2011年秋冬我國中東部大霧結(jié)構(gòu)特征分析

袁　方，王雯燕，翟　園，唐文哲，徐軍昶，鞏在武*.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京0044.西安市氣象局，陜西西安7006

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2011年秋冬我國中東部大霧結(jié)構(gòu)特征分析

袁方1，王雯燕2，翟園2，唐文哲2，徐軍昶2，鞏在武1*
1.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京210044
2.西安市氣象局，陜西西安710016

摘要:對(duì)霧區(qū)相對(duì)濕度垂直結(jié)構(gòu)分布變化的監(jiān)測(cè)一直缺乏直觀有效的方法，探空觀測(cè)能夠填補(bǔ)觀測(cè)不足并提供可靠的氣象資料。本文利用2011年秋冬我國六時(shí)次高空氣象觀測(cè)資料，通過與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、地面觀測(cè)霧區(qū)對(duì)比的方式，分析中東部霧區(qū)垂直方向氣象要素的變化情況。結(jié)果表明，（1）霧區(qū)溫度變化有等溫、貼地逆溫和低層逆溫三種類型，其中貼地逆溫出現(xiàn)次數(shù)最多，約占記錄總數(shù)的52%；（2）霧區(qū)相對(duì)濕度變化有兩種類型：等濕和相對(duì)濕度增大，其中等濕記錄出現(xiàn)次數(shù)最多，約占記錄總數(shù)的88%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明霧區(qū)水汽接近均勻分布；（3）霧區(qū)風(fēng)向隨高度變化方式主要有順時(shí)針偏轉(zhuǎn)、相對(duì)靜穩(wěn)（風(fēng)向不變、風(fēng)速為零）和先順后逆轉(zhuǎn)等變化，其中順時(shí)針偏轉(zhuǎn)和相對(duì)靜穩(wěn)出現(xiàn)次數(shù)約占記錄總數(shù)的71%；霧區(qū)風(fēng)速變化低于1 m·s-1的記錄約占總數(shù)的77%，研究時(shí)段內(nèi)的霧區(qū)多為在暖平流控制的天氣形勢(shì)下生成，層結(jié)穩(wěn)定。霧區(qū)不同方式觀測(cè)的存在差異的原因，一是衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的霧區(qū)容易受低云干擾造成誤判，二是高空氣象探測(cè)無法剔除降水天氣干擾，霧區(qū)范圍較大。

