變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)對北京一次強(qiáng)降水過程的短時預(yù)報能力初探

耿建軍，肖現(xiàn)，王迎春，顧松山，Sun Juanzhen

(1.北京市氣象臺，北京100089;2.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100086;3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044;4.美國國家大氣科學(xué)研究中心，Colorado Boulder 80307)

變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)對北京一次強(qiáng)降水過程的短時預(yù)報能力初探

耿建軍1，肖現(xiàn)2，王迎春1，顧松山3，Sun Juanzhen4

(1.北京市氣象臺，北京100089;2.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100086;3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044;4.美國國家大氣科學(xué)研究中心，Colorado Boulder 80307)

利用四維變分多普勒雷達(dá)資料分析系統(tǒng)對2008年7月30日北京一次強(qiáng)降水過程反演得到的風(fēng)場和微物理場進(jìn)行分析，針對本過程中東段回波減弱消散、強(qiáng)降水區(qū)的確定、降水回波的轉(zhuǎn)向幾個短時臨近預(yù)報關(guān)鍵點進(jìn)行討論，得出如下初步結(jié)論:1)在東段降水回波減弱消散前的12～24 min，其對應(yīng)的4.7 km高度擾動溫度場正值區(qū)出現(xiàn)“U”形中空結(jié)構(gòu)，甚至在中空結(jié)構(gòu)中有負(fù)值區(qū)出現(xiàn)，同時1.7 km高度垂直速度場有上升氣流與下沉氣流分離的現(xiàn)象;2)如果4.7 km高度擾動溫度場的相對大值區(qū)在某地區(qū)持續(xù)時間較長(2 h左右)或者某區(qū)域擾動溫度迅速增加且出現(xiàn)大值中心(大于2℃)并維持，那么該區(qū)域未來1～2 h內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)降水的可能性較大;3)降水回波的轉(zhuǎn)向是受到1.7 km高度在密云、平谷境內(nèi)出現(xiàn)的反氣旋型環(huán)流西部氣流的引導(dǎo)，而該環(huán)流的出現(xiàn)則是北京西部持續(xù)強(qiáng)降水區(qū)的輻合上升氣流在中高層水平輸送到北京東部的密云、平谷境內(nèi)并在該處形成下沉輻散的反氣旋型環(huán)流反作用于降水回波所致，環(huán)流的形成早于回波轉(zhuǎn)向約1 h。

變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng);強(qiáng)降水短時預(yù)報;擾動溫度;回波轉(zhuǎn)向

0 引言

短時強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、龍卷、冰雹等災(zāi)害性天氣日益頻發(fā)，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全都造成極大影響和危害，因此對其進(jìn)行研究，提高預(yù)報預(yù)測能力極有必要。我國氣象工作者針對強(qiáng)降水過程作了大量的研究工作，陶詩言(1980)根據(jù)1953—1977年大暴雨資料研究了歷史上發(fā)生的中國大暴雨，指出暴雨在一定程度上也是中尺度現(xiàn)象，是幾種不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。孫淑清和翟國慶(1980)研究了大尺度、中尺度低空急流與暴雨發(fā)生的關(guān)系。Alpert and Shafir(1991)、孫繼松(2005)還對地形與環(huán)境風(fēng)場的相互作用過程在地形雨落區(qū)中的作用進(jìn)行了探討。與常規(guī)資料相比，雷達(dá)資料具有更高的時空分辨率，能夠很好地表征對流尺度的天氣現(xiàn)象。因此，將雷達(dá)資料加入到數(shù)值模式中能夠提供更加準(zhǔn)確的初始條件，從而提高對暴雨等中尺度天氣過程的預(yù)報和模擬能力。Sasaki(1958)首次將變分方法引入客觀分析，Ledimet and Talagrand(1986)提出伴隨方法求極值，變分方法進(jìn)入新階段。Rogers et al.(2000)利用數(shù)字雷達(dá)反射率直接調(diào)整初始場。Gao et al.(2004，2005)用ARPS-3DVAR方法同化雷達(dá)徑向速度資料，分析美國的經(jīng)典龍卷風(fēng)個例，效果非常好。Sun and Crook(1997，1998，2001)、Sun et al.(1991)作了大量的四維變分同化雷達(dá)資料技術(shù)方面的研究，證明用單多普勒雷達(dá)觀測的徑向速度和反射率，采用非靜力平衡的干模式及其伴隨，可以成功反演對流風(fēng)暴的風(fēng)場和熱力場詳細(xì)結(jié)構(gòu)。而利用多普勒雷達(dá)等資料，采用四維變分同化技術(shù)反演得出風(fēng)場、溫度場，并針對強(qiáng)降水過程短時臨近預(yù)報能力的探討還鮮有文獻(xiàn)涉及。本文將嘗試對此進(jìn)行初步探討，以期對短時臨近預(yù)報技術(shù)的發(fā)展有所助益。

