熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)表面海浪場(chǎng)的影響

洪新，趙瑋，候查偉

（1.國(guó)家海洋局煙臺(tái)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東煙臺(tái) 264006；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島 266100）

1 引言

熱帶氣旋是熱帶或副熱帶海區(qū)最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，其帶來(lái)的狂風(fēng)、巨浪、暴雨和風(fēng)暴潮等惡劣海洋天氣現(xiàn)象每年都對(duì)我國(guó)海上石油平臺(tái)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸以及沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全造成嚴(yán)重威脅和巨大損失，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)熱帶氣旋的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及熱帶氣旋產(chǎn)生的海浪對(duì)減災(zāi)具有重大意義。由于熱帶氣旋下海浪場(chǎng)的空間分布特征主要依賴于熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)，因此了解風(fēng)場(chǎng)的細(xì)結(jié)構(gòu)如何影響海浪場(chǎng)是十分必要地。

過去幾十年，通過觀測(cè)研究和數(shù)值模擬的方法做了大量努力來(lái)研究熱帶氣旋下海浪場(chǎng)對(duì)風(fēng)的響應(yīng)。通過數(shù)據(jù)分析已經(jīng)證實(shí)了熱帶氣旋移動(dòng)速度，最大風(fēng)速，最大風(fēng)速半徑以及先前生成的并隨著氣旋移動(dòng)的涌浪是海浪平均要素空間分布特征的最主要影響因素[1-7]。Wright等[8]和 Walsh 等[9]用 NASA機(jī)載掃描雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)首次研究了熱帶氣旋Bonnie在開闊大洋和登陸情況下各象限的海浪方向譜的空間分布特征。Young[10]用全面的方向海浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)提供了在熱帶氣旋通過時(shí)的海浪方向譜。另一方面，海浪模式也被用來(lái)研究熱帶氣旋下的海浪場(chǎng)而沒有觀測(cè)的限制，并且海浪模式的模擬結(jié)果已經(jīng)被證實(shí)了與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果符合的很好，可以被用來(lái)研究熱帶氣旋下海浪場(chǎng)的特征及其影響因素[11-18]。Moon 等[11]用WAVEWATCHIII（WW3）模式模擬了熱帶氣旋Bonnie下的海浪方向譜，與實(shí)際觀測(cè)符合的很好且進(jìn)一步研究了熱帶氣旋移動(dòng)速度對(duì)方向譜的影響。其他一些研究用WW3或SWAN模式探討了熱帶氣旋強(qiáng)度，風(fēng)場(chǎng)分布，背景風(fēng)場(chǎng)，最大風(fēng)速半徑，與氣旋中心相對(duì)距離以及入流角度對(duì)海浪平均要素和方向譜的影響[13-14,19-20]。然而，海浪場(chǎng)對(duì)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性的響應(yīng)卻并沒有受到關(guān)注，而已有研究發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)和對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)下海浪的空間分布特征是不同的[20-21]。

在Zhao and Hong文章中[21]，我們用WW3海浪模式研究了熱帶氣旋入流角度對(duì)海浪場(chǎng)的影響。在這個(gè)研究中我們用同樣的方法致力于探討熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)海浪場(chǎng)的影響。為了這個(gè)目的，我們選了五個(gè)具有不同非對(duì)稱性風(fēng)場(chǎng)的理想熱帶氣旋做敏感性實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果作對(duì)比。第二部分中會(huì)介紹WW3海浪模式。第三部分我們介紹了敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算方法。第四部分討論熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)海浪場(chǎng)的影響。第五部分給出結(jié)論。

