn)行了回報(bào)。

4.1臺(tái)風(fēng)模型

本次研究采用Holland[9]臺(tái)風(fēng)氣壓模型如下:

B參數(shù)決定了臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和氣壓輪廓線，常用的估計(jì)公式為：

B=1.1-(980-PC)/120（2）

最大風(fēng)速半徑計(jì)算公式為：RMW=51.6×EXP(-0.022 3×Vmax+0.028 1×lat)（3）

式中：pc為中心氣壓，pn為外圍氣壓，RMW為最大風(fēng)速半徑，r為距離臺(tái)風(fēng)中心的距離，lat為臺(tái)風(fēng)中心緯度。

當(dāng)確定了氣壓場(chǎng)之后，根據(jù)梯度風(fēng)公式可以得到理論臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)：

在北半球臺(tái)風(fēng)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱性，臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)路徑右側(cè)風(fēng)速會(huì)更強(qiáng)，左側(cè)會(huì)減弱，計(jì)算公式如下：

式中：Vfm為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度，θ臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向角度，都可以由移動(dòng)路徑可以求得，這里θmax取為115°（考慮到入射角為25°）。

4.2水動(dòng)力模型

水動(dòng)力模型采用MIKE21二維水動(dòng)力模塊方程來計(jì)算臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，MIKE21軟件[10]在國(guó)際上被廣泛應(yīng)用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水質(zhì)環(huán)境等要素。

在笛卡兒直角坐標(biāo)系中，MIKE21連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

式中：t為時(shí)間，（x，y）分別表示向東為正和向北為正的坐標(biāo)系；（U，V）為相應(yīng)于（x，y）方向的從海底到海面的平均流速，η為水位，h=η+h為總水深，h則為未擾動(dòng)海洋之水深，即平均海平面至海底的距離，f=2ωsinφ為Coriolis參量，ρ0為海水密度，pa為大氣壓力，A為水平渦粘系數(shù)，τbx,τby為x，y方向底應(yīng)力，τsx,τsy為x，y方向海面風(fēng)應(yīng)力。

4.3模型設(shè)置與驗(yàn)證

為了提高風(fēng)暴潮數(shù)值模式的計(jì)算精度，本次計(jì)算區(qū)域覆蓋了北部灣，南海等廣大區(qū)域，在陸架區(qū)、鐵山港海灣等區(qū)域，海岸形狀和水深對(duì)風(fēng)暴潮會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此在該區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行了加密，網(wǎng)格分辨率最高可達(dá)50 m（見圖7）。鐵山港海域水深由航保部海圖數(shù)據(jù)數(shù)字化得到，外海水深采用ETOP1數(shù)據(jù)。模型采用冷啟動(dòng)，初始水位和初始流場(chǎng)設(shè)為0，淺灘采用動(dòng)邊界干濕網(wǎng)格技術(shù)。然后模型驗(yàn)證結(jié)果如圖8、圖9所示，兩個(gè)站的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)較為一致，增水峰值和發(fā)生時(shí)間誤差較小，說明建立的風(fēng)暴潮數(shù)值模型準(zhǔn)確合理，較好的反映了1409號(hào)臺(tái)風(fēng)增水過程。

4.4最大風(fēng)暴增水空間分布

根據(jù)風(fēng)暴潮模型計(jì)算結(jié)果鐵山港海域最大風(fēng)暴增水的空間分布如圖9所示，鐵山港外開闊海域風(fēng)暴增水為0.8—1.2 m左右，然后灣外向鐵山港內(nèi)部增水不斷增大，鐵山港內(nèi)部灣頂位置最大風(fēng)暴增水超過了3.2 m，比鐵山港口門處增加了1.2 m，鐵山港口門東側(cè)的安鋪灣和英羅灣最大增水也超過了2 m。通過1409號(hào)臺(tái)風(fēng)的增水空間分布規(guī)律可知：地形變化與風(fēng)暴潮增減水的關(guān)系十分密切，此外灣口的幾何形狀對(duì)風(fēng)暴潮增水的分布特征同樣具有重要的貢獻(xiàn)，同一類臺(tái)風(fēng)在不同的岸段所產(chǎn)生的增水有明顯差別，尤其是鐵山港海灣地理形狀近似于一個(gè)口袋型，水體易進(jìn)不易出，灣頂處增水會(huì)顯著增大，造成的危害也更加嚴(yán)重。

