王 凡 汪嘉寧 張林林 周 慧 楊宇星
(1. 中國科學院海洋研究所海洋環(huán)流與波動重點實驗室 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋動力過程與氣候變化實驗室 青島 266235)
熱帶西太平洋擁有全球海洋中最大的暖水體——熱帶西太平洋暖池, 是驅動大氣環(huán)流系統(tǒng)的主要熱源地之一, 是全球最強勁的Walker環(huán)流和Hadley環(huán)流對流中心。暖池在赤道太平洋上東西移動及相應的大氣環(huán)流變化, 深刻影響 El Ni?o和南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)氣候現象的發(fā)生和發(fā)展, 并通過季風系統(tǒng)對我國的氣候變化、特別是我國旱澇和冷暖異常等重大氣候災害的形成具有極為重要的影響。熱帶西太平洋和暖池周邊海域的表層和次表層海洋環(huán)流復雜、多變, 由數支赤道流和西邊界流組成的環(huán)流系統(tǒng), 直接影響和調制暖池自身的變異和暖池區(qū)海洋-大氣相互作用過程, 在海洋緯向和經向的熱量和質量輸送、熱帶印度洋-太平洋水交換、南北半球水交換等過程中均起關鍵作用(王凡等,2012)。同時, 西太平洋中深層海洋存在尚不為人所知的動力環(huán)境及與上層海洋之間的物質能量交換過程,中深層環(huán)流對海洋熱量的輸運和再分配決定全球氣候的長期變化趨勢, 其自身的動力學機制及與上層環(huán)流之間的關系, 既是暖池海洋系統(tǒng)物質能量交換的重要組成部分, 又是當前海洋與氣候研究的國際關注熱點和薄弱環(huán)節(jié)。
根據中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質能量交換及其影響”(以下簡稱“海洋專項”)的整體要求, 重點任務 2 “西太主流系觀測網構建及在海洋環(huán)境和氣候預報中的應用”以熱帶西太平洋主流系和暖池為主要研究對象, 開展海上大規(guī)模同步調查, 結合動力理論分析和大規(guī)模數值模擬, 在主流系和西太暖池的三維結構、控制因素、變異規(guī)律和動力機制, 西太暖池主流系與周圍海域之間物質能量交換, 以及西太暖池對東亞氣候的影響機制等方面取得突破性、原創(chuàng)性成果, 顯著提升我國深海大洋環(huán)流動力學和氣候可預報性的研究水平。通過五年的項目計劃實施, 組織完成暖池區(qū)關鍵區(qū)域海洋環(huán)流和熱鹽結構的調查工作, 獲取該區(qū)域海洋上層、中層和深層環(huán)流系統(tǒng), 尤其是中、深層海洋動力環(huán)境特征, 及它們之間動力學聯系的觀測證據。下面將分別從不同方面具體闡述代表性研究進展。
熱帶西太平洋環(huán)流系統(tǒng)具有復雜的三維結構,突出表現在溫躍層以下存在與上層環(huán)流反向的次表層潛流系統(tǒng), 包括棉蘭老潛流(Mindanao Undercurrent, MUC)、呂宋潛流(Luzon Undercurrent,LUC)和北赤道潛流(North Equatorial Undercurrent,NEUC)等(Huet al, 2015)。這些潛流分布層次、水團性質相近、動力學關聯密切, 是連接南北半球和不同緯帶海洋環(huán)流的關鍵紐帶, 是維持大洋質量、熱量平衡不可忽略的重要過程。
早在20世紀80—90年代, 國際上在熱帶太平洋開展了一系列大規(guī)模海洋觀測(包括 TOGA、WOCE等)。MUC、LUC和NEUC就是由我國學者利用該時期 3個航次的溫鹽資料研究發(fā)現并命名的(Huet al,1989, 1991; Quet al, 1997; Wanget al, 1998)。此后一些基于走航ADCP(Lukaset al, 1991; Wijffelset al,1995; Firinget al, 2005)、歷史數據(Quet al, 1998;Wanget al, 1998; Xieet al, 2009)以及少數潛標觀測的研究(Kashinoet al, 1996, 2005)對這些潛流有不同程度的反映。這些研究, 或基于有限的 CTD斷面計算地轉流速, 或基于測距過淺而無法測量潛流主體的ADCP數據, 發(fā)現平均狀態(tài)的潛流盡管存在, 但其強度和結構特征。由于缺乏對MUC、LUC和NEUC主體部分的直接連續(xù)觀測, 我們對潛流系統(tǒng)結構及其不同時間尺度變異的認識一直以來都比較片面和模糊。