1 變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)

1.1 基本原理

多普勒雷達(dá)四維變分分析系統(tǒng)(four-dimensional variational Doppler radar analysis system，簡稱VDRAS)，采用四維變分資料同化技術(shù)、云尺度數(shù)值模式及其伴隨模式，利用單部或多部多普勒雷達(dá)觀測資料，反演對流尺度風(fēng)暴的動力結(jié)構(gòu)和微物理結(jié)構(gòu)，包括三維風(fēng)場、溫度場、濕度場等。應(yīng)用于本分析系統(tǒng)中的四維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化的技術(shù)目標(biāo)是尋找一個建立在模式集成基礎(chǔ)上的初始場，其產(chǎn)生的輸出參數(shù)盡可能接近觀測結(jié)果。數(shù)值模式包括6個診斷方程，分別為3個運動學(xué)方程、1個熱力學(xué)方程、1個雨水方程以及1個總雨量方程。而表征模式輸出和觀測數(shù)據(jù)之間差異的代價函數(shù)用雷達(dá)觀測到的變量(徑向速度和反射率因子)來表示，診斷方程、物理過程參數(shù)化方案和代價函數(shù)參見Sun and Crook(1997，1998，2001)、Sun et al.(1991)。

1.2 數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制

變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)采用的是CINRAD/SA系列雷達(dá)降水21模式，9個仰角(0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°)1 km分辨率的徑向反射率因子數(shù)據(jù)和0.25 km分辨率的徑向速度數(shù)據(jù)。首先把雷達(dá)數(shù)據(jù)插值到水平方向1 km分辨率的笛卡爾坐標(biāo)系格點上，然后進(jìn)行質(zhì)量控制，垂直方向的數(shù)據(jù)則保持在各仰角層上。

在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面，用12 dBz來區(qū)分晴空和水凝物的反射率，將小于12 dBz的反射率數(shù)據(jù)視為晴空數(shù)據(jù)并舍棄;考慮地物雜波的影響，舍棄0.25 m/s以下的速度值及與其對應(yīng)的反射率數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)分析范圍是300 km×300 km×5.437 5 km，水平方向分辨率為3 km，垂直方向分辨率為375 m，模式最底層高度為187.5 m，是垂直分辨率的一半。

2 天氣實況及天氣背景

2008年7月30 日18時—31日06時(北京時，下同)，北京地區(qū)普遍出現(xiàn)了較強(qiáng)降雨，雨量分布不均，全市平均雨量23 mm，其中較大降雨區(qū)主要集中在西部地區(qū)和城區(qū)西部。7月30日18時—31日06時12 h降水量統(tǒng)計有:昌平的長陵鎮(zhèn)(雨量168 mm)、太平莊(155 mm)和延慶的大莊科(156 mm)，3個站達(dá)到特大暴雨量級;城區(qū)的永豐中學(xué)(101 mm)、展春橋(86 mm)、昌平(124 mm)、十三陵水庫(116 mm)，門頭溝的妙峰山(93 mm)、延慶的四海(96 mm)、辛莊堡(94 mm)、佛爺頂(81 mm)8個站達(dá)到大暴雨量級;另有19個站達(dá)到暴雨量級。

