周雪松，孫興池

(1. 山東省氣象服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250031； 2. 山東省氣象臺，山東 濟(jì)南 250031)

臺風(fēng)“達(dá)維”(1210)非對稱性結(jié)構(gòu)及其對風(fēng)雨分布的影響分析

周雪松1，孫興池2

(1. 山東省氣象服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250031； 2. 山東省氣象臺，山東 濟(jì)南 250031)

針對臺風(fēng)登陸后常有的顯著非對稱性特征，以2012年10號臺風(fēng)“達(dá)維”為例，利用常規(guī)觀測站、區(qū)域自動氣象站、衛(wèi)星云圖和NCEP再分析資料等，采用天氣學(xué)、統(tǒng)計學(xué)方法，定量地分析了非對稱性臺風(fēng)在登陸后結(jié)構(gòu)的變化及其對風(fēng)雨的影響機(jī)制。研究表明：臺風(fēng)非對稱結(jié)構(gòu)對風(fēng)雨的影響不僅表現(xiàn)在相對于臺風(fēng)中心不同象限量值上的差異，同時也表現(xiàn)在其量值分布形態(tài)的差異上；臺風(fēng)“達(dá)維”非對稱降水差異的主要原因是位于東部象限的強(qiáng)上升區(qū)和西北象限的下沉穩(wěn)定區(qū)；右前側(cè)低空暖濕輸送帶和對流不穩(wěn)定層結(jié)是產(chǎn)生強(qiáng)降水的主要原因。

臺風(fēng)； 非對稱結(jié)構(gòu)； 風(fēng)雨分布； 動力機(jī)制

引言

關(guān)于臺風(fēng)登陸后移動速度及臺風(fēng)結(jié)構(gòu)對風(fēng)雨影響的問題，我國很早就有相關(guān)研究。張捷遷等[1]、陳聯(lián)壽和丁一匯[2]均指出，登陸我國東南沿海的臺風(fēng)在登陸時有移速加快的現(xiàn)象；賀海晏和楊平章[3]、賀海晏[4]根據(jù)支配臺風(fēng)運(yùn)動的基本方程，分別定性地分析了地形和非絕熱加熱(尤其是降水凝結(jié)加熱)分布對臺風(fēng)移動的影響。而魏清等[5]則總結(jié)當(dāng)主要降水區(qū)位于臺風(fēng)前進(jìn)方向右(左)側(cè)時，有利于臺風(fēng)移速加大(減小)，也更容易造成強(qiáng)降水天氣。施春紅等[6]和李媛等[7]分析了臺風(fēng)相似路徑和遠(yuǎn)距離臺風(fēng)對降雨的影響。錢燕珍等[8]采用相對于臺風(fēng)中心的移動坐標(biāo)合成分析和診斷分析方法，對臺風(fēng)降水量分布特征進(jìn)行分析，討論與特大暴雨有關(guān)的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)變異。

2012年第10號臺風(fēng)“達(dá)維”在江蘇北部沿海登陸后，移動速度明顯減慢，特別是在山東境內(nèi)有一段時間幾乎處于停滯狀態(tài)，臺風(fēng)緩慢的移速和非對稱結(jié)構(gòu)給山東造成了巨大的影響?！斑_(dá)維”帶來的強(qiáng)風(fēng)、暴雨使得山東農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)損失嚴(yán)重，全省受災(zāi)人口600萬人以上。

本文主要從觀測事實(shí)出發(fā)，揭示了臺風(fēng)在山東的風(fēng)雨分布特征，同時從環(huán)流背景和中尺度結(jié)構(gòu)等方面對臺風(fēng)“達(dá)維”移速和非對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期為中高緯度臺風(fēng)移動和風(fēng)雨預(yù)報提供一些有益的幫助。

