徐馳+曹世騰+李典等

摘 要：該文利用ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)資料，針對(duì)2013年8月16日沈陽(yáng)出現(xiàn)的暴雨，局地大暴雨的天氣過(guò)程，探討大尺度環(huán)流背景下，沈陽(yáng)地區(qū)雨量分布差異的原因，同時(shí)探討水汽輸送特征，重點(diǎn)分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征。結(jié)果表明：（1）沈陽(yáng)地區(qū)雨量嚴(yán)重分布不均，主要是回波在移動(dòng)的過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，北段回波影響沈陽(yáng)的中北部地區(qū)，沈陽(yáng)市區(qū)的強(qiáng)降水是在暖區(qū)環(huán)境中產(chǎn)生的“列車(chē)效應(yīng)”造成的，而不是ECMWF模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)性的鋒面降水。（2）鋒面降水未產(chǎn)生的原因：強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的不斷發(fā)展，使其后部的下沉氣流加強(qiáng)，切斷了鋒面附近的水汽供應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)性降水的減弱和消失?；夭〝嗔训脑颍夯夭ū倍卧谝苿?dòng)的過(guò)程中不斷發(fā)展，南段強(qiáng)度維持，下沉氣流同時(shí)也切斷了云團(tuán)之間的水汽供應(yīng)。（3）925hPa和850hPa水汽都來(lái)源于西太平洋，700hPa水汽來(lái)源于南海和孟加拉灣，干空氣（550hPa）主要是沿著偏西路徑。隨著強(qiáng)降水的臨近，850hPa和700hPa水汽輸送明顯加強(qiáng)。強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，700hPa層干侵入明顯，850hPa和925hPa水汽輸送平穩(wěn)。強(qiáng)降水間隙時(shí)，700hPa干侵入減弱，850hPa和925hPa水汽輸送減弱。大氣可降水量最大值較強(qiáng)降水的發(fā)生提前2～3h。

關(guān)鍵詞：暖區(qū)暴雨；ECMWF模式；誤差分析；水汽輸送

中圖分類(lèi)號(hào) P458.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）18-0111-05

沈陽(yáng)地處中高緯度地區(qū)，暴雨過(guò)程常受高、中、低緯度系統(tǒng)相互作用影響。夏季受西風(fēng)帶、副熱帶和熱帶環(huán)流的影響，極地冷空氣頻繁入侵，加上復(fù)雜地形和海洋動(dòng)力、熱力等因素的作用，使沈陽(yáng)暴雨具有強(qiáng)度大、時(shí)間集中和局地性強(qiáng)等特征，暴雨極端值較大，預(yù)報(bào)難度大，往往帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。遼寧屬于農(nóng)業(yè)大省，更有必要做好區(qū)域性暴雨分析，以利于農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)保障。目前對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的研究較多，陸忠艷等[2]從暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)出發(fā)，利用實(shí)況觀測(cè)資料和歐洲中心數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，探討預(yù)報(bào)失誤原因，結(jié)果表明，夏季暴雨預(yù)報(bào)不僅要考慮高層形勢(shì)、副熱帶高壓強(qiáng)度和位置大尺度環(huán)流形勢(shì)的變化，也要考慮有利的大尺度環(huán)流背景下易產(chǎn)生的中小尺度天氣系統(tǒng)，中尺度氣旋的強(qiáng)度和移動(dòng)路徑是預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素。張文龍等[3]認(rèn)為對(duì)流層低層的偏東風(fēng)對(duì)局地暴雨的產(chǎn)生至關(guān)重要，特別是淺薄的偏東風(fēng)。才奎志等[4]對(duì)遼寧黑山地區(qū)特大暴雨的中尺度對(duì)流條件和特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明此次強(qiáng)降水由中β尺度系統(tǒng)引起，短時(shí)大暴雨發(fā)生在能量舌邊緣，地面偏東風(fēng)和地形強(qiáng)迫抬升作用造成對(duì)流單體沿山脈東側(cè)生成、發(fā)展和移動(dòng)，最終導(dǎo)致持續(xù)對(duì)流性強(qiáng)降雨。郭虎等[5]對(duì)一次北京局地大暴雨的觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，強(qiáng)垂直風(fēng)切變可使平均氣流中的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成擾動(dòng)動(dòng)能，從而產(chǎn)生重力波觸發(fā)強(qiáng)降水。以上研究對(duì)暴雨進(jìn)行了細(xì)致的分析與探討，但對(duì)暴雨預(yù)報(bào)和分析仍需不斷完善和總結(jié)，為了更好地研究沈陽(yáng)本地暴雨特征，本研究基于ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)（區(qū)域自動(dòng)站）和非常規(guī)（雷達(dá)、衛(wèi)星、GPS）觀測(cè)資料，針對(duì)2013年8月16日（簡(jiǎn)稱“8·16”）沈陽(yáng)出現(xiàn)的暴雨，局地大暴雨的天氣過(guò)程，探討大尺度環(huán)流背景下，即沈陽(yáng)南北的動(dòng)力抬升和水汽輸送差異并不明顯的情況下，沈陽(yáng)地區(qū)雨量分布差異的原因，同時(shí)探討水汽輸送特征，重點(diǎn)分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征。

