海洋科學(xué)觀測及其技術(shù)發(fā)展淺析與思考

李慧青，李燕，劉玉，王寧，王強(qiáng)

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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海洋科學(xué)觀測及其技術(shù)發(fā)展淺析與思考

李慧青，李燕，劉玉，王寧，王強(qiáng)

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

文章簡單介紹了歐、美國家的遠(yuǎn)、近海海洋科學(xué)觀測項(xiàng)目，比較分析了這些項(xiàng)目的發(fā)展軌跡，解析了幾個海洋強(qiáng)國海洋科學(xué)觀察的投資理念，并試圖發(fā)現(xiàn)他們在處理海洋業(yè)務(wù)化觀察與海洋科學(xué)觀測關(guān)系方面的傾向性。借鑒海洋強(qiáng)國的理念，提出了提高我國海洋科學(xué)觀察效率、理順我國海洋強(qiáng)國建設(shè)中海洋科學(xué)研究與業(yè)務(wù)化關(guān)系等方面的建議。

海洋科學(xué)觀察；海洋業(yè)務(wù)化觀測；觀測平臺；近海生態(tài)

20世紀(jì)60年代以后，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類開始著手解決長期困擾自己的海洋科學(xué)領(lǐng)域的新老問題和假想。除了如何獲取資源這一老問題，人類關(guān)注的新問題主要圍繞保護(hù)人類開發(fā)的這一最后空間，正如1987年美國人總結(jié)的[1]：① 在怎樣的獲取食物、能源和礦物資源力度下，不觸怒海洋；② 如何估價和管理近海、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和未來的海岸帶開發(fā)；③ 如何保證船只和海上作業(yè)人員的安全；④ 如何保護(hù)國家利益；⑤ 如何認(rèn)識并控制某些人類活動。

為了獲得這些知識，人類開始了種種科學(xué)觀察，有些觀察得到了確定的知識，并轉(zhuǎn)換成業(yè)務(wù)化觀測以及海洋預(yù)報，成為海上作業(yè)不可缺少的參謀。我國在海洋觀測方面取得了很多成果。例如：建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的海洋業(yè)務(wù)化觀測已經(jīng)基本和國際接軌，向公眾和專業(yè)部門發(fā)布大量信息產(chǎn)品；物理海洋科學(xué)觀測上，我國在南海構(gòu)建了深海潛標(biāo)組成的“南海深海潛標(biāo)觀測網(wǎng)”，為揭示南海深海環(huán)流空間結(jié)構(gòu)和演變規(guī)律奠定了基礎(chǔ)[2]；在海洋酸化觀測上，已經(jīng)做了很多嘗試[3]；在海洋地質(zhì)方面，獲得了可燃冰礦區(qū)預(yù)測成果[4]。但面對龐大的有待探索的海洋問題，面對手中大量的國外海洋觀測儀器與平臺，要實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國還任重道遠(yuǎn)。

剖析近年來國際上開展的一些近、遠(yuǎn)?？茖W(xué)觀測項(xiàng)目，分析項(xiàng)目投資者的投資理念、規(guī)模與進(jìn)程，歸納項(xiàng)目的成果和效益，對我國海洋強(qiáng)國的建設(shè)十分有益。

1 美國遠(yuǎn)?？茖W(xué)觀測項(xiàng)目

1996年，美國Rutgers大學(xué)在離岸9.6 km、水深15 m處建成了第一個有兩個節(jié)點(diǎn)的水下遙控觀測站。2000年，美國與加拿大正式簽約，共同建立海王星深海觀測項(xiàng)目[5]。2003年，美國在馬薩諸塞近海又建立了離岸1.5 km、水深12 m的光電纜觀測站MVCO。2006年，加拿大的海王星近海試驗(yàn)場VENUS正式啟用。2007年，沿著Montery 海灣長達(dá)52 km、水深891 m的海底電纜鋪設(shè)完成，美國的海王星項(xiàng)目的近海試驗(yàn)場才算啟動。同年，加拿大已開始向太平洋洋底鋪設(shè)第一段800 km光電纜。