關(guān)鍵詞:大霧；結(jié)構(gòu)特征；2011年

霧是一種常見的天氣現(xiàn)象，全國各地都有出現(xiàn)，水平能見度小于1.0 km[1]，強(qiáng)濃霧時(shí)能見度只有幾米。近年來隨著城市化的快速進(jìn)展，大氣氣溶膠粒子增多，霧與霾時(shí)常結(jié)合，對(duì)城市交通、高速公路、鐵路、船運(yùn)、航空等安全及人體健康帶來了很大危害，成為一種嚴(yán)重的、頻發(fā)的災(zāi)害性天氣。吳兌等[2]總結(jié)了我國大陸霧日地理分布基本氣候特征和霧天氣出現(xiàn)的季節(jié)特點(diǎn)，王麗萍等[3]分析了我國霧的地理分布，討論了不同地區(qū)霧的月、年變化特征，劉小寧[4]等分析了我國大霧的空間、時(shí)間分布；各地也紛紛開展霧的時(shí)空變化、趨勢(shì)研究，龍先菊等[5]分析了黔東南州大霧日數(shù)的分布特點(diǎn)、長期變化趨勢(shì)、年代際變化特征，賀浩[6]等分析了陜西大霧的氣候特征和地域特征，鄭玉萍等[7]分析了烏魯木齊大霧天氣的氣候特征，上述研究所用數(shù)據(jù)主要是地面臺(tái)站氣象觀測(cè)資料，這些資料在研究霧的日、月、年氣候特征、地域分布、趨勢(shì)變化方面具有無可比擬的優(yōu)越性，但利用這些數(shù)據(jù)很難深入分析霧的生消和垂直結(jié)構(gòu)變化；近幾年隨著遙感技術(shù)發(fā)展，國家衛(wèi)星氣象中心利用紅外云圖、可見光云圖和中紅外云圖等實(shí)現(xiàn)了對(duì)霧監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品，蔣璐璐[8]等依據(jù)FY-3A衛(wèi)星的VIRR數(shù)據(jù)，探討衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢測(cè)霧的可行性；張樹譽(yù)等[9]運(yùn)用EOS-MODIS資料，根據(jù)云霧的反射及輻射特征差異采用域值法監(jiān)測(cè)霧區(qū)，在霧的形成、發(fā)展、消散監(jiān)測(cè)上有一定特色，但在霧區(qū)垂直結(jié)構(gòu)特征研究方面又有一定的局限性；我國新一代L波段雷達(dá)-電子探空儀觀測(cè)系統(tǒng)獲取的秒數(shù)據(jù)探測(cè)資料，時(shí)間分辨率、垂直分辨率都很高，可直接觀測(cè)霧區(qū)垂直結(jié)構(gòu)氣象要素的分布變化[10-12]，數(shù)據(jù)客觀真實(shí)，因此利用霧過程中的高空氣象觀測(cè)資料，研究霧區(qū)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)等要素隨高度的變化情況，是對(duì)霧特征研究的有效補(bǔ)充手段，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)諸多研究結(jié)果表明：秋冬季節(jié)霧多在夜間發(fā)生持續(xù)到次日上午[13-15]。2011年11月23日、25日、28日，12月3日、4日、5日中國中東部地區(qū)出現(xiàn)多次連續(xù)性、大范圍的大霧天氣。根據(jù)NOAA、FY-2、FY-3衛(wèi)星遙感的圖像和地面實(shí)況監(jiān)測(cè)資料，對(duì)這六次大霧天氣過程逐一分析，可以看出這幾日的霧多產(chǎn)生于凌晨1時(shí)，消散于9時(shí)以后，大霧持續(xù)時(shí)段集中在6～8時(shí)之間。本文基于霧過程發(fā)生時(shí)，高空臺(tái)站07:15觀測(cè)的相對(duì)濕度資料分析霧區(qū)垂直方向溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)場(chǎng)的變化特征，并對(duì)不同方式監(jiān)測(cè)的差異霧區(qū)進(jìn)行分析。

1　資料與方法

1.1資料來源

2011年11月23日～12月5日全國探空溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等觀測(cè)資料和地面相對(duì)濕度、能見度、天氣資料源于中國氣象局信息中心，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)霧區(qū)分布圖例源于國家衛(wèi)星氣象中心網(wǎng)站。