1 暴雨過(guò)程概述

2013年8月16日沈陽(yáng)市出現(xiàn)了暴雨，局地大暴雨的天氣過(guò)程，全市7個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站平均降雨量為54.1mm，最大降水量103.2mm，出現(xiàn)在法庫(kù)（區(qū)站號(hào)：54245），達(dá)大暴雨量級(jí)。全市177個(gè)區(qū)域自動(dòng)站，18站降水量大于100mm，74站降水量大于50mm，其中城區(qū)的棋盤(pán)山植物園降水量最大，為209.5mm。城區(qū)強(qiáng)降水時(shí)段為11：00—13：00時(shí)（最大雨強(qiáng)67mm/h）和15：00—16：00（最大雨強(qiáng)32.9mm/h），此次強(qiáng)降水給沈城造成了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，且多條交通干道癱瘓。此次降水過(guò)程強(qiáng)度大且雨量分布嚴(yán)重不均，從過(guò)程累計(jì)降水量（圖1b）上看，強(qiáng)降水主要集中在沈陽(yáng)的東部和北部地區(qū)，而沈陽(yáng)的西南部地區(qū)（遼中中南部）僅為小雨量級(jí)。

分析16日08：00環(huán)流背景場(chǎng)（圖1a），500hPa為淺槽活動(dòng)，850hPa切變輻合和急流特征明顯，副高斷裂為海上和大陸高壓，水汽沿?cái)嗔褞蛏蜿?yáng)上空輸送，在這種大尺度的環(huán)流背景下，沈陽(yáng)南北的動(dòng)力抬升和水汽輸送差異并不明顯，是如何產(chǎn)生沈陽(yáng)地區(qū)的差異降水？下面我們基于ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)資料，探討分析模式誤差、降水性質(zhì)及落區(qū)分布成因。

2 ECMWF模式產(chǎn)品的誤差分析

2.1 模式環(huán)流場(chǎng)檢驗(yàn) 檢驗(yàn)ECMWF模式500hPa高度預(yù)報(bào)（圖2a），貝湖附近存在低渦中心，中心強(qiáng)度為564dagpm，預(yù)報(bào)與實(shí)況相同，冷渦底部多淺槽波動(dòng)，預(yù)報(bào)強(qiáng)度較實(shí)況略偏弱。副高分為海上和大陸高壓，預(yù)報(bào)強(qiáng)度和范圍略偏弱。檢驗(yàn)850hPa風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)（圖2b），冷渦底部切變線位置和西南急流強(qiáng)度與實(shí)況基本相同。綜合檢驗(yàn)分析，ECMWF模式的環(huán)流場(chǎng)預(yù)報(bào)與實(shí)況基本相同，環(huán)流預(yù)報(bào)場(chǎng)可用。