根據(jù)常規(guī)高空觀測，北京從29日20時起500、700、850 hPa(圖1a)均受副高外圍和8號臺風(fēng)“鳳凰”東側(cè)東南氣流影響，正是這股自東海、黃海、渤海綿延北上的東南暖濕氣流為北京后期強(qiáng)降水提供了充沛持久的水汽輸送。同時從30日08時700 hPa高空圖(圖1b)可以看出，北京及其上游的內(nèi)蒙中西部、山西、河北北部的溫度均下降了2℃左右，表明中低空有弱冷空氣侵入，這為后期天氣的觸發(fā)提供了一定的條件。而根據(jù)北京南郊觀象臺29日20時和30日08時的探空分析，K指數(shù)由23增至35，SI指數(shù)由3.96降為0.45，熱力不穩(wěn)定的條件也已具備。

根據(jù)雷達(dá)回波實時監(jiān)測，10:24開始不斷有降水回波(為便于研究，定義反射率因子強(qiáng)度在35 dBz以上的雷達(dá)回波為降水回波)從北京東南的滄州、天津、唐山一線渤海灣附近向西北方向的北京移動，回波分為東西兩部分，東段在未進(jìn)入北京前就分離(圖2a)、減弱(圖2b)、消散(圖2c);西段進(jìn)入北京，回波中心強(qiáng)度在21:06達(dá)到64 dBz(圖2d)，此段回波造成北京西部地區(qū)的局地暴雨，個別站點甚至達(dá)到大暴雨量級，隨后回波轉(zhuǎn)向從北京北部懷柔地區(qū)移出北京。

下面將根據(jù)VDRAS系統(tǒng)的分析結(jié)果對東段降水回波的減弱消散、進(jìn)入北京回波造成局地強(qiáng)降水和回波的轉(zhuǎn)向等短時臨近預(yù)報關(guān)鍵點作初步的分析討論。

3 VDRAS分析結(jié)果及討論

3.1 東段降水回波的減弱消散VDRAS分析討論

與東段回波對應(yīng)的4.7 km高度擾動溫度場原本緊密相連的完整結(jié)構(gòu)(圖3a)中，在16:17出現(xiàn)“U”形中空(圖3b)，1.7 km高度垂直速度場(圖3i)由原本緊密結(jié)合的上升(暖色調(diào))下沉氣流(冷色調(diào))間開始出現(xiàn)縫隙，即二者開始分離，12 min后回波分裂演變?yōu)閮尚K獨立回波。隨后兩塊小回波中的一塊向偏北方向移動，另一塊向偏西方向移動，逐漸遠(yuǎn)離(圖3c)。17:17(圖3d)北移小塊回波對應(yīng)的擾動溫度場再次出現(xiàn)“U”形中空結(jié)構(gòu)，同時在該結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)－0.03℃的負(fù)值區(qū)。17:29(圖3e)這種特征繼續(xù)維持，負(fù)值區(qū)的范圍略有擴(kuò)大，同時1.7 km高度垂直速度場(圖3j)反映出上升下沉氣流明顯分離。17:41(圖3f)35 dBz以上的回波輪廓線由圓滑變?yōu)榇植?，該北移小塊擾動溫度場也分裂為南北不均勻的兩小塊。18:05回波范圍縮小(圖3g)。18:17(圖3h)回波在北京通州邊界消散。

4.7 km高度擾動溫度正值區(qū)是云中固態(tài)水向液水、雨水轉(zhuǎn)化過程中潛熱釋放，使得空氣溫度升高，中低層的上升氣流將溫度升高后的氣塊抬升而形成的。16:17和17:17出現(xiàn)“U”形中空結(jié)構(gòu)甚至負(fù)值區(qū)則表明上升氣流減弱甚至消失，對流單體由上升下沉氣流并存相鄰的成熟狀態(tài)向減弱、分離、消亡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。擾動溫度場和垂直速度場結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化較實際回波發(fā)生變化的時間提前12～24 min。

