西風(fēng)爆發(fā)事件對(duì)暖池厄爾尼諾和冷舌厄爾尼諾的作用
——一個(gè)概念模型得到的結(jié)果

連 濤，何海倫

（1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012）

西風(fēng)爆發(fā)事件對(duì)暖池厄爾尼諾和冷舌厄爾尼諾的作用
——一個(gè)概念模型得到的結(jié)果

連 濤1，2，何海倫1，2

（1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012）

本文通過1個(gè)概念模型討論了西風(fēng)爆發(fā)事件對(duì)暖池厄爾尼諾與冷舌厄爾尼諾兩種事件的作用，并討論了它們對(duì)應(yīng)的物理機(jī)制。結(jié)果表明，由西風(fēng)爆發(fā)所誘導(dǎo)的緯向平流異常和海洋波動(dòng)對(duì)厄爾尼諾的多樣性有著至關(guān)重要的作用。由于模型包含了最基本的海-洋與大氣物理變量及其相互作用機(jī)制，本結(jié)果可為解釋西風(fēng)爆發(fā)事件對(duì)厄爾尼諾多樣性影響研究提供最基本的框架。

厄爾尼諾；西風(fēng)爆發(fā)；多樣性

0 引言

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Nin～o-Southern Oscillation，ENSO）是地球氣候系統(tǒng)中最重要的年際振蕩。其表現(xiàn)為海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）異常在熱帶東太平洋冷舌區(qū)域大范圍變暖的現(xiàn)象［1］。近年來隨著觀測數(shù)據(jù)的增多和質(zhì)量的提高，研究者們發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾現(xiàn)象伴隨的暖SST異?，F(xiàn)象有時(shí)僅發(fā)生在熱帶中太平洋暖池附近［2-3］。為與傳統(tǒng)的厄爾尼諾事件區(qū)分開，研究者們將這種中太平洋的變暖事件稱為暖池厄爾尼諾事件，而將東太平洋的變暖事件稱為冷舌厄爾尼諾事件［3］。

冷舌厄爾尼諾的動(dòng)力機(jī)制可以用經(jīng)典的上層海洋熱含量的充電-放電過程解釋［4］：當(dāng)上層海洋熱含量較高時(shí)（充電過程）會(huì)導(dǎo)致冷舌厄爾尼諾現(xiàn)象，而當(dāng)上層海洋熱含量較低時(shí)（放電過程）會(huì)導(dǎo)致熱帶東太平洋SST大范圍變冷，即拉尼娜現(xiàn)象。對(duì)暖池厄爾尼諾現(xiàn)象的原因，學(xué)術(shù)界目前仍存在較大爭議。YU et al［5］認(rèn)為北太平洋海表氣壓場會(huì)通過改變海洋表層熱通量的大小在副熱帶產(chǎn)生SST異常。這種異常通過季節(jié)變化的作用最終促發(fā)暖池厄爾尼諾的生成。ASHOK et al［2］認(rèn)為赤道太平洋溫躍層緯向梯度的減弱會(huì)利于暖池厄爾尼諾事件的發(fā)生。KUG et al［3］則認(rèn)為發(fā)生在赤道日界線附近的東向流場異常是暖池厄爾尼諾形成的關(guān)鍵。

利用高分辨率再分析資料，LIAN et al［6］提出暖池厄爾尼諾與熱帶太平洋的西風(fēng)爆發(fā)事件（Westerly Wind Burst Event，WWB）緊密相關(guān)。WWB是發(fā)生在熱帶西、中太平洋上空的一種高頻事件。當(dāng)WWB發(fā)生時(shí)，強(qiáng)烈的西風(fēng)會(huì)拖拽表層海水向東流動(dòng)。由于WWB基本發(fā)生在暖池東邊界處，所以這些東向流很容易將暖池的水向東堆積，進(jìn)而使得熱帶中太平洋SST變暖。當(dāng)熱帶太平洋此時(shí)處于充電過程時(shí)，WWB所引起的下沉開爾文波動(dòng)會(huì)加強(qiáng)赤道東太平洋SST的暖異常，加強(qiáng)冷舌厄爾尼諾的強(qiáng)度。而當(dāng)WWB發(fā)生在放電過程中時(shí)，SST的變暖會(huì)僅僅局限在熱帶中太平洋，即誘發(fā)出暖池厄爾尼諾事件。這種過程通過數(shù)值模式在他們的研究中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