1 資料與算法

本文研究使用了我國常規(guī)觀測站資料、區(qū)域自動氣象站資料、衛(wèi)星云圖和NCEP再分析資料等。

為了更好分析臺風(fēng)造成的暴雨和大風(fēng)的分布，使用了跟隨臺風(fēng)移動的臺風(fēng)坐標(biāo)系進(jìn)行研究，即假設(shè)觀察者在移動的臺風(fēng)坐標(biāo)系原點(diǎn)處，查看相對于臺風(fēng)中心不同方位上的風(fēng)雨分布。Hughes[9]和Jordan[10]研究了相對于臺風(fēng)(熱帶風(fēng)暴)坐標(biāo)的風(fēng)雨分布，給出計算臺風(fēng)不同象限的總降水量分布的方法。本文使用相似的臺風(fēng)坐標(biāo)系研究風(fēng)雨的分布，以便更好地把握臺風(fēng)風(fēng)雨落區(qū)，提供分布模型上的參考。

移動坐標(biāo)系采用地球局地正交坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)為臺風(fēng)逐小時移動路徑的原點(diǎn)，坐標(biāo)系的X軸為正東方向。在進(jìn)行經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時使用的球面距離公式如下：

d=R×cos-1(sinα×sinβ+cosβ×cosα×cosθ)

(1)

式中：R為球面半徑；α為第一點(diǎn)緯度；β為第二點(diǎn)緯度；θ為兩點(diǎn)間經(jīng)度差，單位為rad。

降水和風(fēng)速研究使用的資料為全國逐小時區(qū)域氣象自動站資料，資料統(tǒng)計時間段為臺風(fēng)在江蘇沿海登陸至臺風(fēng)從山東北部出海時間，即2012年8月2日21時(北京時，下同)至4日02時。統(tǒng)計范圍為臺風(fēng)移動路徑200 km以內(nèi)有效降水和2 min最大風(fēng)速數(shù)據(jù)。

2 風(fēng)雨分布分析

2.1 臺風(fēng)路徑

山東省是中國北方地區(qū)受臺風(fēng)影響較高的省份，其中7、8月是臺風(fēng)影響的高發(fā)季節(jié)。2012年第10號臺風(fēng)“達(dá)維”是1949年以來首個以臺風(fēng)強(qiáng)度登陸長江以北的臺風(fēng)，并給山東造成了很大的影響。

臺風(fēng)“達(dá)維”于7月28日在西北太平洋上生成，后一直向西北方向移動；7月31日08時加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，8月1日08時加強(qiáng)為臺風(fēng)，2日21:30前后在江蘇省響水縣陳家港鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時近中心最大風(fēng)力12級(35 m·s-1)，中心最低氣壓為975 hPa；8月3日00時減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，8月3日04時進(jìn)入山東省境內(nèi)；8月3日09時減弱為熱帶風(fēng)暴，4日01:30再次入海，4日08時減弱為熱帶低壓并逐漸消失。

臺風(fēng)“達(dá)維”在山東境內(nèi)維持時間之長歷史罕見，突破1950年10號臺風(fēng)在山東境內(nèi)持續(xù)16 h的歷史記錄。臺風(fēng)“達(dá)維”8月3日03:10進(jìn)入山東省臨沂市莒南縣境內(nèi)，先后經(jīng)過臨沂市莒南、日照市莒縣、臨沂市沂南、沂水、淄博市沂源、博山、淄川、濟(jì)南市章丘、濱州市鄒平、淄博市高青、濱州市濱城、沾化和無棣，于4日01:30進(jìn)入渤海(圖1a)，在山東境內(nèi)移速慢，歷時22 h20 min。

從臺風(fēng)的移動速度看，臺風(fēng)“達(dá)維”在海上移動近似直線向東北移動，在江蘇北部登陸后，速度明顯降低，但是進(jìn)入山東省后移動速度迅速提高，但是3日下午進(jìn)入魯西北后，移動速度顯著降低，3日19時和22時，臺風(fēng)甚至停滯不動，直到臺風(fēng)從魯西北出海后，臺風(fēng)移動速度才再次加速(圖1b)。

2.2 降雨分布

本次臺風(fēng)在山東造成的暴雨強(qiáng)度大、區(qū)域集中(圖2a)。受“達(dá)維”臺風(fēng)影響，2日17時—4日08時，山東的青島、淄博、東營、濰坊、日照、濱州、煙臺等地出現(xiàn)暴雨，部分地區(qū)大暴雨，局地特大暴雨。山東全省共有1 412個區(qū)域站出現(xiàn)降雨，降雨量超過100 mm的有119個，50～100 mm的有279個，25～50 mm的有194個，最大雨量出現(xiàn)在濱州的沙頭測站，為288.8 mm；全省平均降雨量為32.8 mm。