3.2 西部地區(qū)局地強(qiáng)降水的VDRAS分析討論

圖1 2008年7月29日500 hPa(藍(lán)線)、700 hPa(棕線)、850 hPa(紅線)高空圖(a;單位:dagpm)，以及30日08時700 hPa高空觀測(b;紅色數(shù)字為12 h變溫，單位:℃)Fig.1 (a)Geopotential figures(units:dagpm)at 500 hPa(blue line)，700 hPa(brown line)，850 hPa(red line)on 29 July 2008，and(b)observation at 700 hPa at 08:00 BST 30 July 2008(the red number is the 12 h temperature deviation;units:℃)

本次降水過程位于北京西部地區(qū)，并在7月30日23時至7月31日00時出現(xiàn)較大降水，在該區(qū)域中存在兩個強(qiáng)降水中心，其中昌平區(qū)長陵鎮(zhèn)小時雨量達(dá)68 mm，海淀區(qū)永豐中學(xué)小時雨量達(dá)54 mm，降水分布如圖4a所示。

從4.7 km高度的擾動溫度場分析來看，從20:05起該地區(qū)就處于擾動溫度相對大值區(qū)(0.1～1℃)，這與該區(qū)域降水較大相對應(yīng)。而昌平長陵鎮(zhèn)附近擾動溫度自22:29開始升高，23:17擾動溫度相對大值區(qū)的中心值達(dá)2～3℃，這反映出該區(qū)域云中固態(tài)水向液水、雨水轉(zhuǎn)化過程中潛熱釋放較多。反觀海淀區(qū)永豐中學(xué)，其擾動溫度一直處于0.1～1℃，這在一定程度上體現(xiàn)了兩地降水量差異的原因。21:53昌平長陵鎮(zhèn)才出現(xiàn)擾動溫度相對大值區(qū)，盡管其出現(xiàn)的時間較海淀永豐中學(xué)晚了近2 h，但是其擾動溫度相對大值區(qū)中心溫度的升高速度(23:05出現(xiàn)2～3℃的擾動溫度相對大值區(qū)中心，23:17(圖4b)其范圍也達(dá)到最大)彌補(bǔ)了持續(xù)時間的缺陷。因此在強(qiáng)降水區(qū)短時臨近預(yù)報方面可以得出如下初步結(jié)論:如果4.7 km高度擾動溫度場在某地區(qū)表現(xiàn)為持續(xù)時間較長(2 h左右)的相對大值區(qū)或者相對大值區(qū)內(nèi)擾動溫度迅速升高出現(xiàn)大值中心(大于2℃)并維持，那么該區(qū)域未來1～2 h內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)降水的可能性較大。

圖2 2008年7月30日北京S波段多普勒天氣雷達(dá)1.5°基本反射率因子圖(單位:dBz)a.16:30;b.18:06;c.18:18;d.21:06Fig.21 .5°reflectivity images of S-band Doppler weather radar in Beijing on 30 July 2008(units:dBz)a.16:30 BST;b.18:06 BST;c.18:18 BST;d.21:06 BST

3.3 降水回波在西部地區(qū)移動方向轉(zhuǎn)變的VDRAS分析

20:05(圖5a)一直向西北方向移動的回波進(jìn)入城區(qū)西部地區(qū)和門頭溝、房山交界地區(qū)，而此前中低層一直維持著東南風(fēng)。20:17(圖5b)在密云、平谷及其以東地區(qū)發(fā)生變化，開始形成一個順時針方向旋轉(zhuǎn)的反氣旋型環(huán)流。21:05(圖5c)該環(huán)流中心加強(qiáng)西移至密云、通州交界，回波在環(huán)流的推動下開始轉(zhuǎn)向東北偏北方向移動。至23:41(圖5d)降水回波已經(jīng)移至延慶、昌平境內(nèi)。由于東南向氣流在行進(jìn)過程中遇到北京西部山區(qū)迎風(fēng)坡的阻擋抬升，低層輻合加強(qiáng)維持，在城區(qū)西部及西南地區(qū)的山前形成局地強(qiáng)降水。與此同時，當(dāng)?shù)爻掷m(xù)抬升的氣流不斷上升，在中高層水平輸送到位于北京東北部地區(qū)的密云、平谷及其以東地區(qū)，使得該地區(qū)的氣流由中高層向下輸送，在當(dāng)?shù)氐蛯有纬删哂休椛⑿再|(zhì)的反氣旋型環(huán)流，如此不斷循環(huán)，當(dāng)該反氣旋型環(huán)流強(qiáng)度增大到一定程度后，反作用于正在降水的降水云團(tuán)，推動其移動方向轉(zhuǎn)變，由西北向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北偏北向。