LIAN et al［6］研究中所使用的模式為一個(gè)中等復(fù)雜程度的耦合模式。本文將使用一個(gè)更為簡單，僅包含最為基本的海-氣過程的概念模型來簡化LIAN et al［6］關(guān)于WWB對(duì)暖池厄爾尼諾的誘導(dǎo)和對(duì)冷舌厄爾尼諾加強(qiáng)這一物理過程的解釋。

1 數(shù)值模型介紹

概念模型也稱盒子模型，前人已經(jīng)利用它對(duì)ENSO及熱帶印度洋-太平洋三極子模態(tài)等現(xiàn)象有所研究［7-8］。本文選用的是LIAN et al［6］使用的概念模型。模型區(qū)域?yàn)闊釒窖螅?個(gè)盒子分別代表熱帶西太平洋（5°S～5°N，120°E～160°E）、熱帶中太平洋（即Nin～o 4區(qū)域，5°S～5°N，160°E～150°W）和熱帶東太平洋（5°S～5°N，150°W～90°W）。模式的垂向結(jié)構(gòu)為一個(gè)1.5層約化重力模型［8］。

模型中SST異常的控制方程為：

式中：t為時(shí)間；h為混合層深度；T，u和w分別代表SST異常，緯向海表流場異常和混合層底部垂向速度異常；λ和ε分別表示線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)耗散系數(shù)；Te代表溫躍層深度異常在混合層底部引起的卷攜，大小與對(duì)應(yīng)盒子的溫躍層深度異常相關(guān)；M（x）為一個(gè)取非負(fù)值的函數(shù)；上標(biāo)（x）與（z）分別表示緯向與垂向，（-）表示取氣候態(tài)平均。方程右側(cè)的第1項(xiàng)表示海-氣耦合過程中的線性負(fù)反饋；第2項(xiàng)和第3項(xiàng)代表緯向平流引起的SST異常變化；第4項(xiàng)和第5項(xiàng)是垂向?qū)α饕鸬腟ST異常變化；最后1項(xiàng)為SST異常的非線性衰減。

方程（1）中的Te表示由溫躍層異常而引起的混合層溫度變化，在模型中它表示為溫躍層深度異常的函數(shù)：式中：γ表示躍層的異常對(duì)次表層水溫的影響系數(shù)，η表示溫躍層深度異常，ξ為刻畫溫躍層深度異常導(dǎo)致的次表層溫度異常的無量綱參數(shù)。

模型的海表風(fēng)場異常設(shè)置在相鄰兩個(gè)盒子之間，幅度正比于相鄰兩盒子SST之差。此外，熱帶西太平洋異常海表通量也會(huì)影響到熱帶西太平洋與熱帶中太平洋之間的海表風(fēng)場異常。海表風(fēng)場的異常通過轉(zhuǎn)化為風(fēng)應(yīng)力的過程直接決定緯向海表流場異常的大小，并進(jìn)一步通過連續(xù)方程決定垂向速度的大小。此外，風(fēng)場引起的海洋開爾文波動(dòng)和羅斯貝波動(dòng)也被簡化為海表風(fēng)場的延時(shí)函數(shù)。模型的具體控制方程在文獻(xiàn)［8］中有詳盡的介紹和討論，本文中將不再贅述。模型的參數(shù)根據(jù)觀測資料計(jì)算的范圍確定［8］，由于模型區(qū)域僅限于熱帶太平洋，LIAN et al［8］中使用的一些參數(shù)在這里稍作調(diào)整（表1），以使得模型能夠在WWB加入后保持穩(wěn)定。