2009年，加拿大海王星深海觀測站開始使用。2011年，美國才開始往胡安德富卡板塊鋪設(shè)光電纜。從美國建第一個光電纜試驗(yàn)場到美國正式向深海鋪設(shè)光電纜，歷經(jīng)15年。

海王星項(xiàng)目是美國OOI(Ocean Observatories Initiative)計(jì)劃中的一個部分。美國的OOI監(jiān)測網(wǎng)是國家科學(xué)基金會資助項(xiàng)目，不是以觀測海洋、研究海洋為目標(biāo)，而是以開發(fā)觀測海洋用的儀器、平臺、網(wǎng)絡(luò)、通信等設(shè)施及傳感器為框架的項(xiàng)目，是連通多海域各種平臺的整合項(xiàng)目[6]。在直接接觸海洋的儀器與平臺方面，重點(diǎn)是對兩種平臺的投入：① 新穎的海洋觀測站，提供前所未有的能源和通信方式來運(yùn)行和管理在固定點(diǎn)上的傳感器，持續(xù)時間將數(shù)年或數(shù)十年，亦即海王星項(xiàng)目。② 移動式海洋觀測系統(tǒng)(主要是滑翔器、剖面浮標(biāo)、自動水下機(jī)器人)。盡管移動式系統(tǒng)能源供應(yīng)受限，監(jiān)管實(shí)時數(shù)據(jù)能力也常常受限，但它提供更廣泛的空間與覆蓋面的觀測。而光電纜海底觀測站注重在固定點(diǎn)上獲得高分辨率的時序記錄。這兩種互補(bǔ)的工具在時間上和空間上研究海洋過程是必需的。

21世紀(jì)以來，美國在近海試驗(yàn)場開展了大量儀器與移動平臺性能、水下設(shè)施與岸基中心通信的研究，其研究成果大量應(yīng)用在近海項(xiàng)目上。現(xiàn)在美國哥倫比亞河口環(huán)境恢復(fù)項(xiàng)目中，滑翔器于2009年開始季節(jié)性工作[7]。海洋科學(xué)家展望，在 2021 年，將由 480個可遙控的水下滑翔器組成網(wǎng)絡(luò)同時對海洋進(jìn)行剖面監(jiān)測。

加拿大投入1億加元建成的深海觀測站于2009年起開始了一系列科學(xué)研究。已經(jīng)獲得的研究成果有[8]：① 北極冰融化引起的生態(tài)變化；② 海底沉積物生態(tài)變化；③ 尸體組織在海水中的變化；④ 可燃冰的動態(tài)變化影響因素；⑤ 海底黑煙的熱、化學(xué)物質(zhì)、生物質(zhì)狀態(tài)；⑥ 人類活動對大型海洋動物的影響；⑦ 海底沉積物動力學(xué)；⑧ 海嘯預(yù)警等。

由此可以看出，加拿大海王星項(xiàng)目是在：① 對大海洋生態(tài)開展研究，影響源是現(xiàn)在和未來大自然變化以及人類干預(yù)；② 對人類不易接觸到的海底和海洋地震開展研究。上述項(xiàng)目中，唯有海嘯預(yù)警與海洋信息業(yè)務(wù)化相關(guān)。

以上事實(shí)表明，在海王星項(xiàng)目上，美國和加拿大的收獲差別是很大的，美國在遠(yuǎn)海項(xiàng)目上的成果首先成為保護(hù)美國近岸海洋的技術(shù)支撐。

2 美國近海科學(xué)觀測項(xiàng)目

近?？茖W(xué)觀測與研究一般是短期的(1～5年)，起因往往是人為原因引發(fā)了環(huán)境問題。美國紐斯河口研究起因是產(chǎn)業(yè)污染。哥倫比亞河口研究起因是水利工程對生態(tài)環(huán)境以及當(dāng)?shù)仵q魚和鱒魚生存環(huán)境的擔(dān)憂。

