北半球中低緯大氣太陰潮汐對Es層的影響

牛曉娟，趙光欣，呂洪方，柯 璇*

（1．江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2．武漢紡織大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430073）

北半球中低緯大氣太陰潮汐對Es層的影響

牛曉娟1，趙光欣2，呂洪方1，柯 璇1*

（1．江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2．武漢紡織大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430073）

本文采用中低緯度數(shù)個(gè)臺站的數(shù)字測高儀觀測數(shù)據(jù)分析了Es層參數(shù)的大氣太陰半日變化，結(jié)果表明：Es的臨界頻率(foEs)、遮蔽頻率(fbEs)及虛高(h'Es)中均存在太陰半日周期的振蕩。foEs和fbEs的太陰半日潮日變化及季節(jié)變化趨勢非常相似，只是foEs太陰半日潮的幅度大于fbEs太陰半日潮的幅度，兩者的相位幾乎無差值。中低緯5個(gè)臺站Es層參數(shù)的太陰半日潮幅度和相位的日變化值、季節(jié)變化值均不同，隨緯度變化。foEs和h'Es的太陰半日潮存在年變化，在不同年份的相同月份，Es太陰半日潮的幅度和相位均有不同。值得提出的是我們還發(fā)現(xiàn)武漢foEs和h'Es的太陰半日潮最大值和武漢中層和低熱層大氣太陰半日潮汐風(fēng)最大值出現(xiàn)的月份相同。

太陰潮汐；foEs；fbEs；h'Es

1 引言

大氣太陰潮汐主要是太陰引潮力對低層大氣的作用而引起的大氣太陰周期性波動。潮汐波動通過動力學(xué)作用產(chǎn)生電流進(jìn)而上傳到電離層。這些電離層的電流引起的磁場導(dǎo)致在磁力計(jì)記錄中存在太陰周期的信號。與此電流相對應(yīng)的電場引起粒子漂移，也可以引起電離層Es層和F2層參數(shù)的變化。有關(guān)Es層參數(shù)的太陰變化已經(jīng)有很多的報(bào)道[1-8]，太陰潮汐對風(fēng)剪切的影響在某種意義上體現(xiàn)在Es層的foEs、fbEs及h'Es的太陰潮汐特征上。Stening和Fejer[8]提到，在粒子漂移中探測到了太陰信號。電離層Es層和F2層的參數(shù)的太陰半日周期變化也被發(fā)現(xiàn)[10]。研究中層和低熱層的大氣太陰潮汐有助于我們了解當(dāng)太陰潮在上傳的過程中，中層的溫度和風(fēng)如何作用于它，進(jìn)而推演中層大氣的狀態(tài)。同樣，研究太陰潮汐對Es層的參數(shù)（foEs， fbEs，h'Es），在某種程度上有助于我們進(jìn)一步完善風(fēng)剪切理論[9]。近年來，人們對大氣太陰潮的研究已經(jīng)達(dá)到一定的高度，比較完善的太陰潮汐的模式也已經(jīng)提出。在本文中，我們主要分析Wakkanai、Kokubunji、Yamagawa、 Wuhan 和 Okinawa這5個(gè)北半球的中低緯臺站Es層參數(shù)的太陰半日潮的變化，并將觀測的太陰潮的相位與GSWM模式[]的計(jì)算值作對比分析，進(jìn)一步研究大氣太陰潮汐對偶發(fā)E層的影響。

2 數(shù)據(jù)及分析方法

本文采用數(shù)據(jù)來自Wuhan觀測臺DGS256數(shù)字測高儀1999年4月27日到2004年8月17日期間將近6年的觀測數(shù)據(jù)及日本的Wakkanai、Kokubunji、Yamagawa和Okinawa四個(gè)臺站的數(shù)字測高儀數(shù)年的觀測數(shù)據(jù)。表1分別給出所采用的這幾個(gè)臺站數(shù)據(jù)的年份。在數(shù)據(jù)分析過程中，我們首先對測高儀的數(shù)據(jù)做簡單的處理，得到每個(gè)參數(shù)每日的小時(shí)均值。然后將這些參數(shù)的小時(shí)均值采用最小二乘法分析Es層的幾個(gè)參數(shù)的太陰半日潮的變化特征。最小二乘法有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是不要求一天的數(shù)據(jù)必須連續(xù)。