直到2010年NPOCE(Northwestern Pacific Ocean Circulation and Climate Experiment)國際合作計劃的啟動, 才再次掀起了西太平洋調查研究的熱潮。在國家自然科學基金委重大項目、“973”、尤其是海洋專項的支持下, 中國對西太平洋環(huán)流的三維結構及其變異進行了較系統(tǒng)的潛標觀測, 取得了諸多新認識?;?8°N、18°N、130°E 的潛標 ADCP 觀測數據分析,并結合水文觀測和數值模式結果證實了 MUC、LUC和 NEUC等次表層潛流系統(tǒng)的存在, 指出了其流核深度、流速結構等方面的新特征(圖1, Huet al, 2013,2016; Zhanget al, 2014, 2017)。三支潛流都表現出很強的季節(jié)內變化信號, 但周期和機制不同。LUC的季節(jié)內變化周期約75天左右, 主要由溫躍層渦旋引起,而MUC和NEUC的季節(jié)內變化周期分別為65天和80天左右, 且主要信號都位于溫躍層以下, 和西向移動的次溫躍層渦旋活動有關。同時, Wang等(2015)將Argo數據和歷史資料結合, 構建了多個氣候態(tài)斷面,直觀地展示了典型斷面上MUC、LUC與NEUC的流速結構和水團性質, 給出了三支潛流相互間的水源關系。
基于棉蘭老以東連續(xù)4年的測流數據, 結合一系列數值實驗研究了棉蘭老島以東的西邊界流(包括棉蘭老流MC和棉蘭老潛流MUC)的年際變化(Huet al,2016)。上層的MC的年際變化劇烈且低頻, 而次表層的MUC則受相對較弱而高頻的變化所控制。在整個潛標觀測期間, 在2012年6月觀測到了最弱的MC,而在2010年12月和2014年6月觀測到了MC的極大值。對深層的MUC來說, 極大值出現在約2010年12月、2011年1月、2013年4月和2014年7月, 而極小值則出現在大約2011年6月、2012年8月和2013年 11月。診斷分析和利用 2.5層約化重力模式進行的數值實驗顯示, 西太平洋的風場強迫是 MC和MUC年際變化的主要驅動力。結果表明, 生成于西太平洋(大約150°—180°E)的西傳Rossby波對兩支西邊界流的年際變化具有重要意義, 而在遠西太平洋(大約120°—150°E)由局地風應力旋度導致的Ekman抽吸變化在MC/MUC的年際變化中也具有重要作用。
上述成果對進一步理清西太平洋主流系的三維結構與變異及其在南北半球水交換中的作用具有重要意義。
暖池的形態(tài)和熱力特征存在顯著的年代際變化(趙永平等, 2002; Delcroixet al, 2007; 邱東曉等,2007; 楊宇星等, 2007; Wanget al, 2008; Ganet al,2012; Yanget al, 2012)。Yang 等(2012)發(fā)現暖池從 20世紀90年代起出現顯著的擴張現象(圖2), 這種擴張現象在暖池的面積、體積和強度指數上均有所體現(圖 2), 在 8°—20°N, 120°—160°E 區(qū)域內這種變化尤其顯著。更進一步的分析表明在熱平衡方程中, 對于這種北擴變化起到顯著作用的是短波輻射。相比于20世紀八九十年代(1984—1993), 在20世紀90年代末到21世紀初, 在暖池北擴的關鍵區(qū)域的北部地區(qū),混合層厚度變淺, 短波輻射的分布在更淺的區(qū)域內,有利于此區(qū)域海溫升高, 西太暖池面積北擴。而關鍵區(qū)域內背景風場的減弱則可能是引起此區(qū)域內混合層厚度變淺的原因所在。