通過對降水分布的分析，可以發(fā)現(xiàn)，本次臺風(fēng)暴雨主要集中在臺風(fēng)中心移動路徑的右側(cè)，且存在幾個降水中心，分別在魯東南和魯中地區(qū)南部、魯西北地區(qū)。而這些中心的出現(xiàn)與臺風(fēng)移動中兩次速度減小時間正好一致。分析可知，臺風(fēng)移速的突然降低可能是產(chǎn)生局地強(qiáng)降雨中心的重要因素。

圖1 “達(dá)維”臺風(fēng)路徑(a)、強(qiáng)度及移速圖(b；黑色線段為臺風(fēng)在山東時段)Fig.1 The track (a),sea level pressures and moving speeds (b;black line segment for typhoon in Shandong) of typhoon Damrey

圖2 “達(dá)維”造成的過程降雨量 (a)及最大風(fēng)速(b)分布(統(tǒng)計時段：2日17:00—4日08:00)Fig.2 Distributions of precipitation (a) and maximum wind (b) of typhoon Damrey (from 17:00 BST 2 to 08:00 BST 4 Aug.)

在以臺風(fēng)中心的移動坐標(biāo)系中，將每小時降水量數(shù)據(jù)按照四個象限分別進(jìn)行統(tǒng)計，并按照與臺風(fēng)的距離使用散點(diǎn)圖進(jìn)行分析，中心相對于臺風(fēng)移動坐標(biāo)系的距離填繪在一張圖上，即給出不同象限每小時臺風(fēng)降水量在臺風(fēng)坐標(biāo)系統(tǒng)的相對距離分布(圖3a-d)。由降水均值分析發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)降水量大值主要分布在臺風(fēng)前進(jìn)方向的東北象限；西北象限和東南象限降水量值次之；而西南象限降水很少。

圖3 “達(dá)維”1 h降雨量分布(單位：mm；a.西北象限，b.東北象限，c.西南象限，d.東南象限)Fig.3 Hourly precipitation distributions in different quadrants (units: mm; a. northwest, b. northeast, c. southwest d. southeast)

在東北象限，臺風(fēng)中心附近降水較?。浑S著離開臺風(fēng)距離的增大，降水強(qiáng)度逐漸增大。強(qiáng)降水區(qū)主要分布在離臺風(fēng)中心30～60 km的區(qū)域，其中在40 km處強(qiáng)降水最為集中，其平均降水強(qiáng)度達(dá)每小時25 mm以上，降水最大強(qiáng)度達(dá)到每小時60 mm以上，個別站點(diǎn)達(dá)到70 mm。隨著離開臺風(fēng)距離的增大，降水強(qiáng)度逐漸減?。辉?00 km以上，降水強(qiáng)度基本趨于均勻，這些區(qū)域以臺風(fēng)外圍系統(tǒng)降水為主。降水的分布也與臺風(fēng)經(jīng)典風(fēng)速的藍(lán)金模式[9]分布比較一致。

在臺風(fēng)的西北象限存在與東北象限類似的降水分布，但是降水強(qiáng)度明顯較低，僅為東北象限的一半；同時，強(qiáng)降雨區(qū)更靠近臺風(fēng)中心，在20～30 km距離處達(dá)到最大。在其他兩個象限降水強(qiáng)度比較均勻，但個別降水大值點(diǎn)位于50～100 km之間。

圖4 “達(dá)維”最大風(fēng)速分布(單位：m·s-1；a.西北象限，b.東北象限，c.西南象限，d.東南象限)Fig.4 Distributions of the maximum wind speed in different quadrants (units: m·s-1; a. northwest, b. northeast, c. southwest, d. southeast)