2 WAVEWATCHIII海浪模式介紹及設(shè)置

WAVEWATCHIII（WW3）模式是由NOAA/NCEP開發(fā)的高分辨率表面海浪模式。它是繼Delft University of Technology研發(fā)的WAVEWATCHI和NASA Goddard Space Flight Center研發(fā)的WAVE?WATCHII之后的第三代海浪模式。WW3海浪模式中的源函數(shù)包括風(fēng)-浪相互作用項(xiàng)Sin，波-波相互作用項(xiàng)Snl，白冠耗散Sds，在淺水中還要考慮底摩擦耗散項(xiàng)Sbot。它在假設(shè)介質(zhì)（深度和海流）和海浪場(chǎng)在時(shí)間和空間尺度上的變化比單個(gè)波變化尺度要大得多的情況下，解決了方向波數(shù)譜的譜密度平衡方程。但是模式不包括海浪受深度限制的情況，這就意味著WW3模式可以應(yīng)用在空間尺度超過1—10km并且在海浪破碎帶之外的海域。這個(gè)海浪模式可以輸出網(wǎng)格區(qū)域的海浪方向譜以及有效波高（）、平均波長(zhǎng)（）、平均波周期（）、平均波向、峰頻、峰向等平均海浪要素。其中，E是譜能量，k是波數(shù)，σ是角頻率。峰頻是通過對(duì)一維頻譜的離散峰值進(jìn)行拋物線擬合計(jì)算獲得的。峰的波數(shù)（波長(zhǎng)）是利用頻散關(guān)系和峰頻計(jì)算獲得的。

本研究中WW3模式的模擬空間范圍為經(jīng)向2000 km，緯向3500 km，平均水深5000 m,空間分辨率為9 km×9 km，譜分辨率為48個(gè)方向（7.5°），25個(gè)頻率（從0.0418到0.41），風(fēng)能輸入時(shí)間間隔為600 s，海浪要素平均參數(shù)輸出時(shí)間步長(zhǎng)為3600 s。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究熱帶氣旋應(yīng)力下風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)海浪場(chǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)中選取三級(jí)理想熱帶氣旋（根據(jù)Saffir-Simpson分級(jí)方法）的風(fēng)場(chǎng)作為模式的輸入風(fēng)場(chǎng)，其包括Willoughby理想風(fēng)剖面，移動(dòng)速度和SLOSH入流角度三個(gè)部分。其中，Wil?loughby理想風(fēng)剖面是通過一個(gè)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)模型計(jì)算獲得的隨半徑變化的軸對(duì)稱切向風(fēng)[22-23]，SLOSH入流角度是由美國(guó)NOAA的SLOSH技術(shù)報(bào)告中基于大量觀測(cè)數(shù)據(jù)建立的入流角度統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算獲得[24]。在此基礎(chǔ)上，通過一個(gè)因數(shù)來(lái)改變熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性，它可以表述為：U=U0× [a-(1-a)× cos?w]。其中，U代表非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速，U0是對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速，a是非對(duì)稱因子，?w是風(fēng)向。

在這個(gè)研究中我們用了5個(gè)理想熱帶氣旋來(lái)探討風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)表面海浪場(chǎng)的影響（見表1）。在這些實(shí)驗(yàn)中，最大風(fēng)速和最大風(fēng)速半徑分別為56 m/s和50 km。假設(shè)熱帶氣旋以5 m/s的速度在深度為5000 m，范圍為經(jīng)向3500 km，緯向2000 km的矩形大洋上勻速直線移動(dòng)（見圖1）。圖1中矢量代表風(fēng)的大小（m/s）和方向，空心長(zhǎng)箭頭代表熱帶氣旋移動(dòng)方向，等值線代表等風(fēng)速線，單位為m/s。風(fēng)場(chǎng)的最大風(fēng)速為56 m/s，最大風(fēng)速半徑為50 km，入流角度為SLOSH報(bào)告中入流角度統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算獲得的隨半徑變化的值。風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間分辨率為600 s，空間分辨率為9 km×9 km。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖1 WW3海浪模式的模擬區(qū)域以及理想熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)分布圖

圖2 熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的空間分布特征隨非對(duì)稱性增強(qiáng)的變化