表1 采用數(shù)據(jù)的臺站情況

3 觀測結(jié)果

圖1給出了Kokubunji 臺站6月份Es層參數(shù)（foEs, fbEs和h'Es）的太陰半日潮日變化的幅度和相位。圖1(a)是Es層foEs和fbEs的幅度和相位，(b)是foEs和h’Es的對比分析。為了方便比較，我們在做foEs和h’Es太陰潮幅度比較時(shí)，給foEs的幅度乘以10。在后面的對比分析中，foEs太陰潮的幅度均乘以10和h’Es的太陰潮幅度做比較。誤差條代表正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果太陰半日潮的幅度小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，則其值和對應(yīng)的相位不可信。由圖可見，foEs和fbEs的太陰半日潮的周日幅度變化相似，都有明顯的雙峰出現(xiàn)，一個(gè)峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)3:00，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)18:00左右。兩者相位的日變化趨勢也非常相似，在5:00-13:00期間，它們之間的相位差值比較小。但foEs的太陰潮的幅度比fbEs太陰潮的幅度大。這和Tarpley和Matsushita[6]得到的太陰潮在foEs和fbEs的太陰潮的相位相似，foEs的太陰潮幅度比fbEs的幅度大的觀點(diǎn)一致。分析表4.2的其他幾個(gè)臺站，h’Es太陰潮均在午后增強(qiáng)，foEs和h’Es的太陰潮的相位之間有明顯的相位差。在多數(shù)時(shí)間，foEs的太陰潮相位滯后于h’Es的太陰潮相位，兩者之間的相位差不穩(wěn)定。

圖1 Kokubunji 站6月份foEs, fbEs及h'Es的太陰半日潮日變化的幅度和相位，圖(a、b)中實(shí)線均是foEs, (a)和(b)中的虛線分別是fbEs 和 h'Es。圖(b)中的foEs太陰潮的幅度乘以10和h'Es的幅度比較。

3.1 季節(jié)變化

分析Kokubunji 站foEs、fbEs及h’Es的太陰潮的幅度和相位的季節(jié)變化(圖2)，其中圖(a)是foEs和遮蔽頻率的太陰潮季節(jié)變化的幅度和相位，圖(b)是foEs和h’Es的。在Kokubunji站，foEs和fbEs的太陰潮的季節(jié)變化的幅度很相似，均在春秋季比較弱，在夏季特別強(qiáng)。foEs的太陰潮幅度比fbEs的大，兩者的相位季節(jié)變化幾乎完全相同。其他幾個(gè)站的foEs和fbEs的太陰潮季節(jié)變化結(jié)果和Kokubunji站的一致，因此，后面的幾個(gè)臺站我們就只對foEs和h’Es的太陰潮的變化作對比分析。由圖(b)可見，在2-4月份，h’Es的太陰潮比較弱，沒有明顯的夏季峰出現(xiàn)。foEs的相位滯后于h’Es的相位。在2-3月份，foEs和h’Es的相位都有個(gè)跳變。從4到11月份，兩者的相位相對都比較穩(wěn)定，隨季節(jié)的變化不大。foEs的太陰潮平均相位約為7太陰時(shí)，但h’Es的太陰潮平均相位比foEs的超前4個(gè)太陰時(shí)左右，約為3太陰時(shí)。在多數(shù)月份，foEs的太陰潮相位和Matsushita的結(jié)論一致，但h’Es的太陰潮相位比其結(jié)果早約3個(gè)太陰時(shí)。

圖3給出了同樣位于北半球中緯地區(qū)的Wakkanai臺站foEs和h’Es的太陰潮的季節(jié)變化。由圖可見，Wakkanai的foEs的太陰潮在1、6及12月份都很強(qiáng)，但沒有中緯Es明顯的“夏季峰”出現(xiàn)。Es的h’Es的太陰潮在9月份幅度有最大值，Es的h’Es和foEs太陰潮間的相位差不穩(wěn)定。在多數(shù)月份，Es的foEs的太陰潮相位滯后于h'Es的相位。Es的foEs的太陰潮相位隨季節(jié)變化不是很明顯，平均相位約為6太陰時(shí)。