表1 模型中調(diào)整的參數(shù)[8]Tab.1 Adjusted parameters in model［8］

在模型中，WWB的發(fā)生位置設(shè)定在熱帶西太平洋與熱帶中太平洋盒子的交界處。每一次WWB事件風(fēng)場強(qiáng)度在時(shí)間上呈正態(tài)分布。盡管WWB的頻率、發(fā)生強(qiáng)度等屬性被部分學(xué)者認(rèn)為與SST的強(qiáng)度相關(guān)［6］。但為簡單起見，本文采用的WWB參數(shù)化過程中，WWB的發(fā)生頻率、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度均為與觀測大小相比較的隨機(jī)量。模型共進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)：一組為無WWB加入時(shí)的情景，一組為加入WWB時(shí)的情景。WWB從模型第101年加入至第200年。

2 模型的計(jì)算結(jié)果

2.1 無WWB時(shí)的結(jié)果

模型的初始值設(shè)為西太平洋SST異常TWP=0.5℃，其余盒子SST異常（TCP和TEP）為零。圖1a為模型在無外力作用下從第31年到第60年SST異常的時(shí)間序列，從圖中可以看到模型能很快調(diào)整而進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。東太平洋SST異常振蕩的極大值為0.4℃，出現(xiàn)在厄爾尼諾年的10月；振蕩的最小值為-0.6℃，出現(xiàn)在拉尼娜年的9月。TCP振幅約為TEP的1/2。在相位關(guān)系上，厄爾尼諾事件中TCP的極大值落后于TEP大約2個(gè)月，而TWP的極小值領(lǐng)先TEP極大值3個(gè)月左右；拉尼娜事件中TCP的極小值落后TEP1個(gè)月，TWP的極大值落后TEP最大負(fù)相位3個(gè)月?？傮w來說，模型的結(jié)果在太平洋部分當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時(shí)與觀測結(jié)果相比［1］盡管振幅偏小，但在簡單模型的范圍內(nèi)基本反映出了ENSO事件的主要特征。需要指出，由于在厄爾尼諾年熱帶東太平洋的增暖遠(yuǎn)大于熱帶中太平洋的增暖，模擬的厄爾尼諾皆為冷舌厄爾尼諾。圖1b給出了由小波分析得到的東太平洋SST異常的周期，可以看到，模型的主要震蕩周期為3～4 a，這也與觀測的ENSO周期吻合。

圖1 控制實(shí)驗(yàn)中3個(gè)盒子的SST異常（a），熱帶東太平洋SST異常的小波譜（b）以及模型在第31年到36年間的海表風(fēng)場異常（矢量）與溫躍層深度異常（等值線）的變化（c）Eig.1 Evolution of SST anomaly in 3 boxes of controlled experiment（a），wavelet analysis of SST anomaly in tropical eastern Pacific（b）and time-longitude evolution of sea surface wind anomaly（vector）and thermocline depth anomaly（contours）from year 31 to year 36圖a中藍(lán)色線表示熱帶西太平洋，綠色線表示熱帶中太平洋，紅色線表示熱帶東太平洋；圖b中黑色實(shí)線代表95%置信區(qū)間In fig.a，blue line represents tropical western Pacific，green line represents tropical central Pacific and red line represents tropical eastern Pacific.In fig.b，the heavy black line denotes 95%confident level

圖1 c給出了模型溫躍層深度異常與海表風(fēng)場異常隨時(shí)間增長的空間變化規(guī)律。在冷舌厄爾尼諾年份（第34年），熱帶東太平洋的溫躍層深度下降，而熱帶西太平洋溫躍層深度上升。這種溫躍層深度異常的分布與經(jīng)典的ENSO理論［4］吻合，說明模型的ENSO主要由上層海洋的充電-放電過程控制。伴隨著冷舌厄爾尼諾在東太平洋的變暖，赤道的風(fēng)場出現(xiàn)西風(fēng)異常。這種西風(fēng)異常由SST異常在東、西太平洋的差異導(dǎo)致，反過來又會(huì)通過誘導(dǎo)東向的海表流場異常和下沉開爾文波動(dòng)加強(qiáng)東太平洋的變暖。在拉尼娜年份（第32年），結(jié)構(gòu)相同、符號(hào)相反的溫躍層深度異常和海表風(fēng)場異常的分布也能明顯看出。