圖1 潛標陣列位置(左)及其觀測到的流速時間序列(右)Fig.1 The location of mooring array (left) and the time series measured by ADCP on the mooring array (right)(based on results of Hu et al, 2013; Zhang et al, 2014; Hu et al, 2016; Zhang et al, 2017)
暖池的形成和維持存在眾多原因, 如卷云恒溫器理論(Ramanathanet al, 1991), 大氣過程中的蒸發(fā)、濕度、低云等都對暖池形成和維持有主要作用。再如海洋環(huán)流輻聚機制, Clement等(2005)的研究指出完全的大氣過程并不能形成穩(wěn)定均一的暖池, 海洋環(huán)流在暖池的維持中起了至關重要的作用?;贑lement等(2005)的研究, 我們應用CMIP5耦合模式歷史實驗模擬探討了西北太平洋暖池平衡態(tài)維持與海洋環(huán)流模擬的關系。
對所選的26個耦合模式的海表溫度和表層海流進行了 SVD分析, 其第一主導模態(tài)即表現為熱帶區(qū)域顯著西向流偏差和舌狀的冷偏差, 而在南北緯 10°附近環(huán)流偏差為東向流, 海溫偏差向東伸展(如圖 3所示)。正是海溫和水平環(huán)流模態(tài)的這種分布形態(tài), 使得模式中暖池模擬的平衡態(tài)表現為東邊界異常西縮,暖池南北支顯著東伸。進一步對26個模式中暖池模擬顯著偏暖面積偏大和暖池模擬偏冷面積偏小的模式(各5個)進行熱量平衡分析發(fā)現:
熱量平流輸送項在暖池模擬中起到了決定性的作用。正是熱平流輸入在赤道區(qū)域表現出的顯著冷偏差(暖偏差)使得暖池東邊界和南北支顯著西縮(東伸)。而暖池異常模擬的偏大(偏小)則導致了短波輻射和長波輻射表現出負偏差(正偏差)和正偏差(負偏差)。
進一步探討造成水平輸運偏差的可能原因發(fā)現:在熱帶區(qū)域, 模式表面風場模擬偏強(偏弱), 為異常東風(西風), 產生負的渦度(北半球), 引起南赤道流加強(減弱), 引起暖池西縮(東擴), 暖池強度偏弱(偏強), 模式模擬海溫偏低(偏高), 但東太平洋模擬更低(更高), 進而加強東風(西風)異常。在此機制的探討中海溫模擬偏差的不均勻性起到了關鍵作用, 而海溫模擬偏差大值中心出現在東太平洋一方面是水平平流的作用而另一方面可能是源于垂向流的作用。異常偏東(偏西風)引起上升流(下降流), 加劇海溫負異常(正異常)。而對于暖池南支的模擬偏大或偏小的主要來源于經向平流輸送偏差, 而經向平流輸送偏差則歸因于此區(qū)域顯著的經向海溫梯度偏差。
圖2 暖池1958—2006年間年平均28℃等溫線位置(a); 暖池海表面溫度緯向平均的經向分布(b); 暖池面積緯向總和的經向分布(c); 暖池體積緯向總和的經向分布(d)(引自Yang et al, 2012)Fig.·2 Surface location of the Western Pacific warm pool (WPWP) from 1958 to 2006(a). Rectangle shows core region o2f WPWP northern edge; meridional variation of zonal means over WPWP 3core region, for (b) SST (unit: oC); (c) area index (unit: m); and (d)volume index (unit: m)(From Yang et al, 2012)
西太平洋主流系在暖池形成和變異中發(fā)揮重要作用, 進而深刻影響 ENSO的發(fā)展和預報。Wang等(2017a)基于海洋表層流場數據, 以7月份Ni?o 3.4指數作為目標, 使用提前 2—5個月的表層流場進行多元線性回歸分析, 通過相關系數的分布發(fā)現了一塊穩(wěn)定的表層流場熱點區(qū)域, 可以有效克服ENSO預報的春季障礙。該區(qū)域位于南半球南赤道流的最南側,結合海表面溫度場看, 熱點區(qū)域位于暖池的兩個暖核之間。當熱點區(qū)域為西向流異常時, 暖池東側暖核的暖水向西堆積, 將有利于El Ni?o現象的發(fā)生。反之熱點區(qū)域為東向流異常時, 暖池西側暖核的暖水向東發(fā)散, 將有利于La Ni?a現象的發(fā)生。在下一年的春季障礙前, 熱點區(qū)域的表層流場相比傳統(tǒng)統(tǒng)計預報因子暖水體積的預報相關系數平均提高了20%。這一發(fā)現也對 ENSO發(fā)展物理過程的理解注入了一些新的認識。