2.2 降水量預(yù)報(bào)的穩(wěn)定性 分析不同起報(bào)時(shí)次ECMWF模式24h累計(jì)降水量預(yù)報(bào)（圖3），均預(yù)報(bào)出沈陽(yáng)地區(qū)將出現(xiàn)暴雨天氣過(guò)程。從降水分布上看，最新起報(bào)時(shí)次（15日20：00）與實(shí)況相似，都為東部和北部降水偏多，南部降水偏少。但就其極端性而言，模式并未有所體現(xiàn)，同時(shí)市區(qū)的特大暴雨模式漏報(bào)，且模式降水呈現(xiàn)向小調(diào)整趨勢(shì)。

2.3 誤差分析 分析逐3h850hPa風(fēng)場(chǎng)和3小時(shí)累計(jì)降水量預(yù)報(bào)（圖4a、4b），市區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水的時(shí)間為17：00前后，17：00—20：003h累計(jì)降水量為27mm，雨帶與切變線的位置對(duì)應(yīng)較好，說(shuō)明模式預(yù)報(bào)的降水出現(xiàn)在輻合抬升最明顯的切變線附近，對(duì)應(yīng)為系統(tǒng)性的鋒面降水。對(duì)比市區(qū)實(shí)況雨強(qiáng)變化（圖4c），城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)段為11：00—13：00（最大雨強(qiáng)67mm/h）和15：00—16：00（最大雨強(qiáng)32.9mm/h），而模式預(yù)報(bào)的17：00—20：00的降水并未發(fā)生，既模式預(yù)報(bào)的城區(qū)強(qiáng)降水開(kāi)始時(shí)間較實(shí)況晚了將近6h，且強(qiáng)度偏弱。圖2中我們檢驗(yàn)過(guò)ECMWF模式的環(huán)流場(chǎng)預(yù)報(bào)與實(shí)況基本相同，說(shuō)明模式預(yù)報(bào)的降水量誤差并不是由天氣系統(tǒng)偏差造成的，那么降水偏差究竟是怎么產(chǎn)生的？我們首先來(lái)分析一下城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水的環(huán)境場(chǎng)特征，即16日11：00850hPa風(fēng)場(chǎng)（圖4d），城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)，沈陽(yáng)地區(qū)整體被西南暖濕氣流所控制，最大風(fēng)速為20m/s，切變線在內(nèi)蒙古和吉林境內(nèi)。從環(huán)境場(chǎng)上分析，城區(qū)強(qiáng)降水是在暖區(qū)的西南氣流中產(chǎn)生，即為暖區(qū)暴雨，而不是模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)性的鋒面降水，因此造成了模式預(yù)報(bào)降水時(shí)間和量級(jí)的偏差。下面我們通過(guò)雷達(dá)拼圖來(lái)分析暖區(qū)暴雨的演變特征。endprint