圖4-6分別給出了Yamagawa, Wuhan及Okinawa的Es層foEs及foEs和h’Es太陰潮汐季節(jié)變化的幅度和相位。在Yamagawa，foEs的太陰潮幅度最大值出現(xiàn)在8月份，h’Es的太陰潮在春季和9月份很強(qiáng)。在4、5、7和11月份，foEs的太陰潮相位滯后于h’Es的約3±1個(gè)太陰時(shí)。在1和8月份，兩者的相位差達(dá)到6個(gè)太陰時(shí)左右。 在Wuhan，foEs的太陰潮幅度最大值出現(xiàn)在1和8月份，幅度值約為0.2MHz。與前面分析的Wuhan中層和低熱層大氣太陰半日潮最大值出現(xiàn)的月份一致[11，12]，這可能是中層和低熱層大氣太陰潮上傳到Es層所引起的結(jié)果。在2月份，h’Es的太陰潮很弱，3月份之后，h’Es的太陰潮幾乎不隨季節(jié)變化。在1－3月份和9－11月份期間，foEs和h’Es的太陰潮相位差為2個(gè)太陰時(shí)左右。在其他月份，兩者之間的相位差比較大，且在多數(shù)月份，foEs的太陰潮相位仍然滯后于h’Es的。在Okinawa站，foEs的太陰潮在7、8月份很強(qiáng)，而h’Es的太陰潮在5到9月份都比較弱。h’Es的太陰潮在4月份最強(qiáng)，幅度值超過2 km。除過1和9月份，其他月份的foEs的太陰潮相位都滯后于h’Es的。兩者之間的相位差不穩(wěn)定，例如在9月份相差幾乎為零，但在7月份相差為6個(gè)太陰時(shí)左右。

圖 3 Wakkanai站foEs及h'Es的太陰潮的季節(jié)變化，實(shí)線是foEs，虛線是h'Es。圖中的foEs太陰潮的幅度是乘10的結(jié)果

圖4同圖3，但是Yamagawa的EsfoEs和h’Es的太陰潮的季節(jié)變化

上面提到的5個(gè)臺站，都位于北半球的中低緯地區(qū)，對比分析這5個(gè)臺站Es層參數(shù)太陰潮的季節(jié)變化。圖7給出了這5個(gè)臺站foEs的太陰潮在12個(gè)月份的幅度和相位。由圖可見，除過緯度相對較高的Wakkanai站之外，其他4個(gè)臺站foEs的太陰潮均在1月份和8月份相對比較強(qiáng)。而Wakkanai站在1和6月份比較強(qiáng)。foEs的太陰潮相位的季節(jié)變化有差異，但在多數(shù)月份，5個(gè)臺站之間的相位差很小，且平均相位約為5太陰時(shí)左右。

圖 5 同圖3， 但是Wuhan的EsfoEs和h’Es的太陰潮的季節(jié)變化

圖 6 同圖3， 但是Okinawa的EsfoEs和h’Es的太陰潮的季節(jié)變化

圖8給出了這5個(gè)臺站h’Es的太陰潮季節(jié)變化。由圖可見，同月份、不同緯度的5個(gè)臺站h’Es的太陰潮的幅度值不同，但均在5－7月份之間比較弱。各個(gè)臺站的h’Es的太陰潮相位季節(jié)變化也不相同，但在大多數(shù)月份，相位在4太陰時(shí)左右隨季節(jié)變化。Es參數(shù)的太陰潮不僅有季節(jié)變化，還隨緯度變化。