圖3 有效波高（顏色，單位/m）和平均波向（矢量）的空間分布特征隨熱帶氣旋非對(duì)稱性增強(qiáng)的變化

模式共運(yùn)行72 h，由于模式積分所利用的理想風(fēng)場(chǎng)，熱帶氣旋中心以恒定速度自東向西移動(dòng)，而其風(fēng)速大小相對(duì)于氣旋中心是恒定的，則模式計(jì)算區(qū)域內(nèi)海浪平均要素隨時(shí)間發(fā)展將會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中有效波高在24 h后可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在下面的討論中我們只對(duì)第72 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于一個(gè)熱帶氣旋會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的并且空間上快速變化的海浪譜，我們模擬了第72 h所有網(wǎng)格點(diǎn)上的海浪譜。在分析海浪方向譜時(shí)，我們分別選取了4個(gè)象限內(nèi)距氣旋中心100 km半徑上的8個(gè)點(diǎn)為代表進(jìn)行對(duì)比研究。通過風(fēng)場(chǎng)空間分布特征的對(duì)比顯示隨著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性加強(qiáng)風(fēng)速減小,并且左側(cè)象限減小的比右側(cè)象限更快（見圖2）。

4 熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)海浪場(chǎng)的影響

4.1 對(duì)有效波高的影響

通過對(duì)比可以看出，最大有效波高值會(huì)隨著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性加強(qiáng)而減小。在EXP.A中，最大有效波高為22 m，當(dāng)對(duì)稱性增加到20%時(shí)最大有效波高減小到20 m，減小了9%。1000 km半徑內(nèi)的平均有效波高隨著非對(duì)稱性增強(qiáng)除了左前象限以外，其他象限內(nèi)由于風(fēng)應(yīng)力的減小而減小。實(shí)驗(yàn)EXP.E和EXP.A之間的對(duì)比顯示，平均有效波高分別在右前象限、右后象限、左后象限減小了9.26%，20.16%，19.52%，在左前象限增大了13.01%。

圖3展示了不同熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)下有效波高的空間分布。從圖中可以清楚地看到熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱分布對(duì)海浪場(chǎng)的空間非對(duì)稱性有重要的影響，風(fēng)場(chǎng)分布越不對(duì)稱，有效波高場(chǎng)分布越不對(duì)稱。同時(shí)，有效波高場(chǎng)的非對(duì)稱軸隨著風(fēng)場(chǎng)非稱性加強(qiáng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最大有效波高的位置向前移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)EXP.E與EXP.A相比看出，有效波高場(chǎng)的空間非對(duì)稱軸由氣旋移動(dòng)方向右偏80°逆時(shí)針移動(dòng)到右偏50°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了30°，與風(fēng)場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度相同，最大有效波高的位置由右后象限移動(dòng)到右前象限，這與以往的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果一致。這是因?yàn)殡S著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性加強(qiáng)，風(fēng)速減小，風(fēng)能輸入減少，根據(jù)海浪能量平衡方程可知，風(fēng)能輸入源函數(shù)項(xiàng)Sin減小，則波浪能量E減小，而波浪有效波高與波能量E的平方根成正比減小，因此有效波高隨風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性加強(qiáng)而減小，最大有效波高減小。在左前象限，雖然風(fēng)力減小使局地風(fēng)浪能量減少，卻更有利于先前位置生成的涌浪的傳播，涌浪部分能量增加，因此總體能量增加，有效波高增高。

4.2 對(duì)平均波向的影響

不同實(shí)驗(yàn)之間平均波向的空間分布的對(duì)比表明熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性會(huì)影響平均波向，尤其是在左后象限最為顯著（見圖3）。在右前和左前兩個(gè)象限，風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱平均波向基本沒有影響，除了在左前象限距離風(fēng)暴中心前100 km，左300 km的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)平均波向隨非對(duì)稱性加強(qiáng)發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)非對(duì)稱性增加到20%時(shí)，平均波向旋轉(zhuǎn)了10°—60°。這是由于在前兩個(gè)象限內(nèi)主導(dǎo)波為遠(yuǎn)處生成的涌浪，平均波向主要由涌浪的傳播方向來(lái)決定，而這兩個(gè)象限中涌浪的傳播方向主要與熱帶氣旋移動(dòng)的方向有關(guān)，因此，在這兩個(gè)象限內(nèi)大多數(shù)區(qū)域波向沒有變化。在那個(gè)特殊區(qū)域，主導(dǎo)波包含了風(fēng)浪和涌浪，隨風(fēng)速減小，主導(dǎo)波中的風(fēng)浪消失，平均波向會(huì)向著涌浪的傳播方向旋轉(zhuǎn)。