圖3 VDRAS分析的2008年7月30日4.7 km高度擾動溫度場(單位:℃;a.15:17;b.16:17;c.16:53;d.17:17;e.17:29;f.17:41;g.17:53;h.18:05)以及1.7 km高度垂直速度場(單位:m/s;i.16:17;j.17:29)(紫色曲線表示12 min后1.5°仰角35 dBz以上反射率因子輪廓線的疊加;紅色十字星代表北京S波段雷達(dá)所在位置;圖片右側(cè)標(biāo)尺上的灰色塊表征當(dāng)前高度)Fig.3 VDRAS analyzed perturbation temperature at the height of 4.7 km and vertical velocity field at the height of 1.7 km above ground over the 35 dBz reflectivity(purple contour)on the second elevation(1.5°)12 minutes later.The time shown on the bottom of each panel is the valid time for the perturbation temperature at(a)15:17 BST，(b)16:17 BST，(c)16:53 BST，(d)17:17 BST，(e)17:29 BST，(f)17:41 BST，(g)17:53 BST，(h)18:05 BST and for the vertical velocity at(i)16:17 BST，(j)17:29 BST on 30 July 2008(The red cross denotes the location of the S-band radar in Beijing;gray lump on the scale denotes the height)

圖4 2008年7月30日23時—31日00時的雨量分布(a;單位:mm)，以及VDRAS分析的2008年7月30日23:17在4.7 km高度擾動溫度場(單位:℃)和12 min后1.5°仰角35 dBz以上反射率因子輪廓線(紫色)疊加(b;圖片右側(cè)標(biāo)尺上的灰色塊表征當(dāng)前高度)Fig.4 (a)Hyetograph between 23:00 BST 30 July and 00:00 BST 31 July 2008(units:mm)，and(b)VDRAS analyzed perturbation temperature(℃)at the height of 4.7 km above ground over the 35 dBz reflectivity(purple contour)on the second elevation(1.5°)12 minutes later.The time shown on the bottom of panel is the valid time for the perturbation temperature at 23:17 BST 30 July 2008(Gray color lump on the scale denotes the height)

4 結(jié)論

利用變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)對2008年7月30日北京一次降水過程反演得到的溫度場、風(fēng)場、垂直速度場的分析，可以得出以下結(jié)論:

1)4.7km高度擾動溫度正值區(qū)是云中固態(tài)水向液水、雨水轉(zhuǎn)化過程中潛熱釋放，使得空氣溫度升高，中低層的上升氣流將溫度升高后的氣塊抬升而形成的。4.7 km高度的擾動溫度場在回波減弱消散前12～24 min，在其對應(yīng)的溫度場分布結(jié)構(gòu)上形成“U”形中空結(jié)構(gòu)甚至在中空結(jié)構(gòu)中負(fù)值區(qū)的出現(xiàn)，反映出上升氣流開始減弱，表明對流單體由成熟階段向消亡階段過渡。而同期1.7 km高度的垂直速度場則出現(xiàn)上升氣流與下沉氣流分離的現(xiàn)象。

2)根據(jù)對7月30日23時—31日00時北京西部地區(qū)局地強(qiáng)降水的分析可以發(fā)現(xiàn)，如果4.7 km高度擾動溫度場的相對大值區(qū)在某地區(qū)持續(xù)時間較長(約2 h)或者某區(qū)域擾動溫度迅速升高并出現(xiàn)大值中心(大于2℃)維持的現(xiàn)象，那么該區(qū)域未來1～2 h內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)降水的可能性較大。