圖 7 緯度相近的Kokubunji、Wakkanai、Yamagawa, Wuhan及Okinawa 5個(gè)臺站的EsfoEs的季節(jié)變化比較

圖 8 同圖7，但是5個(gè)臺站的Esh’Es的季節(jié)變化比較

3.2 年變化

在分析Es參數(shù)的太陰變化時(shí)均采用將數(shù)年的數(shù)據(jù)一起分析，得到的是一個(gè)平均結(jié)果。那么這些參數(shù)的太陰潮究竟有沒有年變化呢？我們選擇觀測數(shù)據(jù)比較長的Kokubunji站分析Es參數(shù)太陰潮的年變化。圖9和10分別給出了Kokubunji站6月份和12月份 foEs和h’Es的年變化。選取Kokubunji站1960年到2004年45年的數(shù)據(jù)，每5年的數(shù)據(jù)為一組（如1960到1964年6月份的數(shù)據(jù)一起求得1960年6月份Es太陰潮的幅度和相位），用最小二乘法分析得到該站foEs和h’Es的太陰潮年變化的幅度和相位。同樣，將45年的數(shù)據(jù)一起采用最小二乘法也可以求得45年的平均foEs和h’Es太陰潮年變化的幅度和相位。分別選取6月份和12月份foEs和h’Es的太陰潮不同年份的幅度和相位做比較分析（圖9-10），同時(shí)，圖中也給出了45年的數(shù)據(jù)一起求得的平均的太陰潮的幅度和相位。由圖9可以看到，Kokubunji站6月份foEs和h’Es的太陰潮的幅度和相位均有年變化，且幅度的年變化比較明顯。如除過1985和2000的foEs的太陰潮的幅度小，且誤差很大，其對應(yīng)的相位不可信。從1975到2000年，foEs的太陰潮幅度偏離平均值比較大。在1975，1980，1990和1995四段時(shí)間，foEs的太陰潮明顯強(qiáng)于其他年份。h’Es的太陰潮的幅度也存在小的年變化，基本上圍繞平均值做小的變化。而foEs和h’Es的太陰潮相位隨不同年份的變化相對比較小，foEs的太陰潮相位圍繞6太陰時(shí)做小幅度的變化，h’Es的太陰潮相位的均值約為3太陰時(shí)。foEs的太陰潮相位滯后于h’Es的約3個(gè)太陰時(shí)。在12月份，foEs和h’Es的太陰潮的幅度年變化趨勢非常相似。在1960和1965的年份里，foEs和h’Es的太陰潮均比其他年份強(qiáng)。foEs的太陰潮的幅度年變化很明顯，在多數(shù)年份，比平均值大，而foEs的相位隨年份的變化不大，相位均值約為4.5太陰時(shí)。h’Es的太陰潮的幅度也存在年變化，但基本在平均值附近做小的變化。h’Es的太陰潮的相位在1970-1980之間，相位大于平均相位，隨年份逐年變化，在其他年份，相位值和平均值很接近。在12月份，foEs的相位仍滯后于h’Es的相位，兩者之間的相位差值不穩(wěn)定。Townsville的Es層太陰潮的相位分析也表現(xiàn)出年變化，但是年和年之間還是存在一定的連貫性[13-14]。在許多臺站中層和低熱層大氣太陰潮汐的分析中發(fā)現(xiàn)，大氣太陰潮汐風(fēng)有年變化的特點(diǎn)[15]。對于較長時(shí)間的數(shù)據(jù)序列，年變化就可能被平均掉。

圖9 Kokubunji站6月份 foEs和h’Es的太陰潮在不同年份的幅度和相位變化。圖中的直線代表1960－2004年所有數(shù)據(jù)一起計(jì)算的結(jié)果，其中實(shí)線表示foEs，虛線表示h’Es。圖中的foEs太陰潮的幅度是10倍的foEs太陰潮的幅度

圖10 同圖9，但是12月份的結(jié)果

4 討論與小結(jié)