圖3 海表溫度和表層緯向流場26個耦合模式的模式間SVD第一主模態(tài)空間分布(a: 海表溫度,b: 表層緯向流)和模式序列(c: 海表溫度,d: 表層緯向流)Fig. 3 The fields (a: SST, b: zonal ocean current) and model series (c: SST, d: zonal ocean current) of the first mode of the SVD of zonal ocean current and SST (Var1=72.9%, Corr=0.81)
中深層海動力過程對全球氣候系統(tǒng)年代際和更長時間尺度的變異起著決定性作用, 西太平洋中深層海洋存在著尚不為人所知的動力環(huán)境及與上層海洋之間的交換過程, 是一個幾近空白的研究領域。海洋專項經過3年多的建設, 成功構建由1套全水深深海潛標和15套主流系潛標中深層典型深度的單點海流計組成的中深層環(huán)流潛標觀測網, 填補了國際上對該海域中深層環(huán)流大規(guī)模同步觀測的空白, 截止到2017年初已獲得連續(xù)2—3年高質量、高時空分辨率中深層環(huán)流的觀測數據, 為研究提供了支撐?;跐摌说葦祿? 項目自中層到深(淵)層開展了大量的分析研究工作。
首先基于西邊界潛標觀測資料和數值模擬結果,Wang等(2015)研究了西太平洋南北半球中層水的交換通道和交換周期問題, 這對于研究西太平洋水團分布和物質輸運過程有重要意義, 是認識熱帶西太平洋環(huán)流結構及其變化的國際前沿課題。潛標結果顯示棉蘭老以東的中層水及其攜帶水體鹽度均存在顯著的半年變異信號, 彼此之間有很強的相關性, 這對南北半球中層水交換起到了雙向通道的作用。半年變異信號是在西邊界區(qū)域局地產生的, 當棉蘭老島東北部為反氣旋環(huán)流時, 沿岸的北向中層流加強, 攜帶南極中層水(AAIW)向北入侵, AAIW可到達11°N。當棉蘭老島東北部為氣旋式環(huán)流時, 沿岸的南向中層流加強, 攜帶北太平洋中層水(NPIW)往南入侵,NPIW可到達7°N。這一工作為認識南北太平洋中層水交換過程提供了直接證據。
基于在暖池核心區(qū)多套潛標資料, Wang等(2016a, 2017c)分析研究了赤道太平洋中層流的時間-深度變化。發(fā)現西向的赤道中層流(EIC)存在顯著的季節(jié)性轉向的特征, 這和垂直傳播的經向第1模態(tài)年Rossby波密切相關。北中層逆流(NICC)分布在 EIC的下方, 其所在深度比前人的結果(Firing, 1987)更深,其平均流速可達到14cm/s。在140°E, 4.7°N, 潛標上的流速剖面儀還觀測到一支東向的中層流, Cravatte等(2012)基于Argo浮標在1000m層的漂移軌跡給出了這支流的氣候態(tài)特征, 而我們的潛標觀測第一次給出其時間-深度變化, 這支中層流的流向和位于2°N附近的NICC一致, 且其季節(jié)內變化周期和NICC也很相似, 因此我們命名其為第二北中層逆流(sNICC)。相對分布更深的NICC和sNICC均存在著明顯的季節(jié)內變化特征, 季節(jié)內變化周期在 60—80天左右, 而年際和季節(jié)變化均不顯著。
圖4 卡羅琳海區(qū)地形和潛標位置圖(左圖)和2014年8月—2015年10月潛標觀測的赤道中層流的玫瑰圖(右圖)Fig.4 Direction and magnitude of the velocities from moored current meters during August 2014 to October 2015 in the equatorial region of the Caroline Sea