2.1 紐斯河水質(zhì)管理

北卡羅來納州紐斯河從皮德蒙特高原到帕姆利科灣全長約402 km，為羅萊格地區(qū)40萬居民提供飲用水，其河口也是具有商業(yè)價值的魚類和貝類生物育嬰園。一些水上運(yùn)動，如皮船和帆船以及其他形式的旅游活動都是該河口地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的引擎。

多年來，北卡羅來納州海岸平原許多大型飼養(yǎng)場排出的數(shù)百萬噸糞便給整個紐斯河流域帶來嚴(yán)重的氮、磷和氨營養(yǎng)負(fù)荷，使魚類大面積死亡，污染物也導(dǎo)致有毒赤潮藻種的滋生。

沒有完善規(guī)劃和管理的開發(fā)項(xiàng)目產(chǎn)生大量泥沙徑流，造成河水水質(zhì)退化，鋪路范圍的擴(kuò)大使得暴雨過后大量污染物徑流加大，新的工程建設(shè)也會破壞或完全摧毀有生命力的濕地以及河邊保護(hù)性的緩沖地帶。1995年紐斯河被評為全美最危險的河流之一。

正式治理紐斯河始于2007年夏天。自此時，北卡羅來納州開始執(zhí)行排污許可證NCDWQ制度，8月終止了大型飼養(yǎng)場。2008年又對2007年發(fā)放的排污許可證進(jìn)行重新審查。

為配合排污許可證制度運(yùn)行的有效性，為建立紐斯河半咸水質(zhì)模型，北卡羅來納州研究機(jī)構(gòu)一直維持著河水水質(zhì)監(jiān)測[9]。自動在線剖面監(jiān)測是29個河心監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)是溶解氧、pH、溫度、鹽度，其他參數(shù)是在自動監(jiān)測點(diǎn)取樣，以每周或每月取1次的周期，在船上或?qū)嶒?yàn)室分析。除定點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測外，這區(qū)域還設(shè)有隨機(jī)點(diǎn)取樣分析監(jiān)測活動。

2.2 哥倫比亞河口生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)

自20世紀(jì)30年代起，美國陸軍工程師團(tuán)建設(shè)并運(yùn)行哥倫比亞河及斯內(nèi)克河下游的8座梯級水電站，這些水電站通過各種工程措施維持魚類洄游通道。但近20年來，環(huán)保主義者不斷要求拆除斯內(nèi)克河下游的4座大壩，爭論波及全美。美國政府最終拒絕拆壩，但成立了哥倫比亞河口生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)項(xiàng)目[10]，項(xiàng)目主要包括5個方面的目標(biāo)：① 理解影響生態(tài)系統(tǒng)的主要控制因素，比如水利工程對濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響；② 保護(hù)和恢復(fù)影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的因素，比如重建濕地區(qū)域與主航道的連通性；③ 增加生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，比如清除入侵物種以及恢復(fù)受威脅的鹽沼濕地；④ 維護(hù)和增強(qiáng)系統(tǒng)過程，比如重建食物網(wǎng)；⑤ 增強(qiáng)鮭魚的生態(tài)系統(tǒng)功能。

保障完成上述目標(biāo)的科學(xué)依據(jù)是美國國家衛(wèi)生基金會科技研究中心資助的項(xiàng)目——沿海地區(qū)監(jiān)測與預(yù)測(Coastal Margin Observation Prediction， COMP)[11]。

這一項(xiàng)目的核心監(jiān)測部分除了衛(wèi)星遙感，還包括：21個固定監(jiān)測點(diǎn)，主要測量水文氣象參數(shù)；1個滑翔器艦隊(duì)，測量鹽度、溫度、溶解氧、有色溶解有機(jī)物、葉綠素和后散射系數(shù)等；1個自主潛水器艦隊(duì)，測量水流和CTD。固定自動生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)有：鹽度、溫度、濁度、壓力、葉綠素、有色溶解有機(jī)物、溶解氧、熒光、硝酸鹽。近年來，部分站點(diǎn)加入二氧化碳分壓的測量。定期取樣監(jiān)測的項(xiàng)目有：營養(yǎng)鹽、總磷、總氮、總?cè)芙饬?、總?cè)芙獾㈩w粒有機(jī)碳、顆粒有機(jī)氮等。同時，還在各魚道上實(shí)時監(jiān)測魚通過魚道的情況，記錄過魚的數(shù)量，為分析過魚效果、改進(jìn)過魚設(shè)施提供了重要信息。