2.3 大風(fēng)分布

受臺風(fēng)“達(dá)維”影響，8月2日下午魯東南沿海地區(qū)風(fēng)力開始增大。日照、青島沿海出現(xiàn)平均風(fēng)力8～9級，陣風(fēng)10～11級的大風(fēng)；黃海中部風(fēng)力達(dá)10～12級；隨著臺風(fēng)“達(dá)維”在山東自東南向西北移動，臨沂、日照、濰坊、青島、淄博、濟(jì)南、濱州、東營等地先后出現(xiàn)平均風(fēng)力8～9級，陣風(fēng)10～11級的大風(fēng)(圖2b)。

對小時最大風(fēng)速(圖4a-d)分析發(fā)現(xiàn)，在東北、西北、東南象限風(fēng)速分布較為相似，最大風(fēng)速分布與陳孔沫[11]和Jelesnianski[12]提出的臺風(fēng)風(fēng)速較為類似。在40～60 km處達(dá)到最大，部分站點(diǎn)達(dá)到40 m·s-1以上，各站點(diǎn)平均值也接近10 m·s-1。而在臺風(fēng)中心和遠(yuǎn)離臺風(fēng)的位置較小，在西南象限卻不符合以上規(guī)律，風(fēng)速在近臺風(fēng)中心最大，隨著與臺風(fēng)的距離增大而減小。

由以上分析可見，臺風(fēng)“達(dá)維”影響山東時造成的風(fēng)雨分布具有很強(qiáng)的非對稱結(jié)構(gòu)，其左后側(cè)降水較少，出現(xiàn)大風(fēng)也較少；而在右前側(cè)則降水強(qiáng)，風(fēng)力大，造成了嚴(yán)重的氣象災(zāi)害。

3 臺風(fēng)的不對稱性

3.1 衛(wèi)星云圖特征

由衛(wèi)星云圖看，臺風(fēng)“達(dá)維”也具有較明顯的左右不對稱結(jié)構(gòu)。在Terra的Modis高分辨率可見光云圖(圖5a)上，臺風(fēng)“達(dá)維”的右側(cè)為明顯的對流云，且積云狀突起明顯；而在左側(cè)則以層云為主。從FY-2衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)(圖5b)可以明顯分辨出云頂高度，其中右側(cè)亮溫明顯低于左側(cè)，表明右側(cè)云系發(fā)展旺盛，云頂較高，TBB最低為217 K，而左側(cè)以中低云為主，TBB為287 K，對流發(fā)展不強(qiáng)。

圖5 2012年8日3日11:30 Terra衛(wèi)星可見光云圖(a)和FY-2的云頂亮溫(b)Fig.5 Visible satellite imagery (a) of Terra and TBB (b) of FY-2 at 11:30 BST 3 Aug. 2012

3.2 環(huán)流特征

在“達(dá)維”向西北方向移動期間，西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)一直維持少動，且范圍廣、強(qiáng)度較大，呈西北—東南塊狀分布。臺風(fēng)“達(dá)維”沿副高西南側(cè)邊緣向西北行進(jìn)。2日夜間臺風(fēng)登陸后，副高有比較明顯的東退，同時850 hPa臺風(fēng)倒槽明顯加深。

8月3日08時，臺風(fēng)移到山東境內(nèi)，588 dagpm等值線仍位于山東半島東部(圖6a)。而此時500 hPa的西風(fēng)帶低槽仍位于河套地區(qū)，與西風(fēng)帶系統(tǒng)相對應(yīng)的冷空氣還沒有影響到臺風(fēng)環(huán)流，山東沒有明顯溫度梯度，表明斜壓性不強(qiáng)。而在850 hPa(圖6b)，臺風(fēng)盡管還處于副高脊線南部，但是已經(jīng)有較明顯的溫度梯度，表明低層有弱冷空氣侵入，臺風(fēng)未來開始變性。同時，在我國東部沿海地區(qū)，可以看到有明顯的低空急流存在，從我國東部沿海一直到魯中地區(qū)，風(fēng)速都在14 m·s-1以上，這條急流為山東降水提供了豐富的水汽來源。