1.2探空資料確定霧區(qū)的方法

霧是在大氣中、地面上產(chǎn)生的水汽凝結(jié)現(xiàn)象[1]，是近地層相對(duì)濕度飽和區(qū)域，用探空數(shù)據(jù)可以表示為距地某高度范圍內(nèi)具有一定厚度的相對(duì)濕度最大值。首先需要確定高度區(qū)間，探空相對(duì)濕度觀測(cè)是從地面開始的，經(jīng)過對(duì)上述六次探空觀測(cè)資料多個(gè)高度層次（距地20 m、30 m、40 m、50 m）相對(duì)濕度的統(tǒng)計(jì)分析，確定距地30 m是本文研究讀取相對(duì)濕度最大值的合理高度（過程略）；其次，由于較薄的飽和水汽層不可能形成霧區(qū)，區(qū)間相對(duì)濕度最大值讀取時(shí)增加了濕層厚度條件，即秒數(shù)據(jù)必須連續(xù)兩組（5～8 m/組）以上，持續(xù)厚度＞10 m。以此為標(biāo)準(zhǔn)分別提取六次霧過程探空資料距地30 m高度內(nèi)、持續(xù)厚度＞10 m的相對(duì)濕度最大值，以5%為間隔，繪制全國相對(duì)濕度分布圖，通過與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)霧區(qū)和地面觀測(cè)有霧的站點(diǎn)區(qū)域?qū)Ρ鹊姆椒?，最后確定探空資料研究霧的相對(duì)濕度指標(biāo)。圖1為11月23日三種方式監(jiān)測(cè)的霧區(qū)對(duì)比圖（由于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)霧區(qū)分布圖例取自網(wǎng)站文檔，只有大霧分布局地圖，而地面和探空為人工制作，故為全國圖，探空?qǐng)D例較多，取吻合程度較好的距地30 m等值線圖）。圖1（a）中霧區(qū)主要分布在云南中東部、四川東部、陜西南部、貴州、重慶，及長江中下游地區(qū)；圖1（b）中，華北及相鄰區(qū)域相對(duì)濕度≤65%，江淮、華南地區(qū)均≥75%，相對(duì)濕度≥80%區(qū)域覆蓋了西南及長江中下游地區(qū)的所有地區(qū)，相對(duì)濕度≥85%的區(qū)域較為集中，主要分布在云南中東部、四川東部、重慶、湖南北部、貴州、及長江中下游地區(qū)，相對(duì)濕度≥90%的區(qū)域分布在重慶南部、貴州北部、及云南南部地區(qū)；圖1（c）霧區(qū)主要集中在四川東部、重慶、湖南北部、云南、貴州部分地區(qū)，及長江中下游地區(qū)，福建北部也有少量分布。

圖1　2011年11月23日中國中東部不同方式監(jiān)測(cè)的霧區(qū)（a）氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)；（b）探空相對(duì)濕度等值線圖；（c）地面觀測(cè)霧區(qū)Fig.1　Monitored patterns of fog areas in middle and eastern China on 23 Nov 2011（a）Fog area monitored by satellite；（b）Relative humidity distribution monitored by sounding；（c）Fog area monitored by ground observation

11月25日（圖略），衛(wèi)星監(jiān)測(cè)顯示霧區(qū)主要分布在云南中東部、四川東部、貴州大部、重慶、河南北部、山東南部、安徽及江蘇北部等地區(qū)；探空相對(duì)濕度等值線顯示相對(duì)濕度≥75%的區(qū)域覆蓋了我國中東部的大部分地區(qū)，相對(duì)濕度≥80%的區(qū)域分布在中部和長江中下游大部分地區(qū)，相對(duì)濕度≥85%落區(qū)在云南中南部、四川東部、貴州大部、重慶、湖北西部、湖南南部部分地區(qū)，及江西東南部、安徽、浙江、福建等四省交界區(qū)域；相對(duì)濕度≥90%的臺(tái)站區(qū)域較小，分布在重慶南部、及云南南部地區(qū)；地面觀測(cè)霧區(qū)主要集中在云南中南部、湖南西部，四川東部、及安徽、浙江、福建、江西等四省交界區(qū)域。

其余四個(gè)霧日分析結(jié)果近乎一致（圖略），對(duì)比后發(fā)現(xiàn)探空相對(duì)濕度等值線≥85%的區(qū)域與氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、地面觀測(cè)霧區(qū)有較好的一致性，因此，本文研究的探空霧區(qū)指標(biāo)為30 m高度內(nèi)、持續(xù)厚度＞10 m的相對(duì)濕度秒數(shù)據(jù)觀測(cè)最大值繪制的≥85%等值線區(qū)域。

2　結(jié)果分析

2.1霧區(qū)氣象要素隨高度的分布

2.1.1溫度廓線由表1可知，霧區(qū)溫度有相等（簡稱等溫，波動(dòng)范圍±0.1℃）、貼地逆溫、低層逆溫三種類型。其中，等溫約占記錄總數(shù)的33%，貼地逆溫約占記錄總數(shù)的57%，其余為低層逆溫。圖2 （a）給出了溫度廓線變化的三種典型類型：1205-58238（左邊四位為月份日期，右邊五位為臺(tái)站號(hào)）為貼地表等溫46 m，其上溫度隨高度升高而減??；1203-57494為貼地逆溫，離地后溫度隨高度升高而升高，逆溫厚度268 m，強(qiáng)度較大；1205～57083離地后溫度隨著高度升高而減小，距地340 m高度有低層逆溫；1128～58457為貼地等溫79 m，該高度以上再出現(xiàn)逆溫。霧區(qū)中低層逆溫較少單獨(dú)出現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)資料表明低層逆溫多與等溫同時(shí)出現(xiàn)。