圖2給出了模型3個(gè)盒子SST異常在第31年到第35年各主導(dǎo)項(xiàng)隨時(shí)間的變化。在熱帶西太平洋，最大的變化來自于溫躍層深度異常而引起的卷攜項(xiàng)（圖2a）。這一項(xiàng)在冷舌厄爾尼諾年為負(fù)值，而在拉尼娜年為正值，表明西太平洋SST異常的變化主要由溫躍層深度異常所控制。而熱帶中太平洋在冷舌厄爾尼諾年變暖主要是由于東向流場異常帶來的暖水和向下的垂向流場異常對(duì)氣候態(tài)上升流的削弱（圖2b）。對(duì)于熱帶東太平洋，主要的控制項(xiàng)為溫躍層深度異常引起的卷攜項(xiàng)。這從另一個(gè)角度說明了模型的ENSO主要由上層海洋的充電-放電過程控制?？傮w來說，模型在各個(gè)區(qū)域得到的控制項(xiàng)的變化與前人利用復(fù)雜模式得到的結(jié)果相似［9］。

圖2 模型熱帶西太平洋（a），熱帶中太平洋（b）和熱帶東太平洋（c）在無WWB加入時(shí)從第31到第35年SST異常變化率Eig.2 Evolution of components of SST anomaly tendency in tropical western Pacific（a），tropical central Pacific（b）and tropical eastern Pacific（c）without WWB added from year 31 to year 35圖中藍(lán)線表示線性衰減項(xiàng)-λT；棕色實(shí)線和虛線分別表示東向的異常平流引起的對(duì)流項(xiàng)-u T（x）和氣候態(tài)平流引起的對(duì)流項(xiàng)-uT（x）；黃色實(shí)線和虛線分別表示西向的異常平流引起的對(duì)流項(xiàng)-u T（x）和氣候態(tài)平流引起的對(duì)流項(xiàng)-uT（x）；綠線表示異常垂向?qū)α黜?xiàng)-{M（w+w）-M（w）}T（z）；黑線表示由SST異常引起的對(duì)流衰減項(xiàng)-wT/h；紅線表示躍層變化的影響wγη/h；紫線表示非線性衰減項(xiàng)-εT3Blue lines are for linear damping term-λT；brown solid and dashed lines are for anomalous eastward current advection term-u T（x）and climatological eastward advection term-uT（x）；yellow solid and dashed lines are for anomalous westward current advection term-u T（x）and climatological westward advection term-uT（x）；green lines are for anomalous vertical advection term-{M（w+w）-M（w）}T（z）；black lines are for vertical advection due to SST anomaly term-w T/h；read lines are for thermocline variation induced term wγη/h；purple lines are for nonlinear damping term-εT3

2.2 加入WWB時(shí)的結(jié)果

圖3給出了模型在加入WWB后各個(gè)區(qū)域SST異常的變化。明顯的，在WWB加入后，ENSO的震蕩變得不規(guī)則，且幅度有所增加。譬如東太平洋在第119年的厄爾尼諾年份SST異常能達(dá)到1.0℃，而在第153年的拉尼娜年能到-1.0℃。更為重要的是，WWB的加入能引起中太平洋單獨(dú)增暖，即誘發(fā)暖池厄爾尼諾事件（如第127年）。在模型最后的100 a里，一共出現(xiàn)了10次增強(qiáng)的冷舌厄爾尼諾事件，而有11次暖事件主要發(fā)生在熱帶中太平洋，即暖池厄爾尼諾事件。此外，有19次暖事件熱帶東太平洋和中太平洋SST異常可以相比較，這類厄爾尼諾現(xiàn)象位置介于冷舌厄爾尼諾和暖池厄爾尼諾之間，被有些學(xué)者稱之為混合型厄爾尼諾［3］。