環(huán)境監(jiān)測分析得到的生態(tài)描述與鮭魚等魚類的生存狀態(tài)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)對魚類影響較大的生態(tài)環(huán)境因素，為保護(hù)鮭魚棲息地、水資源利用管理、改善航道等提供依據(jù)。

美國近海研究的重要目的之一是建立近海生態(tài)模型，以期將來對生態(tài)狀況的預(yù)報能像水文氣象預(yù)報那樣及時準(zhǔn)確。COMP項(xiàng)目中，有個SATURN(Science and Technology University Research Network)團(tuán)隊(duì)，他們的工作之一是建立一個虛擬的哥倫比亞河的可視化系統(tǒng)[12]，一個半描述性的建模環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)：① 綜合描述環(huán)流情況，一旦發(fā)生污染事件，可及時預(yù)測污染物擴(kuò)散帶漂流方位；② 選擇性描述河口的生態(tài)狀況?，F(xiàn)在已經(jīng)可以看到近期鹽度預(yù)報。紐斯河網(wǎng)頁上可以看到近實(shí)時溶解氧、溫度、鹽度數(shù)據(jù)，目前還沒有預(yù)報信息。

3 歐洲的志愿船(FerryBox)項(xiàng)目

從促進(jìn)科學(xué)發(fā)展的第五框架計(jì)劃開始至現(xiàn)在的第七框架計(jì)劃，歐盟一直投資于海洋信息的一體化整合。歐盟的歐洲海洋生態(tài)觀測站(European Marine Ecosystem Observatory，EMECO)系統(tǒng)是一個海洋信息聯(lián)合體[13]，幾乎所有的航空、航天、?；鶖?shù)據(jù)都匯總在這里，并提供業(yè)務(wù)化產(chǎn)品，為科學(xué)研究和研發(fā)更多的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品提供服務(wù)。

歐洲的內(nèi)海與外海連接著好幾個國家，若使用美國所用的滑翔器或AUV監(jiān)測大片海域的生態(tài)狀況，最起碼會引起竊取他國海底信息的嫌疑。使用商業(yè)化的船只進(jìn)行監(jiān)測是一種各個國家都可以接受的方式。

FerryBox是一種安裝在船上的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。2000年前的船上觀測系統(tǒng)大都是水文氣象參數(shù)，有極少部分行業(yè)(主要在歐洲漁業(yè))在船上安裝浮游植物取樣器對沿線的水體進(jìn)行漁情狀況分析。2000年后，歐盟發(fā)展了商業(yè)船上的海洋生態(tài)多參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)[14]。這一系統(tǒng)的優(yōu)勢：① 可為較復(fù)雜耗能的傳感器提供足夠的能源(相比較浮標(biāo))，② 傳感器免受風(fēng)吹雨淋鹽侵；③ 船到港口后得到維護(hù)，降低維護(hù)成本。④ 可得到斷面信息，而浮標(biāo)僅得到點(diǎn)的信息。以上特點(diǎn)可以總結(jié)為一句話：低成本得到大量數(shù)據(jù)。經(jīng)過多年的實(shí)踐，F(xiàn)erryBox已經(jīng)有了很多改動，尤其在生態(tài)參數(shù)上。今后隨著技術(shù)進(jìn)步還會有進(jìn)一步的發(fā)展。