8月4日，臺風(fēng)“達(dá)維”離開山東并逐漸減弱后，副高又再次明顯加強(qiáng)，到4日20時，588 dagpm等值線已經(jīng)到山東西部，山東被副高控制。

圖6 2012年8月3日08時500 hPa(a)和850 hPa(b)天氣形勢圖(藍(lán)實(shí)線：等高線，單位：dagpm；紅實(shí)線：等溫線，單位：℃)Fig.6 The synoptic charts of 500 hPa(a) and 850 hPa(b) at 08:00 BST 3 Aug. 2012(blue line:geopotential height field,units:dagpm; red line: isotherm,units:℃)

3.3 動力結(jié)構(gòu)

為了研究臺風(fēng)風(fēng)雨分布的不對稱性成因，有必要對臺風(fēng)的非對稱性結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析。3日08時沿36°N的剖面圖上，在臺風(fēng)東側(cè)119～121°E附近，925 hPa至400 hPa之間存在明顯的南風(fēng)急流區(qū)，其中v分量最大值為20 m·s-1，而與之對應(yīng)的是大于-1.5 hPa·h-1的垂直上升運(yùn)動區(qū)，表明在該區(qū)域存在明顯的斜升氣流。而在臺風(fēng)的西側(cè)為偏北風(fēng)為主的弱的下沉氣流區(qū)，部分區(qū)域存在上升氣流(圖7a)。沿臺風(fēng)中心即118.2°E徑向剖面也存在類似的環(huán)流結(jié)構(gòu)，其北側(cè)37°N附近為強(qiáng)傾斜上升區(qū)，其南側(cè)為偏西風(fēng)的下沉氣流為主(圖7b)。

沿119°E和37°N的徑向和緯向剖面可以非常直觀地發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)中心東北側(cè)的700 hPa至900 hPa之間存在大范圍的東風(fēng)區(qū)，該東風(fēng)在36°N附近與偏南風(fēng)大值區(qū)共同形成了東南風(fēng)上升氣流，這一傾斜上升的急流為暴雨的發(fā)生提供了很好的水汽和能量供應(yīng)。且該急流區(qū)在空間上逐漸向上伸展到500 hPa以上(圖7c、d)。

圖7 2012年8月3日08時沿36°N和118.2°E垂直速度和水平風(fēng)分量(a,b；實(shí)線為垂直速度，單位：hPa·h-1，虛線為水平風(fēng)分量，單位：m·s-1)及沿37°N和119°E垂直速度和風(fēng)場(c,d；實(shí)線為垂直速度，單位：hPa·h-1，箭頭為風(fēng)場)Fig.7 Cross-section profiles of vertical velocity and horizontal wind vector along 36°N (a) and 118.2°E (b), and vertical velocity and wind field along 37°N (c) and 119°E (d) at 08:00 BST 3 Aug. 2012 (solid contours indicate vertical velocity, units: hPa·h-1;dotted contours indicate horizontal wind speed,units:m·s-1)

3.4 水汽與能量

臺風(fēng)“達(dá)維”影響山東期間，由于長江以南“蘇拉”的存在，在我國東部存在很好的水汽輸送通道，低空氣流表現(xiàn)尤其明顯。3日08時山東大部和江蘇850 hPa比濕均達(dá)到15 g·kg-1以上，存在高濕的環(huán)境條件，因此在強(qiáng)輻合的形勢下，臺風(fēng)東側(cè)位置有超過-30×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽輻合區(qū)，而在臺風(fēng)北側(cè)，水汽輻合迅速減小，并出現(xiàn)水汽的輻散中心(圖8a)。

圖8 3日08時850 hPa水汽通量散度(a；單位：10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)和假相當(dāng)位溫(b；單位：K)以及沿36°N(c；單位：K)和119°E(d；單位：K)的垂直剖面Fig.8 Water vapor flux divergence (a; units:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1) and pseudo equivalent potential temperature(b; units:K) at 850 hPa and on the vertical cross section along 36°N(c; units:K) and 119°E(d; units:K) at 08:00 BST 3 Aug. 2012