基于潛標深層單點海流計的觀測, 項目進一步得到了西太代表性海域深層環(huán)流的一些基本結構和特征。首先, 深層環(huán)流流速大小在垂直方向上隨著深度的增加而減小, 在經向方向上自北向赤道增加; 深層環(huán)流流速變化遠大于平均值; 菲律賓海盆南北兩端中深層流以南北向經向流為主, 菲律賓海盆中部以西南-東北方向為主; 赤道區(qū)域中深層流以緯向東西交替的射流為主(圖 4)。再者, 深層環(huán)流的低頻季節(jié)變化在低緯度卡洛琳海盆較為顯著, 和風驅不同經向模態(tài)的 Rossby波垂向傳播相關; 高頻變化在近慣性頻率、全日潮、半日潮和調和頻段有峰值, 能量在潮頻輸入后通過非線性機制向高低兩側頻率傳遞,在菲律賓海盆以全日潮為主, 在卡洛琳海盆以半日潮為主。此外, 粗糙地形對近底深層環(huán)流有明顯的約束和影響: 海山地形周圍近底深層平均流速增強, 由于海山地形的阻擋可形成上升流; 粗糙地形處近底深層內潮能量有顯著增強。
西太平洋與周邊海域通過多個海峽通道進行著豐富的物質能量交換, 其中最重要的通道就是聯通印度洋和太平洋的印尼貫穿流(Indonesia Throughflow ITF, 圖5)。它是構成全球海洋環(huán)流大輸送帶的關鍵的熱分支, 是全球氣候異常的主要源地之一(Hirstet al, 1993; Schneider, 1998)。由于太平洋-印度洋海域是沃克環(huán)流、緯向和經向季風環(huán)流的交匯地, 與亞澳季風系統(tǒng)以及 El Ni?o和南方濤動(ENSO)、印度洋偶極子(IOD)等具有全球或洋盆尺度的海氣耦合系統(tǒng)都存在密切關系, 因此太平洋和印度洋之間的物質和能量交換過程及變異對全球氣候變化起著至關重要的作用(Websteret al, 1992;Schneider, 1998)。
理論和模式研究都顯示, 赤道 Rossby波在太平洋西邊界的反射和透射對 ITF流量產生影響(Clarke,1991; du Penhoatet al, 1991)。許多研究還表明ITF流量在 El Ni?o 年減少, 在 La Ni?a 年增加(Fieuxet al,1996; Meyers, 1996; Gordonet al, 1999)。最新的研究顯示, 太平洋赤道 Rossby波在西邊界的反射和透射涉及強烈的非線性效應(Yuanet al, 2004; Spallet al,2005), ITF流量同時受赤道印度洋和太平洋環(huán)流變異的影響(Murtuguddeet al, 1998; Sprintallet al, 2000;Molcardet al, 2001)。Yuan 等(2011, 2013, 2018)指出印度洋偶極子(IOD)期間的印度洋赤道開爾文波信號可以通過印尼海到達赤道西太平洋海域, 并對太平洋ENSO演變產生影響。因此, 印尼貫穿流為熱帶氣候異常信號的傳播提供了關鍵的海洋通道(圖6)。
過去關于棉蘭老流在印尼海入口海域的動力過程主要基于線性理論, 但是該理論不能解釋棉蘭老流的回流路徑, 因為根據線性理論, 棉蘭老流應當以所謂的β羽狀流深深入侵到西部蘇拉威西海。然而歷史漂流浮標軌跡顯示, 棉蘭老流僅在北馬魯古海繞了一個小彎就回到了太平洋。Wang等(2012)使用一個約化重力準地轉方程, 對兩個西邊界流在缺口附近對撞的動力機制開展了動力學研究, 發(fā)現交匯的西邊界流在寬缺口處有非線性分岔和多平衡態(tài), 其路徑變異表現為遲滯行為, 并伴有甩渦現象。Wang等(2014)進一步將以上理論拓展到非對稱的對撞過程,并使用衛(wèi)星追蹤的漂流浮標軌跡首次發(fā)現了棉蘭老流在蘇拉威西海東部的甩渦行為, 證明了印尼貫穿流源區(qū)西邊界流的強烈非線性行為(圖7)。
圖5 西太平洋與周邊海域主要環(huán)流示意圖Fig.5 The main ocean circulation in Western Pacific Ocean and its surrounding regions
圖6 印太海域IOD-ENSO前兆因子的“海洋通道”機制示意圖(摘自Yuan et al, 2013)Fig.6 Schematic of the Indo-Pacific oceanic channel dynamics controlling the IOD-ENSO precursory relation