至今，F(xiàn)erryBox已經(jīng)顯示了它在科學(xué)研究上的價值：① 完善了水體輸運(yùn)知識，尤其是北海和英吉利海峽的相關(guān)數(shù)據(jù)；② 理順了跨國界營養(yǎng)化和浮游生物生產(chǎn)力的相互關(guān)系；③ 成功使用先進(jìn)技術(shù)確定了沉積物在長短期規(guī)模上的輸運(yùn)特點(diǎn)； ④ 有規(guī)律的FerryBox數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通話和校正完善了海洋模型；⑤ 展示了衛(wèi)星遙感和船載直接監(jiān)測的互補(bǔ)功能。

歐洲海洋生態(tài)觀測站的業(yè)務(wù)化研發(fā)目標(biāo)之一是未來海洋生態(tài)狀況業(yè)務(wù)化產(chǎn)品，而FerryBox是開發(fā)這一產(chǎn)品除衛(wèi)星數(shù)據(jù)以外的密度最高、覆蓋最廣的數(shù)據(jù)源。

4 啟示與思考

4.1 科學(xué)觀測與業(yè)務(wù)化觀測之間的關(guān)系

美國和歐洲很多海洋科研重要目標(biāo)是海洋信息業(yè)務(wù)化的知識基礎(chǔ)。在實(shí)現(xiàn)了水文氣象觀測業(yè)務(wù)化后，下一個目標(biāo)就是海洋生態(tài)觀測業(yè)務(wù)化，各種科學(xué)研究都在盡可能開發(fā)與海洋生態(tài)相關(guān)的實(shí)用產(chǎn)品以及升級信息產(chǎn)品。業(yè)務(wù)化開發(fā)除激勵了海洋過程的理性認(rèn)識，也刺激了傳感器技術(shù)、通信、能源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與儲存、分布系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)模型以及可視化系統(tǒng)上的重大進(jìn)步。而業(yè)務(wù)化技術(shù)框架也為研究者提供了一個時間上、空間上更為寬廣的研究平臺。顯然，富有生機(jī)的業(yè)務(wù)化發(fā)展和海洋科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將會創(chuàng)造一個絢麗的未來。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)觀測項(xiàng)目和業(yè)務(wù)化項(xiàng)目應(yīng)在各個階段緊密合作，從啟動到安裝、運(yùn)行。舉例來說，業(yè)務(wù)化觀測系統(tǒng)可以是某些新型觀測儀器和平臺的試驗(yàn)場，某些試驗(yàn)場將來就是業(yè)務(wù)化觀測系統(tǒng)的一部分。

業(yè)務(wù)化觀測系統(tǒng)由觀測平臺和傳感器組成。作為長期觀測工具，要求傳感器具有長期無人值守的耐用性。而很多海洋化學(xué)、生物參數(shù)的傳感器還很難達(dá)到這一要求。歐、美國家不是迎難而上，而是在生態(tài)監(jiān)測的平臺上突破。美國大力發(fā)展滑翔器，歐洲大力發(fā)展FerryBox，這樣的平臺對無人值守要求不高，卻得到了大面積的生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。這些大面積數(shù)據(jù)和取樣調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合起來可能將是未來海洋生態(tài)業(yè)務(wù)化的數(shù)據(jù)源。

4.2 海洋科學(xué)研究發(fā)展與觀測技術(shù)發(fā)展的同步性

在深海觀測技術(shù)中，已經(jīng)顯示了重大意義的技術(shù)有：歐洲GEOSTAR海底觀測器、遠(yuǎn)海光電纜觀測平臺、潛水器(自動的、載人的)、滑翔器等。發(fā)展到現(xiàn)在，潛水器技術(shù)從中脫穎而出，已廣泛應(yīng)用于海洋工程、港口建設(shè)、海上石油等經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域；可完成水下搜索、探測打撈、深海資源調(diào)查、海底管線鋪設(shè)、水下考古、電站及水庫大壩檢測等工作；在海軍防務(wù)上更得到極大挖掘。水下機(jī)器人(ROV)已形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，國際上ROV的型號已經(jīng)達(dá)250余種，從質(zhì)量幾千克的小型ROV，到超過20 t的大型ROV，有超過400家廠商提供各種ROV整機(jī)、零部件以及服務(wù)。在自主水下航行器(AUV)方面，已有多個系列產(chǎn)品面向市場。西屋電氣公司預(yù)測，未來10年全世界將有1 144臺AUV需求，樂觀估計(jì)市場額將達(dá)到38億美元[15]。