本文分析了Es的幾個(gè)參數(shù)的太陰半日潮的日變化、季節(jié)變化和年變化，得到foEs和fbEs太陰潮的相位幾乎一致，但foEs太陰潮的幅度比fbEs的大。這可能是因?yàn)閒bEs和foEs的性質(zhì)不同[7]。Es的火箭和測高儀的同期觀測表明，foEs是Es層等離子體頻率的最好指數(shù)，而fbEs比等離子體頻率大百分之幾到百分之五十[16]。且計(jì)算表明，從電子濃度梯度的部分反射和小尺度電子密度的不規(guī)則散射產(chǎn)生高的foEs值。Matsushita對Es層太陰潮汐的觀測總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在多次觀測中，foEs的太陰最大時(shí)間在7h左右，而h’Es比它早一個(gè)太陰時(shí)，大約在6h左右[1]。本文的觀測表現(xiàn)出和Matsushita不完全相同的結(jié)果，h’Es的太陰潮相位比foEs的滯后約4個(gè)太陰時(shí)左右。在Darwin，foEs的太陰潮相位有4個(gè)月中表現(xiàn)出滯后于h’Es的約3小時(shí)左右，在赤道附近的Vanimo，從9到2月份，foEs的太陰潮相位和h’Es的之間存在3±1.5h的相位差[7]。Stening還提到，一般中性風(fēng)隨高度的變化是一個(gè)垂直波長約為20 km的類正弦曲線。假設(shè)太陰潮汐風(fēng)疊加在這個(gè)曲線上，而太陰半日潮汐預(yù)期的垂直波長較長，約為60－70 km。當(dāng)太陰潮汐東向達(dá)到最大時(shí)，它將取代整個(gè)東向曲線。這樣就抬高了風(fēng)轉(zhuǎn)向的高度。因而斷定，當(dāng)太陰潮汐東向達(dá)最大時(shí)，h’Es的太陰潮汐也將達(dá)最大值。因此，當(dāng)風(fēng)剪切理論成立時(shí)，太陰東向風(fēng)和h’Es的最大時(shí)間應(yīng)該一致。而決定Es強(qiáng)度的主要因子包括背景粒子濃度、存在的重粒子數(shù)量和風(fēng)剪切的強(qiáng)度。所以foEs的最大值出現(xiàn)的時(shí)間可能與這些因素有關(guān)。另外，Es層高度上的foEs和h’Es這兩個(gè)參數(shù)，在不同的當(dāng)?shù)貢r(shí)可能不同，因而他們的中性大氣太陰潮汐表現(xiàn)的特征也不同。

由風(fēng)剪切理論我們知道，當(dāng)在某一個(gè)高度上存在東向風(fēng)，而略高一點(diǎn)的高度上存在西向風(fēng)，就造成一個(gè)風(fēng)剪切。上面的離子向下運(yùn)動，下面的離子向上運(yùn)動，電離成份得到有效壓縮。因此，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)我們的理論，我們需要確定電離層E區(qū)東向的太陰潮汐風(fēng)。因?yàn)镋s層的層高每天都在變化，而且風(fēng)的相位也隨高度變化。首先我們需要知道測量那個(gè)高度的中性太陰潮汐風(fēng)的相位。圖11給出了GSWM模式計(jì)算出的北緯30度處的Wuhan站6月份96－142 km高度范圍的東向太陰半日潮的幅度和相位的高度變化剖面。由圖可見，Wuhan太陰潮汐風(fēng)的東向分量在110 km左右的高度達(dá)到最大值。因而我們首先需要求得Es層的平均高度，用這個(gè)平均高度去確定風(fēng)的相位并和模式計(jì)算的相位比較。

圖11 GSWM模式計(jì)算出的Wuhan6月份東向太陰潮汐風(fēng)的相位和幅度

表2給出了上面提到的5個(gè)臺站Es層參數(shù)的太陰變化的相位和模式的東向分量的相位的詳細(xì)對比結(jié)果。在進(jìn)行比較時(shí)，我們選取Es層的太陰潮比較強(qiáng)，幅度值可信的月份做比較。高度選取的是此年此月份Es的觀測高度的平均值。在這個(gè)高度的太陰東向分量最大值出現(xiàn)的時(shí)間來自于各臺站相對應(yīng)緯度的GSWM的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)我們的計(jì)算值和模式的值之間的相差在2太陰時(shí)內(nèi)，我們認(rèn)為和風(fēng)剪切理論一致(Stening，1999)。在表2的數(shù)據(jù)分析中我們得到，16個(gè)結(jié)果中有14個(gè)一致，所占百分比為87.5 %，與風(fēng)剪切理論符合的相當(dāng)好。