表1　2011年11月23日～12月25日中國中東部霧區(qū)溫度、相對(duì)濕度廓線隨高度變化的不同類型及其臺(tái)站數(shù)Table 1 Different types of temperature and correlative humidity profile changing with height in fog area of middle and eastern China and stations from 23 Nov to 25 Dec 2011

圖2　2011年11月23日～12月25日中國中東部霧區(qū)邊界層氣象要素隨高度變化的廓線類型（a）溫度（b）相對(duì)濕度Fig.2　Different types of meteorological elements profiles changing with height in fog areas of middle and eastern China from 23 Nov to 25 Dec 2011（a）Temperature profiles；（b）Relative humidity profiles

2.1.2相對(duì)濕度廓線霧區(qū)相對(duì)濕度垂直方向變化有兩種類型：等濕和相對(duì)濕度增大。等濕指離地后相對(duì)濕度在一定高度內(nèi)保持不變或者有±2%的波動(dòng)，約占記錄總數(shù)的88%，如圖2（b）中1125～57516站；相對(duì)濕度增加型表現(xiàn)為離地后相對(duì)濕度隨高度升高逐漸增大，如1125～57328站；少數(shù)臺(tái)站地面相對(duì)濕度較大，但濕層厚度較薄，離地后相對(duì)濕度很快減小如1123～58457站；也有一些臺(tái)站霧與低云連接起來，表現(xiàn)為邊界層相對(duì)濕度保持不變或微小變化，如1203～57127站。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明發(fā)生霧區(qū)內(nèi)部水汽分布接近均勻。

2.1.3風(fēng)廓線風(fēng)場(chǎng)變化是研究霧形成、發(fā)展、持續(xù)、消亡的關(guān)鍵性因子[16，17]，統(tǒng)計(jì)探空霧區(qū)風(fēng)向頻率可知，11月23日到12月5日中東部霧區(qū)主導(dǎo)風(fēng)為NE、E、ENE，次主導(dǎo)風(fēng)為N、S、SW。隨著高度升高，風(fēng)向有：順時(shí)針偏轉(zhuǎn)、相對(duì)靜穩(wěn)（風(fēng)向不變、風(fēng)速為零）、先順后逆偏轉(zhuǎn)等變化，其中順時(shí)針偏轉(zhuǎn)的記錄最多，為38%，保持相對(duì)靜穩(wěn)的記錄為33%；統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)風(fēng)速隨高度變化較小，風(fēng)速≤1 m·s-1的記錄約占總數(shù)77%，也有個(gè)別記錄風(fēng)速隨高度持續(xù)增大，如11月23日的57494站，霧區(qū)厚度290 m，地面風(fēng)向45o、風(fēng)速為2 m·s-1，隨著高度升高風(fēng)向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，風(fēng)速持續(xù)增大，到達(dá)霧頂時(shí)風(fēng)向32o，風(fēng)速為7 m·s-1。

根據(jù)高空風(fēng)變化規(guī)律[18]可知，研究時(shí)段內(nèi)的霧多為在暖平流控制的天氣形勢(shì)下生成，風(fēng)向、風(fēng)速變化較小，層結(jié)穩(wěn)定。

2.2不同方式觀測(cè)的部分差異霧區(qū)相對(duì)濕度垂直分布的對(duì)比

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、地面觀測(cè)霧區(qū)與探空霧區(qū)有較好的一致性，但也存在部分差異，利用探空邊界層資料統(tǒng)計(jì)，分析不同方式監(jiān)測(cè)的部分差異霧區(qū)相對(duì)濕度隨高度的垂直分布。