圖5給出了城區(qū)強(qiáng)降水開(kāi)始前的雷達(dá)回波特征，06：30回波雨帶對(duì)應(yīng)冷切和暖切兩部分，兩條回波雨帶結(jié)構(gòu)完整，下文重點(diǎn)分析冷式切變線對(duì)應(yīng)的回波雨帶的變化特征。回波位于切變線南側(cè)西南暖濕氣流中，說(shuō)明對(duì)流云團(tuán)已脫離切變線的作用向暖濕區(qū)域移動(dòng)，即云團(tuán)在移動(dòng)的過(guò)程中，自身的傳播方向在不斷加強(qiáng)。就目前來(lái)看，沈陽(yáng)地區(qū)未來(lái)將出現(xiàn)一次強(qiáng)降水過(guò)程，但并不能分析出雨量分布嚴(yán)重不均的特征，這給臨近預(yù)警帶來(lái)一定的難度。07：30回波出現(xiàn)斷裂，分為南北兩端。08：30斷裂帶進(jìn)一步增大，北段回波東移南壓并加強(qiáng)，從移動(dòng)方向上分析，北段回波的移動(dòng)過(guò)程中高空引導(dǎo)氣流分量和自身的傳播分量相差不多。南段回波僅向南移動(dòng)，說(shuō)明其移動(dòng)過(guò)程中自身的傳播分量要大一些，南移過(guò)程中強(qiáng)度變化并不明顯。09：30回波主要位于沈陽(yáng)中北部地區(qū)。10：30市區(qū)開(kāi)始產(chǎn)生強(qiáng)降水，從回波上看，并不是受北段回波主體的影響，而是市區(qū)不斷有零散的對(duì)流云團(tuán)被激發(fā)，并向東北方向移動(dòng)發(fā)展，形成“列車(chē)效應(yīng)”。孫繼松[6]指出“列車(chē)效應(yīng)”的傳播環(huán)境需要一定的對(duì)流不穩(wěn)定，也就是一般發(fā)生在低空暖區(qū)不穩(wěn)定環(huán)境下，并大體沿著顯著氣流或低空急流方向傳播（即假相當(dāng)位溫區(qū)的高值區(qū)向低值區(qū)傳播）。但當(dāng)對(duì)流不穩(wěn)定發(fā)展到一定程度時(shí)，傳播環(huán)境將消失。分析2013年8月16日各物理量參數(shù)值（表1），08：00對(duì)流不穩(wěn)定增長(zhǎng)，低空急流造成沿低空急流軸θse梯度增大，“列車(chē)效應(yīng)”產(chǎn)生并傳播；20：00鋒面經(jīng)過(guò)，列車(chē)效應(yīng)的傳播環(huán)境基本消失。

從雷達(dá)回波中分析得到，沈陽(yáng)地區(qū)降水量分布不均，主要是回波在移動(dòng)的過(guò)程中，出現(xiàn)斷裂，北段回波影響沈陽(yáng)的中北部地區(qū)，沈陽(yáng)市區(qū)的強(qiáng)降水是在暖區(qū)環(huán)境中產(chǎn)生的“列車(chē)效應(yīng)”造成的。那么回波在移動(dòng)的過(guò)程中，為什么會(huì)出現(xiàn)斷裂？切變系統(tǒng)到來(lái)時(shí)，為什么市區(qū)沒(méi)有降水？圖6a我們給出了暖區(qū)對(duì)流對(duì)鋒面降水的影響示意圖，鋒面前部和對(duì)流云團(tuán)后部有強(qiáng)烈的下沉下流，對(duì)流發(fā)展越旺盛，其后部的下沉氣流越強(qiáng)。分析不同時(shí)刻的水汽圖特征（圖6b、6c和6d），05：00切變線附近及前部水汽供應(yīng)充足，隨著對(duì)流云團(tuán)的加強(qiáng)發(fā)展，水汽圖中切變線附近出現(xiàn)暗影區(qū)，表明水汽輸送出現(xiàn)阻隔。11：00切變線附近已無(wú)水汽輸送，同時(shí)西南氣流中水汽輸送分為東、西兩部分。綜合分析，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的不斷發(fā)展，使其后部的下沉氣流加強(qiáng)，切斷了鋒面附近的水汽供應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性降水的減弱和消失。同時(shí)回波北段在移動(dòng)的過(guò)程中不斷發(fā)展，南段強(qiáng)度維持，下沉氣流同時(shí)也切斷了云團(tuán)之間的水汽供應(yīng)，因此回波出現(xiàn)斷裂。

3 水汽條件分析

此次降水之所以強(qiáng)度強(qiáng)、量級(jí)大，源于不斷的水汽供應(yīng)，且存在干冷空氣的入侵，下面我們重點(diǎn)分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征。