假相當(dāng)位溫是表征溫度和水汽的綜合性物理量，當(dāng)對流層低層出現(xiàn)高假相當(dāng)位溫區(qū)時，可以形成強(qiáng)的對流不穩(wěn)定，造成強(qiáng)降水。在臺風(fēng)“達(dá)維”影響期間，山東省均處于高溫高濕的假相當(dāng)位溫高值區(qū)，θse在348 K以上(圖8b)。通過徑向和緯向剖面(圖8c、d)可以看到，3日08時，在119°E附近，地面和500 hPa高度之間存在明顯的θse高值區(qū)，且處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，極易造成對流性天氣。同樣，在臺風(fēng)北部也存在類似的高能區(qū)。

4 結(jié)論

2012年影響山東的臺風(fēng)“達(dá)維”屬于規(guī)模小、強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)相對完整的熱帶氣旋。在影響山東初期仍維持強(qiáng)熱帶風(fēng)暴等級，在影響山東的大部分時間里，臺風(fēng)移動緩慢是造成降水較為集中的原因之一。

1)在臺風(fēng)的東北、西北、東南象限風(fēng)速分布較為相似，最大風(fēng)速分布接近于Jelesnianski 等提出的臺風(fēng)風(fēng)速模式，但是西南象限風(fēng)速分布隨著離開臺風(fēng)中心距離的增大而減少。

2)從臺風(fēng)降水的分布來看，在臺風(fēng)的東部和北部象限降水最為明顯，且存在與臺風(fēng)風(fēng)速分布的藍(lán)金模式相類似的分布形態(tài)。

3)從臺風(fēng)動力場分析看，在臺風(fēng)的東部和北部存在一個傾斜上升的低空急流，攜帶大量高溫高濕的水汽，是該區(qū)域暴雨發(fā)生的能量和水汽來源。

4)臺風(fēng)造成非對稱降水差異的主要因素是位于東部象限的強(qiáng)上升區(qū)和西北象限的下沉穩(wěn)定區(qū)，右前側(cè)低空暖濕輸送帶和對流不穩(wěn)定層結(jié)是產(chǎn)生強(qiáng)降水的主要原因。

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AstudyonasymmetricalstructureoftyphoonDamrey(No.1210)anditsimpactsonwindfieldandprecipitationdistributions

ZHOU Xuesong1, SUN Xingchi2

(1.ShandongProvincialMeteorologicalServiceCenter,Jinan250031; 2.ShandongProvincialMeteorologicalObservatory,Jinan250031,China)

In order to give more details about the asymmetric structure of typhoon after landing, a case study of typhoon Damrey was carried out by using the synoptic and statistical methods. The observation data from conventional and regional automatic weather stations, satellite imageries and NCEP reanalysis data sets were used to study the possible dynamic mechanism and impacts of asymmetric structure on wind field and precipitation. Results show that the asymmetric structure of typhoon Damrey leads to not only different distributions but also different patterns of wind field and precipitation in different quadrants. The upward movement in the east quadrant and the stable sinking in the northwest quadrant contribute to the asymmetric precipitation distribution. At the same time, the low level warm moist conveyer belt and convective instability are the main mechanism of heavy precipitation.

typhoon; asymmetric structure; distribution of wind and precipitation; dynamic mechanism

c周雪松，孫興池.臺風(fēng)“達(dá)維”(1210)非對稱性結(jié)構(gòu)及其對風(fēng)雨分布的影響分析[J].海洋氣象學(xué)報，2017,37(4)：58-64.

Zhou Xuesong, Sun Xingchi. A study on asymmetrical structure of typhoon Damrey (No.1210) and its impacts on wind field and precipitation distributions [J]. Journal of Marine Meteorology ,2017,37(4):58-64.

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.007.(in Chinese)

P457.8

A

2096-3599(2017)04-0058-07

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.04.007

2017-10-13；

2017-11-01

山東省氣象局科研項(xiàng)目(2008sdqxz02)；華東區(qū)域氣象科技協(xié)同創(chuàng)新基金合作項(xiàng)目(QYHZ201610)

周雪松(1977—)，男，碩士，高級工程師，主要從事天氣預(yù)報服務(wù)相關(guān)技術(shù)研究，cedarzhou2005@163.com。