在左后和右后兩個(gè)象限內(nèi)，平均波向隨著非對(duì)稱性增強(qiáng)而發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)非對(duì)稱性達(dá)到20%時(shí)，在右后象限旋轉(zhuǎn)了10°—30°，而在左后象限旋轉(zhuǎn)的角度甚至超過了180°。在左后象限，主導(dǎo)波包含了風(fēng)浪和涌浪。隨著非對(duì)稱性增強(qiáng)，由于風(fēng)應(yīng)力的減小，風(fēng)浪部分減弱，涌浪的影響增強(qiáng)。因此，平均波向會(huì)向著涌浪的傳播方向旋轉(zhuǎn)。在左后象限的某些區(qū)域，當(dāng)非對(duì)稱性達(dá)到15%時(shí)，主導(dǎo)波中的風(fēng)浪消失，只剩下涌浪。

4.3 對(duì)平均波長(zhǎng)和平均周期的影響

圖4 平均波長(zhǎng)（顏色，單位/m）和峰向（矢量）的空間分布特征隨風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)的變化

圖5 平均周期（單位/s）的空間分布特征隨風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)的變化

圖6 左前象限的海浪方向譜分布特征隨熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)的對(duì)比

圖7 左后象限的海浪方向譜分布特征隨著熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)的對(duì)比

從圖4可以看出，除了在正左側(cè)和左后象限外，隨著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)平均波長(zhǎng)減小。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性達(dá)到20%時(shí)，平均波長(zhǎng)在右前象限，右后象限和左前象限分別減小了10—40 m，30—70 m，10—50 m。在熱帶氣旋中心正左側(cè)增加了0—140 m，在左后象限，平均波長(zhǎng)在400 km半徑內(nèi)從氣旋中心向外增加100—0 m，在這之外的范圍減小了0—40 m。平均波長(zhǎng)隨著非對(duì)稱性增強(qiáng)的這種變化可以解釋為風(fēng)浪部分的波長(zhǎng)隨著風(fēng)速的減小而變短，因此大部分區(qū)域波長(zhǎng)是減小的，然而，在氣旋中心左側(cè)和左后象限，隨著風(fēng)力的減小，主導(dǎo)波中風(fēng)浪部分消失，較長(zhǎng)的低頻涌浪為主導(dǎo)波，因此，在這些范圍內(nèi)平均波長(zhǎng)增大。

另外，隨著熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性的增強(qiáng)，風(fēng)力減小，海浪場(chǎng)能量E減小，由于平均波長(zhǎng)與波能量E成正比，因此平均周期在各個(gè)象限內(nèi)略有減小。當(dāng)非對(duì)稱性達(dá)到20%時(shí)，各個(gè)象限的平均周期均減小了2—3 s左右（見圖5）。

4.4 對(duì)波峰方向的影響

熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性對(duì)波峰方向也有影響（見圖4中矢量方向）。隨著非對(duì)稱性加強(qiáng)，峰向在前兩個(gè)象限沒有變化，在后兩個(gè)象限逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)非對(duì)稱性增強(qiáng)到20%時(shí)，右后象限旋轉(zhuǎn)了10°—60°，在左后象限旋轉(zhuǎn)達(dá)到了180°。這種現(xiàn)象的解釋與平均波向相同。

4.5 對(duì)海浪方向譜的影響

在這個(gè)研究中，我們選了第72 h距熱帶氣旋中心100 km半徑上的5個(gè)點(diǎn)來(lái)對(duì)研究風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)海浪方向譜的影響（見圖6—7，以左前象限和左后象限為例）。圖中實(shí)線等值線（從外向內(nèi)）代表100 m，200 m，300 m，400 m波長(zhǎng)。虛線等值線（從外向內(nèi)）代表150 m，250 m，350 m波長(zhǎng)。每個(gè)譜包含五個(gè)等值線，分別為譜峰密度的10%—90%，增長(zhǎng)率為20%，加粗的等值線代表譜峰密度的50%。左下角信息表示模擬點(diǎn)距熱帶氣旋中心的距離。加粗的黑色箭頭代表風(fēng)速，0.03 rad/m的長(zhǎng)度相當(dāng)于30 m/s的風(fēng)速。右下角的數(shù)字代表有效波高，紅色加粗箭頭代表熱帶氣旋的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度大小。不同風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性下方向譜的對(duì)比顯示非對(duì)稱性對(duì)海浪譜的多峰性有重要作用，對(duì)海浪譜的頻率以及主導(dǎo)波的傳播方向都有重要影響。