3.1 干、濕空氣路徑分析 分析8月16日08：00探空曲線（圖7a），850hPa以下為濕層，850～500hPa存在干侵入，為干濕混合層。在濕層中，比濕超過(guò)了15g/kg，08：00925hPa風(fēng)速已達(dá)到20m/s，低空急流的建立為沈城輸送暖濕空氣。為進(jìn)一步分析濕層水汽的源地，本文基于NOAA提供的全球1°×1°再分析資料，采用HYSPLIT模式，后向積分120h，對(duì)氣塊的軌跡進(jìn)行模擬，每隔6h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置。圖7b給出了925hPa、850hPa和700hPa氣塊的模擬軌跡，925hPa和850hPa水汽都來(lái)源于西太平洋，925hPa水汽是沿沿海向沈陽(yáng)輸送，850hPa水汽是經(jīng)內(nèi)陸向沈陽(yáng)輸出，因此在探空曲線濕層中越靠近地面，濕度越大。700hPa水汽來(lái)源于南海和孟加拉灣。由于干侵入最明顯的位于600～500hPa（溫度露點(diǎn)差為15℃），為分析干空氣源地，模擬了550hPa氣塊的移動(dòng)軌跡（圖7c），550hPa干空氣主要是沿著偏西路徑，在河套附近堆積后輸送到沈陽(yáng)地區(qū)。

分析強(qiáng)降水前后中低層（700hPa、850hPa和925hPa）氣塊的移動(dòng)路徑，制作圖8。對(duì)比16日08：00（圖7b）和11：00（圖8a）水汽路徑變化，隨著強(qiáng)降水的臨近，925hPa水汽的移動(dòng)路徑基本未發(fā)生變化，即從西太平洋沿沿海源源不斷的向沈陽(yáng)地區(qū)輸送。850hPa水汽的起始點(diǎn)11：00較08：00明顯向東伸，這表明水汽輸送的進(jìn)一步加強(qiáng)。700hPa來(lái)源于南海和孟加拉灣的水汽也明顯加強(qiáng)。分析氣塊的垂直路徑，08：00700hPa氣塊開(kāi)始是由高層（550hPa以上）逐漸向700hPa層輸送，700hPa層濕區(qū)并不明顯。11：00700hPa氣塊路徑基本是圍繞700hPa層震蕩，因此其濕區(qū)要較08：00明顯，從水平路徑中也可看出。08：00850hPa氣塊圍繞850hPa層震蕩輸送，11：00則完全由低層（900hPa以下）向其輸送，表明其濕區(qū)的進(jìn)一步加強(qiáng)。08：00和11：00，925hPa層輸送前后變化不明顯，即圍繞925hPa層震蕩。從上述分析得知，隨著強(qiáng)降水的臨近，700hPa和850hPa水汽輸送明顯增加，水汽由其本層或上層輸送轉(zhuǎn)變?yōu)橛上聦酉蚱漭斔汀?/p>

16日11：00—16：00，沈陽(yáng)城區(qū)發(fā)生強(qiáng)降水，其中13：00—15：00，部分時(shí)間存在空歇。分析圖8b至圖8f，16日12：00（圖8b），700hPa氣塊路徑源于新疆，與500hPa氣塊路徑（圖7c）相似，表明700hPa層存在明顯干侵入，在其垂直路徑中也表現(xiàn)相應(yīng)的特征，700hPa氣塊源于400hPa層，這為對(duì)流的產(chǎn)生提供動(dòng)力條件。11：00—12：00，沈陽(yáng)城區(qū)出現(xiàn)了小時(shí)最大雨強(qiáng)為67.1mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。13：00（圖8c）和14：00（圖8d），850hPa和925hPa在垂直方向上水汽輸送路徑發(fā)生了變化，14：00水汽源及路徑較之前的層數(shù)高，表明水汽輸送的減弱，實(shí)況中降水明顯減弱，至出現(xiàn)了零星的小陣雨天氣。15：00（圖8e）和16：00（圖8f）短時(shí)強(qiáng)降水再次爆發(fā)，從氣塊路徑來(lái)看，925hPa水汽恢復(fù)低層輸送，700hPa存在干侵入，有利短時(shí)強(qiáng)降水的再次發(fā)生。從上述分析得知，強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，700hPa層干侵入明顯，850hPa和925hPa水汽輸送平穩(wěn)。強(qiáng)降水間隙時(shí)，700hPa干侵入減弱，850hPa和925hPa水汽輸送減弱。endprint