圖7 印尼貫穿流源區(qū)棉蘭老流多平衡態(tài)路徑示意圖(上), 漂流浮標軌跡顯示棉蘭老流甩渦現象(下)(摘自Wang et al, 2014)Fig.7 Bimodal circulation patterns of the MC at the entrance of the ITF(top). The trajectories of satellite-tracked surface drifters show eddy-shedding event of the MC(bottom)
以往針對連接太平洋-印度洋的重要海域-印尼海的觀測主要局限于已知的幾個主要通道如望加錫海峽, 帝汶海峽的零星觀測(Gordonet al, 1999;Susantoet al, 2005)。國際上較為大型的綜合觀測是2004—2006年開展的INSTANT計劃, 該項目除了在印尼海上述主要海峽開展觀測外, 還對翁拜海峽、龍目海峽和利法馬托拉海峽開展了同步觀測, 獲取這些通道的流量和季節(jié)變異特征。但是, 截至2014年,國際上尚沒有針對ITF源區(qū)(西太平洋)和印尼海的同步強化觀測實驗。在海洋專項資助下, 中國科學院海洋研究所與印度尼西亞科學院海洋中心(RCO-LIPI)于2014—2017年間成功開展了連續(xù)三個印尼海域聯合科學考察航次的調查任務,首次實現了 ITF源區(qū)域流經海域的同步觀測, 特別是 2016年的聯合航次,在印尼海主要通道共布設了 10余套潛標(圖 5, 紅色點),對ITF東通道進行了較為系統(tǒng)的觀測。中印尼聯合航次首次獲取Maluku海峽開展了海流的定點連續(xù)觀測。根據該觀測資料分析并結合數值模式試驗, 揭示了棉蘭老海流在蘇拉威西海和馬魯古海峽交匯處的流徑躍變在2015—2016超強El Ni?o發(fā)生起著重要作用, 并進一步指出棉蘭老海流的流徑躍變與此區(qū)域的非線性西邊界反射具有重要聯系。
綜上所述, 中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項重點任務 2基于西太平洋和印尼海科學觀測網綜合數據, 并結合動力理論分析和數值模擬結果, 在西太平洋次表層潛流系統(tǒng)水團性質和多時間尺度變異、暖池變異形成、中深層環(huán)流結構特征和變異等領域取得了原創(chuàng)性成果, 受《Nature》主編邀請, 項目成員結合海洋專項最新成果以及國內外同行的相關工作, 對太平洋西邊界流及其氣候效應方面的研究進展進行了總結(Huet al, 2015), 文章系統(tǒng)全面地給出了太平洋西邊界流系的整體三維結構, 揭示了太平洋西邊界流系和赤道流系對ENSO的系統(tǒng)響應, 探討了西邊界流系統(tǒng)在年代際和更長時間尺度上的變化規(guī)律及其氣候效應, 并繪出了 2050—2100年西太平洋各支海流的預測, 顯著提升了我國深海大洋環(huán)流動力學研究的國際學術地位和影響力。
隨著我國國力的日益提升和國家利益的不斷拓展, 作為我國從近海挺進大洋的必由之路, 熱帶西太平洋成為我國必須重點關注的海域。在國家“一帶一路”倡議、海洋強國戰(zhàn)略的實施過程中, 掌握西太平洋的海洋環(huán)境、特別是水文和動力過程的變異規(guī)律,具有毋庸置疑的重要性和緊迫性!下一步, 項目團隊將繼續(xù)深入挖掘西太平洋和印尼??茖W觀測網的連續(xù)觀測數據, 持續(xù)該觀測網的運行并在水平和垂直方向上拓展觀測區(qū)域, 圍繞西太平洋潛流的形成機制、不同時間尺度上不同潛流分支之間的相互作用、中深層環(huán)流與上層海洋的物質能量聯系及其氣候效應、太平洋西邊界非線性反射過程等問題開展深入研究, 為我們更好的理解西太平洋全水層海洋動力過程和氣候效應等提供重要的科學基礎, 同時也對海洋動力學理論水平的提高以及氣候預測能力的改善產生重要影響, 不斷提升我國在國際海洋科學研究中的地位。
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