2.2.1衛(wèi)星監(jiān)測(cè)衛(wèi)星和探空同時(shí)觀測(cè)的霧區(qū)其對(duì)應(yīng)臺(tái)站相對(duì)濕度垂直分布變化特征基本相同，差異部分則略有區(qū)別。

2011年11月23日云南北部、陜西、河南南部和11月25日河南中北部、江蘇北部等地衛(wèi)星監(jiān)測(cè)有霧，選取對(duì)應(yīng)探空臺(tái)站的邊界層相對(duì)濕度資料進(jìn)行分析，如圖3（a）所示。57083、58027站地面相對(duì)濕度分別為65%、61%，56651站地面相對(duì)濕度稍大，為85%，離地后，58027站相對(duì)濕度沒有太大變化，57083站相對(duì)濕度雖有增大趨勢(shì)但距地200 m范圍內(nèi)也還是≤70%，56651站離地后相對(duì)濕度很快減小；隨著高度變化在距地較高位置處，三站都有相對(duì)濕度較大的濕層存在，56651站在1700 m高度上有厚度為150 m、相對(duì)濕度＞95%的濕空氣層，58027站在1500 m高度上，有厚度＞500 m、相對(duì)濕度≥89%的濕空氣層；57083站在950 m高度上有厚度大于1020 m，相對(duì)濕度≥90%的濕空氣層。圖3 中3個(gè)臺(tái)站相對(duì)濕度廓線表現(xiàn)出共同特征，即近地層相對(duì)濕度較小，在邊界層中上層存在濕層，由此可知，這些臺(tái)站近地面相對(duì)濕度小，水汽含量少，不可能達(dá)到飽和狀態(tài)凝結(jié)成霧，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的霧區(qū)受到距地一定高度的低云干擾。

圖3　2011年11月23日～12月25日中國中東部不同方式觀測(cè)的部分差異霧區(qū)邊界層相對(duì)濕度垂直分布（a）衛(wèi)星監(jiān)測(cè)；（b）地面觀測(cè)Fig.3　The vertical distribution of relative humidity in the boundary layer of partial differences in fog area of middle and eastern China from 23 Nov to 25 Dec 2011（a）Monitored by satellite；（b）Monitored by ground observation

2.2.2地面觀測(cè)對(duì)比六次過程探空和地面霧區(qū)發(fā)現(xiàn)，探空相對(duì)濕度等值線≥85%范圍略大于地面觀測(cè)霧區(qū)，詳細(xì)分析超出區(qū)域?qū)?yīng)臺(tái)站的觀測(cè)資料，如11月23日的云南東部、四川南部、貴州西部地區(qū)和11月25日的重慶、貴州西部等地，探空相對(duì)濕度等值線≥85%，但是對(duì)應(yīng)的地面觀測(cè)站點(diǎn)沒有大霧現(xiàn)象，查看記錄的地面相對(duì)濕度、能見度、天氣現(xiàn)象等，典型情況如表2所示，56691站及周邊（貴州西部地區(qū)）有降水過程，56492（四川東部）與57516（重慶）有輕霧現(xiàn)象，都會(huì)導(dǎo)致近地面空氣層相對(duì)濕度較大。如長江上游重慶段記錄輕霧現(xiàn)象的站點(diǎn)較多，統(tǒng)計(jì)其不同能見度范圍的臺(tái)站數(shù)，69%的站點(diǎn)能見度≤3.0 km，而探空邊界層相對(duì)濕度廓線數(shù)據(jù)顯示此三站距地500 m高度內(nèi)相對(duì)濕度均≥85%。

上述分析可知，霧過程監(jiān)測(cè)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)易受低云干擾造成誤判，高空氣象探測(cè)無法剔除降水等天氣干擾，霧區(qū)范圍較大。

表2　2011年11月23日～12月25日中國中東部地面觀測(cè)差異霧區(qū)部分站點(diǎn)相對(duì)濕度、能見度、天氣現(xiàn)象Table 2 Humidity, visibility and weather phenomena observed by partial stations in fog area of middle and eastern China from 23 Nov to 25 Dec 2011