圖4給出了模型冷舌厄爾尼諾和暖池厄爾尼諾SST異常和海表風(fēng)場異常的合成。明顯的，冷舌厄爾尼諾的SST異常最大在熱帶東太平洋，而暖池厄爾尼諾只在熱帶中太平洋有正SST異常。此外從海表風(fēng)場異常來看，2種厄爾尼諾事件都伴隨著赤道的西風(fēng)異常，盡管冷舌厄爾尼諾事件對(duì)應(yīng)的風(fēng)場異常強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于暖池厄爾尼諾事件。

為了考察是什么因素導(dǎo)致了冷舌厄爾尼諾的加強(qiáng)和暖池厄爾尼諾的發(fā)生，我們分別分析了熱帶中太平洋和熱帶東太平洋SST異常各分量在冷舌厄爾尼諾年份和在暖池厄爾尼諾年份的變化。對(duì)于冷舌厄爾尼諾來說，控制SST異常在熱帶東太平洋增長的為由溫躍層深度變深而引起的卷攜項(xiàng)，其次為垂向平流異常（圖5b）。由于在我們的模型中，卷攜項(xiàng)的符號(hào)和局地溫躍層深度一致，且在此時(shí)均為正值，說明熱帶太平洋此時(shí)正處在充電過程中。而在熱帶中太平洋，主要的增暖來自于東向的平流異常，再次為垂向平流異常（圖5a）。

圖3 模型在加入WWB后從第101年到第200年3個(gè)區(qū)域的SST異常Eig.3 Evolution of SST anomaly in three boxes when WWBs are added from year 101 to year 200藍(lán)線，綠線和紅線分別表示熱帶西太平洋，熱帶中太平洋和熱帶東太平洋；紅色，綠色和藍(lán)色柱條分別表示冷舌厄爾尼諾年份，暖池厄爾尼諾年份和混合厄爾尼諾年份Blue，green and red lines denote tropical western Pacific，tropical central Pacific and tropical eastern Pacific，respectively.Red，green and blue bars stand for Cold-Tongue El Nin～o years，Warm-Pool El Nin～o years and mixed El Nin～o years，respectively

圖4 SST異常（等值線）與海表風(fēng)場異常（矢量）在冷舌厄爾尼諾年份（a）和暖池厄爾尼諾年份（b）的合成Eig.4 Composite of SST anomaly（contour）and sea surface wind anomaly（vector）in Cold-Tongue El Nin～o year（a）and Warm-Pool El Nin～o year（b）縱坐標(biāo)中年（0）表示厄爾尼諾當(dāng)年，年（1）表示厄爾尼諾下一年。圖5同此Year（0）and year（1）denote the year of El Nin～o and the following year，respectively.The fig.5 is same with this

對(duì)于暖池厄爾尼諾來說，在熱帶中太平洋，對(duì)其SST異常增長最大的貢獻(xiàn)項(xiàng)來自于東向的海表流場異常帶來的暖平流（圖5c）。值得注意的是，由于是合成分析的結(jié)果，且WWB的加入時(shí)間為隨機(jī)，所以在不同的時(shí)間都可以看到隨機(jī)WWB引起的開爾文波造成的垂向卷攜異常。然而，東向的海表平流異常在合成分析中一致地在暖池厄爾尼諾達(dá)到峰值前（次年1月）為主導(dǎo)項(xiàng)，說明該項(xiàng)對(duì)暖池厄爾尼諾起著決定性的作用。此外，在暖池厄爾尼諾的年份，溫躍層深度異常在熱帶東太平洋均為負(fù)值（圖5d），說明此時(shí)熱帶東太平洋正處于放電過程。這時(shí)WWB所引發(fā)的開爾文波動(dòng)對(duì)熱帶東太平洋沒有加熱作用。

圖5 熱帶中太平洋和熱帶東太平洋在冷舌厄爾尼諾年前后（a和b）及在暖池厄爾尼諾年前后（c和d）SST異常各分量的變化率Eig.5 Evolution of component of SST anomaly tendency in tropical central Pacific and tropical eastern Pacific during Cold-Tongue El Nin～o year（a and b）and during Warm-Pool El Nin～o year（c and d）圖中各線條的含義同圖2 The meanings of each line are the same as Eig.2