Es的foEs、fbEsfbEs及h’Es的太陰潮的日變化各個(gè)臺站不同，但在中緯臺站foEs和fbEs的太陰潮的日變化趨勢非常相似，只是foEs的太陰潮幅度大于fbEs的，兩者之間的相位幾乎無差值。Kokubunji站foEs和fbEs的太陰半日潮的日幅度變化相似，都有明顯的雙峰出現(xiàn)，一個(gè)峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)3點(diǎn)，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)18點(diǎn)左右。而h’Es的太陰潮在午后增強(qiáng)，foEs和h’Es的太陰潮的相位之間有明顯的相位差。在多數(shù)時(shí)間，foEs的相位滯后于h’Es的相位，兩者相差不穩(wěn)定。

同樣，在北半球中緯的幾個(gè)臺站的結(jié)果表明，中緯地區(qū)foEs的太陰潮幅度比fbEs的大，而兩者的相位季節(jié)變化幾乎完全相同。除過緯度相對較高的Wakkanai站之外，其他4個(gè)臺站均在1月份和8月份相對比較強(qiáng)。Wakkanai站在6和1月份比較強(qiáng)。foEs的太陰潮相位的季節(jié)變化有差異，但在多數(shù)月份，5個(gè)臺站之間的相位差很小，且平均相位約為5太陰時(shí)左右。在不同緯度的各個(gè)臺站的h’Es的太陰潮的季節(jié)變化表現(xiàn)不同，但均在5－7月份之間比較弱。各個(gè)臺站h’Es的太陰潮相位季節(jié)變化也不相同，但是在大多數(shù)月份，相位圍繞在4太陰時(shí)左右隨季節(jié)變化。Es參數(shù)的太陰潮不僅有季節(jié)變化，還隨緯度變化。另外，由武漢站的中層和低熱層大氣太陰半日潮和武漢Es層foEs及h’Es的太陰半日潮最大值出現(xiàn)的月份一致，可以得到，低層大氣太陰潮汐上傳，可能對Es層產(chǎn)生太陰周期性的影響。中緯臺站foEs和h’Es的太陰潮存在年變化，在不同年份的相同月份，Es太陰潮的幅度和相位均有不同。從GSWM模式計(jì)算的太陰潮的相位與幾個(gè)中緯度臺站的Es參數(shù)太陰變化的相位的比較來看，在大多數(shù)情況下，Es的出現(xiàn)符合風(fēng)剪切理論。

表2 5個(gè)臺站Es層參數(shù)的太陰變化的相位和模式的東向分量的相位對比結(jié)果

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Effects on Sporadic E Layer of the Lunar Atmosphere Tide at Middle Latitudes in The Northern Hemisphere

NIU Xiao-Juan1, ZHAO Guang-Xin2, Lü Hong-Fang1, KE Xuan1

（1. School of Physics & Information Engineering, JiangHan University ,Wuhan Hubei 430056, China; 2. School of science, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China）

Using the data of several ionosondes, the influence of lunar atmosphere to Es-layer is analyzed in this paper. It showed: there is lunar semidiurnal oscillation in the critical frequency (foEs), blanketing frequency (fbEs) and virtual height (h'Es) of Es-layer. The diurnal and seasonal variations of lunar tide in foEs and fbEs are very similar except the amplitude of foEs is bigger than the fbEs one. The phase’s difference of foEs and fbEs is very small. The diurnal and seasonal variations of lunar semidiurnal tide in Es are different in five stations of low-middle latitude in northern hemisphere. It varies with latitude. Both the foEs and h'Es of the lunar semidiurnal tide have year-to-year variation. At same month in different years, the amplitude and phase of the lunar semidiurnal tide in Es maybe different. It should be to point out that the lunar semidiurnal tide in Es and at MLT region in Wuhan station reach the maximum values in the same month.

lunar atmosphere tide; foes; fbEs; h'Es

P352.4

A

1009－5160(2010)03－0022－07

*通訊作者：柯璇（1963-），男，副教授，研究方向：計(jì)算物理.

國家自然科學(xué)基金（40804038）；湖北省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2005AA101C56）.