3.2 大氣可降水量 研究表明[7-9]，夏季暴雨一般發(fā)生在大氣可降水量從波谷到波峰的上升過(guò)程中，大氣可降水量的持續(xù)性遞增、遞減預(yù)示著降水的開(kāi)始與結(jié)束。分析沈陽(yáng)站逐小時(shí)大氣可降水量和小時(shí)雨強(qiáng)的時(shí)間序列圖（圖9），15日20：00—16日08：00，大氣可降水量持續(xù)性遞增，并在16日08：00達(dá)到最大，為65.6mm，這表明水汽的不斷的積累，大氣可降水量最大值較強(qiáng)降水的發(fā)生提前2～3h。強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，大氣可降水量存在小幅波動(dòng)。強(qiáng)降水過(guò)后，大氣可將水量并未迅速下降，主要是這期間降水云團(tuán)移動(dòng)到遼寧的東北部地區(qū)，在沈陽(yáng)上空形成一條自西南向東北方向輸送的水汽通道。

4 結(jié)論

本文基于ECMWF模式產(chǎn)品、常規(guī)（區(qū)域自動(dòng)站）和非常規(guī)（雷達(dá)、衛(wèi)星、GPS）觀測(cè)資料，針對(duì)2013年8月16日沈陽(yáng)出現(xiàn)的暴雨，局地大暴雨的天氣過(guò)程，探討大尺度環(huán)流背景下，即沈陽(yáng)南北的動(dòng)力抬升和水汽輸送差異并不明顯的情況下，沈陽(yáng)地區(qū)雨量分布差異的原因，同時(shí)探討水汽輸送特征，重點(diǎn)分析干、濕空氣路徑和大氣可降水量特征，結(jié)果表明：

（1）沈陽(yáng)地區(qū)雨量嚴(yán)重分布不均，主要是回波在移動(dòng)的過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，北段回波影響沈陽(yáng)的中北部地區(qū)，沈陽(yáng)市區(qū)的強(qiáng)降水是在暖區(qū)環(huán)境中產(chǎn)生的“列車(chē)效應(yīng)”造成的，而不是ECMWF模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)性的鋒面降水。

（2）鋒面降水未產(chǎn)生的原因：強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的不斷發(fā)展，使其后部的下沉氣流加強(qiáng)，切斷了鋒面附近的水汽供應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致模式預(yù)報(bào)的系統(tǒng)性降水的減弱和消失。回波斷裂的原因：回波北段在移動(dòng)的過(guò)程中不斷發(fā)展，南段強(qiáng)度維持，下沉氣流同時(shí)也切斷了云團(tuán)之間的水汽供應(yīng)。

（3）分析水汽移動(dòng)路徑：925hPa和850hPa水汽都來(lái)源于西太平洋，700hPa水汽來(lái)源于南海和孟加拉灣，干空氣（550hPa）主要是沿著偏西路徑，在河套附近堆積后輸送到沈陽(yáng)地區(qū)。隨著強(qiáng)降水的臨近，850hPa和700hPa水汽輸送明顯加強(qiáng)，水汽由其本層或上層輸送轉(zhuǎn)變?yōu)橛上聦酉蚱漭斔?。?qiáng)降水發(fā)生時(shí)，700hPa層干侵入明顯，850hPa和925hPa水汽輸送平穩(wěn)。強(qiáng)降水間隙時(shí)，700hPa干侵入減弱，850hPa和925hPa水汽輸送減弱。大氣可降水量最大值較強(qiáng)降水的發(fā)生提前2～3h。

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（責(zé)編：張宏民）endprint