圖7　計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

圖8　兩潮位站模擬結(jié)果驗(yàn)證比較

圖9　鐵山港海域最大風(fēng)暴增水示意圖

5　結(jié)論

本文通過對(duì)1409號(hào)威馬遜臺(tái)風(fēng)對(duì)鐵山港海域的風(fēng)暴增水特征進(jìn)行分析，初步得到了以下結(jié)論：

（1）鐵山港內(nèi)部最大風(fēng)暴增水要大于灣口處，這是因?yàn)殍F山港海灣為半封閉型海灣，風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)大量的海水涌入灣內(nèi)，由于地形的影響，海水不斷聚集而且不容易消散，所以增水值較大。通過對(duì)鐵山港海域歷史增水值進(jìn)行重現(xiàn)期推算可知1409號(hào)臺(tái)風(fēng)造成的最大增水強(qiáng)度達(dá)到了200 a一遇；

（2）1409號(hào)臺(tái)風(fēng)期間，鐵山港海域先減水后增水，主要與臺(tái)風(fēng)期間鐵山港海域的風(fēng)向轉(zhuǎn)變有關(guān)，鐵山港海域先吹西南離岸風(fēng)造成嚴(yán)重的減水，然后風(fēng)向發(fā)生改變，改吹西北向岸風(fēng)，造成海水向港灣內(nèi)堆積，造成嚴(yán)重的增水。臺(tái)風(fēng)風(fēng)向改變的根本原因是臺(tái)風(fēng)中心沿路徑的不斷前進(jìn)以及北半球臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特性；

（3）基于MIKE21水動(dòng)力和Holland臺(tái)風(fēng)模型，建立了二維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型，模型較好的反映了1409號(hào)臺(tái)風(fēng)增水過程，通過分析1409號(hào)臺(tái)風(fēng)的最大增水空間分布規(guī)律可知：地形與風(fēng)暴潮增減水的關(guān)系十分密切，同一類臺(tái)風(fēng)在不同的岸段所產(chǎn)生的增水有明顯差別，鐵山港內(nèi)部灣頂位置處最大風(fēng)暴增水超過了3.2 m，比鐵山港口門處增加了1.2 m，因此需要格外重視鐵山港灣頂處的風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)工作。

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Study on the storm surge characteristics of NO.1409 typhoon“Rammasun”along Tieshan Bay

YANG Wan-kang1, 2, YANG Qing-ying2, YI Bao-shu1, YI Xiao-fei3, ZHANG Feng2, SONG Ze-kun2
（1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanography, Chinese Academy of Science, Qingdao 266071 China; 2. Key Laboratory of Engineering Oceanography, the Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012 China; 3. College of Ocean and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088 China）

Abstract：NO.1409 typhoon“Rammasun”is the most powerful landing typhoon in Southern China since 1949. Based on the measured data from tidal stations and weather stations in Tieshan Bay, the storm surge characteristics of Tieshan Bay were studied. The results showed that the peak storm surge inside the bay was greater than that outside the bay, and the intensity of peak surge caused by 1409 typhoon reached 200 year return period. The surge in Tieshan Bay first decreased and then increased because wind direction changed. Firstly the offshore wind blew and later changed to onshore wind. Based on MIKE21 and Holland typhoon wind field, two-dimensional storm surge model was established to analyze spatial distribution of maximum storm surge. The model results showed storm surge greatly depended on terrain, and storm surge at the top of the bay was more than 3.2 m and 1.3 m higher than Tieshan bay mouth. More attention should be paid to storm surge disaster prevention and mitigation work at the top of the bay.

Key words：Typhoon path; storm surge; return period; storm surge model

作者簡(jiǎn)介：楊萬康（1987-），男，工程師，碩士，主要從事海洋預(yù)報(bào)和數(shù)值模擬工作。E-mail:yangwankang@126.com

基金項(xiàng)目：廣東海洋大學(xué)近海海洋變化與災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（GLOD1405）；中科院海洋環(huán)流與波動(dòng)實(shí)驗(yàn)室開放基金（KLOCAW1406）；海洋二所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（JG1408）。

收稿日期：2015-07-06

中圖分類號(hào)：P731.23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2016）01-0080-06