在右前象限，實(shí)驗(yàn)EXP.A中，主導(dǎo)波為波長(zhǎng)較長(zhǎng)的沿著熱帶氣旋移動(dòng)方向傳播的涌浪且傳播方向?yàn)?0°。隨著非對(duì)稱性加強(qiáng)，方向譜的譜形沒有明顯變化，只是頻率變高。在左前象限大部分區(qū)域，主導(dǎo)波為在氣旋移動(dòng)方向左偏20°—50°方向傳播的涌浪，且隨著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)沒有明顯變化。但是在氣旋中心左側(cè)，方向譜隨著非對(duì)稱性增強(qiáng)有顯著地變化。在這里，主導(dǎo)波包含涌浪和風(fēng)浪兩部分，隨著非對(duì)稱性增強(qiáng)，風(fēng)浪部分消失，主導(dǎo)波只包含涌浪，在非對(duì)稱性達(dá)到15%之前，海浪譜仍然是雙峰的。當(dāng)非對(duì)稱性達(dá)到15%之后，雙峰結(jié)構(gòu)消失，主導(dǎo)波沿著氣旋移動(dòng)方向左偏30°—60°方向傳播。顯而易見，在氣旋前面的兩個(gè)象限內(nèi)，主導(dǎo)波為涌浪且海浪譜是單峰的，這與觀測(cè)結(jié)果一致。在右后象限，主導(dǎo)波為局地生成的風(fēng)浪。隨著非對(duì)稱性增強(qiáng)，局地風(fēng)能量減小，風(fēng)浪減弱，主導(dǎo)波的傳播方向向著氣旋移動(dòng)方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而譜形基本沒有變化。在左后象限，實(shí)驗(yàn)EXP.A中主導(dǎo)波為風(fēng)浪。隨著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)，涌浪逐漸增強(qiáng)成長(zhǎng)為主導(dǎo)波，而風(fēng)浪逐漸減弱，但是沒有消失，海浪譜出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，這與觀測(cè)結(jié)果也很吻合。

5 結(jié)論

在這個(gè)研究中，我們用WW3模式研究了熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性對(duì)表面海浪場(chǎng)的影響。模擬結(jié)果顯示風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性對(duì)海浪平均要素和海浪方向譜都有很重要的影響。從非對(duì)稱性分別為0%,5%,10%,15%和20%的五個(gè)理想熱帶氣旋的模擬中，我們?cè)敿?xì)地討論了非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)對(duì)表面海浪場(chǎng)的作用。

熱帶氣旋下的海浪場(chǎng)包含遠(yuǎn)處傳來(lái)的涌浪和局地生成的風(fēng)浪兩部分。隨風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)，由于風(fēng)應(yīng)力減小風(fēng)浪減弱，有效波高在所有象限內(nèi)減小，除了左前象限。波高場(chǎng)的非對(duì)稱性增強(qiáng)且非對(duì)稱軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最大有效波高位置向前移動(dòng)，同時(shí)平均波長(zhǎng)變短，平均周期變短。

在熱帶氣旋中心前兩個(gè)象限內(nèi)主導(dǎo)波為先前位置生成的隨著氣旋移動(dòng)的涌浪。因此，平均波向和波峰方向隨風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)基本沒有變化。在右后象限，隨著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性加強(qiáng)，平均波向和波峰方向會(huì)向著氣旋移動(dòng)方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在左后象限，隨著風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性增強(qiáng)，平均波長(zhǎng)和峰向變化很大，甚至達(dá)到180°，并且波長(zhǎng)在左后象限也變長(zhǎng)。

熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性會(huì)影響海浪譜的多峰結(jié)構(gòu)以及主導(dǎo)波的頻率和傳播方向。但是風(fēng)場(chǎng)非對(duì)稱性對(duì)海浪譜的影響主要依賴于與氣旋中心的相對(duì)位置。

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