作為使用價值較單一的海底觀測工具，無論是單點(diǎn)型的歐洲GEOSTAR[16]，還是區(qū)域型光電纜海底觀測站，都一直發(fā)展緩慢。日本早年計(jì)劃的ARENA至今還未動土，而美國到2011年7月才開始鋪設(shè)光電纜。

可見，面對海洋技術(shù)，海洋科學(xué)的意義再大，研究沒有資金的支撐不行。而海洋技術(shù)的商業(yè)意義一旦被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)市場自然將技術(shù)提高到新的水平。

其實(shí)很多海洋科學(xué)研究除了需要高技術(shù)，還需要大跨度時間才能有結(jié)果。如海洋酸化問題。酸化所產(chǎn)生的效應(yīng)涉及化學(xué)、生物學(xué)、地球科學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域以及上千物種，而已經(jīng)評估的物種還不到海洋生物總數(shù)的2%。美國并沒有用最新研究手段來開展這方面的項(xiàng)目，而是在2012年10月，由Smithsonian博物館拿出10億美元開始全球海岸生態(tài)多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的研究項(xiàng)目[17]。通過在全球建立 Tennenbaum海洋觀測網(wǎng)，建立生態(tài)變化的監(jiān)測方法標(biāo)準(zhǔn)，揭示海水升溫、酸化、海平面上升等的全球變化是怎樣影響海洋生物多樣性，揭示人類行為對海洋生態(tài)的影響。所用工具是傳統(tǒng)的生物收集與分類分析技術(shù)，再加入DNA技術(shù)。

從大周期上看，海洋科學(xué)的進(jìn)步和海洋技術(shù)的進(jìn)步是同步的。但從小周期上看，二者又不是很同步。

4.3 關(guān)于我國海洋強(qiáng)國建設(shè)中海洋科學(xué)觀測與業(yè)務(wù)化關(guān)系的思考

海洋科學(xué)研究首先要為社會、經(jīng)濟(jì)與民眾服務(wù)，首要目標(biāo)是提高其海洋業(yè)務(wù)化水平。雖然我國在海洋水文氣象方面已經(jīng)有一定水平了，但還應(yīng)繼續(xù)提高，如發(fā)展遠(yuǎn)航時獲得實(shí)時數(shù)據(jù)同化技術(shù)，為遠(yuǎn)航作業(yè)保駕護(hù)航。我國在海洋生態(tài)方面的業(yè)務(wù)化還沒有起步，這與我國陸地、海上環(huán)保實(shí)施進(jìn)程有很大關(guān)系。實(shí)施環(huán)保舉措后，海洋生態(tài)業(yè)務(wù)化研究工作才會變得更有意義，先對環(huán)保措施的有效性做出評估，之后逐漸研究與開發(fā)業(yè)務(wù)化系統(tǒng)。在東南亞地區(qū)擴(kuò)展適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)監(jiān)測活動，共享保護(hù)本海域重要生物開展的生存規(guī)律研究成果，以增加與鄰國之間的友誼。

深海作業(yè)技術(shù)的可靠性是海洋強(qiáng)國的重要標(biāo)志。我國應(yīng)在深海作業(yè)工具AUV和滑翔器的研發(fā)上進(jìn)一步加大力度，并增加在生態(tài)監(jiān)測上的應(yīng)用。

我國海域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，龍卷風(fēng)幾乎沒有，海嘯發(fā)生的幾率也很低，所以我國沒必要追趕歐、美國家來發(fā)展遠(yuǎn)海光電纜深海觀測平臺。可以建立幾個近海光電纜海底觀測平臺作為試驗(yàn)場，保持與國際先進(jìn)水平同步；同時也可以作為觀測平臺，為當(dāng)?shù)靥峁┖Ｑ笮畔ⅰ?/p>

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