3 結(jié)論

在一個(gè)簡化的理論模型框架下，本文討論了WWB事件對(duì)熱帶太平洋厄爾尼諾現(xiàn)象多樣性的作用。結(jié)果表明，WWB事件可以誘發(fā)熱帶太平洋暖池厄爾尼諾現(xiàn)象，同時(shí)增強(qiáng)冷舌厄爾尼諾現(xiàn)象。哪一類厄爾尼諾現(xiàn)象能被WWB影響取決于上層海洋的充電-放電過程。當(dāng)上層海洋處于充電過程時(shí)，WWB導(dǎo)致的下層的開爾文波動(dòng)會(huì)通過加強(qiáng)熱帶東太平洋垂向卷攜而增加熱帶東太平洋SST暖異常。與此同時(shí)，WWB引起的東向暖平流會(huì)加熱熱帶中太平洋SST異常，故而從整體來講加強(qiáng)了冷舌厄爾尼諾事件的強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)上層海洋處于放電過程中時(shí)，WWB引起的波動(dòng)不足以改變熱含量的相位，所以熱帶東太平洋會(huì)保持負(fù)SST異常，但熱帶中太平洋會(huì)由于東向暖平流的作用而升溫，表現(xiàn)出暖池厄爾尼諾事件。值得注意的是，這里使用的模型僅包含了熱帶太平洋地區(qū)最基本的海-氣作用過程，所以得到的結(jié)果從最根本的角度解釋了前人利用復(fù)雜模式［6，①EEDOROV A V，HU Shi-neng，LENGAIGNE M，et al.The impact of westerly wind bursts and ocean initial state on the development，and diversity of El Nin～o events［J］.Climate Dynamics，2014，in press.］關(guān)于WWB對(duì)厄爾尼諾多樣性的作用。

（References）：

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［3］KUG J S，JIN E E，AN S I.Two types of El Nin～o events：Cold tongue El Nin～o and warm pool El Nin～o［J］.Journal of Climate，2009，22（6）：1 499-1 515.

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［9］ZEBIAK S E.Tropical atmosphere-ocean interaction and the El Ni n～o/Southern Oscillation phenomenon［D］.Massachusetts：MIT，1984.

Role of Westerly Wind Burst Event on Cold-Tongue and Warm-Pool El Nin～o：A conceptual model study

LIAN Tao1，2，HE Hai-lun1，2
（1.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，Hangzhou 310012，China；2.The Second Institute of Oceanography，SOA，Hangzhou 310012，China）

Using a simple conceptual coupled model，this study discussed the role of Westerly Wind Burst Event（WWB）on the two types of El Nin～o events（the Cold-Tongue El Nin～o type and the Warm-Pool El Nin～o type）.The results indicate that WWB induced zonal advection and oceanic waves are very important to El Nin～o diversity.Since the model just includes fundamental oceanic and atmospheric processes and their interactions，our results provide the fundamental dynamical framework of El Nin～o diversity.

El Nin～o；WWB；diversity

P732

A

1001-909X（2014）03-0009-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.03.002

連濤，何海倫.西風(fēng)爆發(fā)事件對(duì)暖池厄爾尼諾和冷舌厄爾尼諾的作用——一個(gè)概念模型得到的結(jié)果［J］.海洋學(xué)研究，2014，32（3）：9-15，

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.03.002.

LIAN Tao，HE Hai-lun.Role of Westerly Wind Burst Event on Cold-Tongue and Warm-Pool El Nin～o：A conceptual model study［J］.Journal of Marine Sciences，2014，32（3）：9-15，doi：10.3969/j.issn.1001-909X.2014.03.002.

2014-06-24…………

2014-07-09

國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助（201105018）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助（41106019，41106020）；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目資助（JT1205）

連濤（1983-），甘肅蘭州市人，博士，主要從事物理海洋學(xué)方面的研究。E-mail：liantao@sio.org.cn