3)進(jìn)入北京西部地區(qū)的降水回波的轉(zhuǎn)向，是受到了密云、平谷境內(nèi)1.7 km高度反氣旋型環(huán)流西部氣流的引導(dǎo)，此反氣旋型環(huán)流的出現(xiàn)則是因為北京西部持續(xù)強(qiáng)降水區(qū)的輻合上升氣流在中高層水平輸送到密云、平谷境內(nèi)，形成下沉輻散的反氣旋型環(huán)流反作用于降水回波所致。環(huán)流的形成早于回波轉(zhuǎn)向約1 h。

以上結(jié)論僅是針對北京地區(qū)一次強(qiáng)降水過程的個例探討的初步結(jié)論，能否對于實際臨近預(yù)報業(yè)務(wù)有所助益還需要更多個例的驗證。

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圖5 VDRAS分析的2008年7月30日1.7 km高度風(fēng)場(箭矢)和1.5°仰角35 dBz以上反射率因子輪廓線(紫色)疊加a.20:05;b.20:17;c.21:05;d.23:41Fig.5 VDRAS analysis wind vector(arrow)at the height of 1.7 km above ground and the 35 dBz reflectivity(purple contour)on the second elevation(1.5°)on 30 July 2008a.20:05 BST;b.20:17 BST;c.21:05 BST;d.23:41 BST

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A preliminary exploration on the nowcasting ability of VDRAS in a rainstorm case in Beijing

GENG Jian-jun1，XIAO Xian2，WANG Ying-chun1，GU Song-shan3，SUN Juan-zhen4

(1.Meteorological Observatory of Beijing，Beijing 100089，China;2.Institute of Urban Meteorology，CMA，Beijing 100086，China;3.School of Atmospheric Physics，NUIST，Nanjing 210044，China;4.National Center for Atmospheric Research，Colorado 80307，USA)

A four-dimensional variational Doppler radar analysis system(VDRAS)is used to analyze the three dimensional wind fields and microphysical fields of a rainstorm case in Beijing on July 30，2008.After discussing some key points in short-term and nowcasting forecast such as the weakening and dissipation of the eastern echo as well as heavy rain area and the turning of echo，some preliminary conclusions were obtained:1)12—24 minutes before the weakening and dissipation of the eastern echo，a hollow structure(even negative point)appeared in corresponding analyzed perturbation temperature positive region at the height of 4.7 km，and at the same time ascending and descending flow separated in the same region at the height of 1.7 km.2)If the duration of the analyzed perturbation temperature in some regions was higher than that in other regions for 2 hours or longer，or the perturbation temperature increased rapidly in few minutes and reached the extreme value(above 2℃)，there was a good chance that heavy rain would occur in 1—2 hours in this region.3)The turning of the echo was conducted by the western air flow of anticyclone style circulation flow at the height of 1.7 km.A convergence ascending flow was horizontally transported from western region to Miyun and Pinggu in the east-ern region，and then a divergence descending flow of anticyclone type came into being.The moving of radar echo was affected by the air flow and this flow occurred about 1 hour before the echo turning.

VDRAS;rainstorm nowcasting;perturbation temperature;echo turning

P457.6

A

1674-7097(2012)06-0730-07

2011-10-10;改回日期:2012-01-16

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY200706004)

耿建軍(1980—)，男，江蘇徐州人，碩士，工程師，研究方向為大氣探測與遙感，geng_126@126.com.

耿建軍，肖現(xiàn)，王迎春，等.2012.變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)對北京一次強(qiáng)降水過程的短時預(yù)報能力初探［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，35(6):730-736.

Geng Jian-jun，Xiao Xian，Wang Ying-chun，et al.2012.A preliminary exploration on the nowcasting ability of VDRAS in a rainstorm case in Beijing［J］.Trans Atmos Sci，35(6):730-736.(in Chinese)

(責(zé)任編輯:劉菲)