3　結(jié)論與討論

利用霧過程中的高空氣象觀測(cè)資料，分析霧區(qū)垂直方向氣象要素的變化情況，結(jié)論如下：

（1）霧區(qū)溫度變化有等溫、貼地逆溫和低層逆溫三種類型，其中貼地逆溫出現(xiàn)次數(shù)最多，約占記錄總數(shù)的52%。

（2）霧區(qū)相對(duì)濕度變化有兩種類型：等濕和相對(duì)濕度增大，其中等濕記錄出現(xiàn)次數(shù)最多，約占記錄總數(shù)的88%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明出現(xiàn)霧區(qū)水汽接近均勻分布。

（3）霧區(qū)風(fēng)向隨高度變化的方式主要有順時(shí)針偏轉(zhuǎn)、相對(duì)靜穩(wěn)（風(fēng)向不變、風(fēng)速為零）和先順后逆轉(zhuǎn)變化，其中順時(shí)針偏轉(zhuǎn)和相對(duì)靜穩(wěn)出現(xiàn)次數(shù)約占記錄總數(shù)的71%；霧區(qū)風(fēng)速變化低于1 m·s-1的記錄約占總數(shù)的77%，說明研究時(shí)段內(nèi)的霧區(qū)多為在暖平流控制的天氣形勢(shì)下生成，層結(jié)穩(wěn)定。

（4）造成不同方式觀測(cè)的霧區(qū)存在差異的原因：一是衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的霧區(qū)容易受低云干擾造成誤判，二是高空氣象探測(cè)無法剔除降水等天氣干擾，霧區(qū)范圍過大。

文章用距地30 m的探空秒數(shù)據(jù)資料作為讀取相對(duì)濕度最大值的高度范圍，是在綜合考慮霧區(qū)基本定義、做了大量對(duì)比分析工作的基礎(chǔ)上用比較方法確定的，結(jié)論客觀，但是否有普遍性，還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證和深入研究。

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Analysison Structural Featuresof Heavy Fog in Middle and Eastern China during Winter2011

YUANFang1，WANGWen-yan2，ZHAIYuan2，TANGWen-zhe2，XUJun-chang2，GONGZai-wu1*
1. Nanjing University of information Science＆Technology, Nanjing 210044，China
2. Xi’an Meteorological Bureau, Xi’an 710016，China

Abstract:There was lacking of an intuitive and effective monitoring method for a vertical structure change of relative humidity in the heavy fog area，however the radiosonde observation could make up to provide some reliable data for it. This paper analyzed the changes of meteorological elements in the vertical direction in the heavy fog area of the middle and eastern China in Autumn and Winter of 2011 through the contrast of data from the satellite monitoring and ground observation at six times. The results showed there were three types of temperature changes，including isotherm，surface inversion and low-level inversion，most of them was surface inversion accounting for 52%of the total number of records. There were two types of relative humidity changes in fog area，including constant humidity，which was observed most frequently accounting for 88%in all and relative humidity increased. This statistical data showed that a nearly uniform distribution of the water vapor mist existed. The types of wind direction changes with height included mainly clockwise deflection，relatively static stability（constant wind direction and wind speed is zero）and firstly clockwise and then reverse etc. Clockwise deflection and appear relatively stable accounted for nearly 71%of total；wind speed less than 1 m·s-1accounts for about 77%. A stable stratification of fog was achieved by weather situation under the control of the warm advection in study period. Moreover，the reasons of differences among observation methods was analyzed in this paper. There was erroneous judgement caused by interference of satellite monitoring fog zone due to low clouds and large fog area due to altitude meteorological detection could not reject interference of precipitation.

Keywords:Heavy fog；structural feature；2011

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail:zwgong26@163.com

作者簡介：袁方（1975-），男，陜西西安人，高級(jí)工程師，從事氣象服務(wù)工作. E-mail:305298939@qq.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（71171115）

收稿日期：2015-09-17修回日期：2015-12-07

中圖法分類號(hào):P412.23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1000-2324（2016）01-0072-05