滬渝高速（湖北段）路面溫度變化特征及預(yù)報(bào)研究

成丹 付曉輝

（湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205）

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滬渝高速（湖北段）路面溫度變化特征及預(yù)報(bào)研究

成丹 付曉輝

（湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205）

利用2013年6月—2014年8月滬渝高速湖北段滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段自動(dòng)氣象站逐分鐘觀測(cè)的路面溫度（以下簡(jiǎn)稱路溫）、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、降水等氣象資料，分析了滬渝高速湖北段不同路段在不同季節(jié)以及不同天空狀況條件下路溫的變化特征，同時(shí)基于統(tǒng)計(jì)分析方法針對(duì)各路段分別建立最高和最低路溫預(yù)報(bào)模型，并對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在不同季節(jié)和不同天空狀況下路溫和氣溫均具有明顯的日變化特征，但路溫與氣溫差值存在較大差異。滬蓉西路溫與氣溫的最大差值較其他三路段冬季偏高而夏季偏低。冬季，晴到多云和陰天在日落后至日出前期間，滬蓉西路溫和氣溫基本一致，而漢宜、武黃、黃黃路溫小于氣溫；雨天四路段的氣溫均小于路溫且滬蓉西最為明顯。夏季，在三種天空狀況下，四路段的氣溫均明顯小于路溫，且在晴到多云和陰天兩者午后差值最大。滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段1月路溫差異最小，而4、7、10月，路溫隨著四路段海拔高度的降低而升高。滬蓉西和黃黃路段路溫模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況的變化趨勢(shì)較為接近，該模型可以作為預(yù)報(bào)參考；漢宜和武黃路段個(gè)別時(shí)間點(diǎn)路溫模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況存在較大誤差，實(shí)際業(yè)務(wù)工作中需進(jìn)行適當(dāng)訂正。

路面溫度，日變化，預(yù)報(bào)模型，檢驗(yàn)

0　引言

交通運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和重要服務(wù)行業(yè)，而氣象條件對(duì)交通安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用［1］。對(duì)路溫與氣象條件的關(guān)系以及路溫的預(yù)報(bào)服務(wù)進(jìn)行深入研究，對(duì)交通事故的預(yù)防和減少具有重要意義。

近些年，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)不同路面的路溫預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了研究。綜合而言，大體分為兩類。一是理論分析法［2］，即利用氣象學(xué)和熱傳學(xué)的基本原理采用數(shù)值分析方法來建立瀝青路面溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)模型。例如，Shao等［3］利用能量守恒方法研制了自動(dòng)實(shí)時(shí)的路溫和路面狀況預(yù)報(bào)模型；賈璐等［4］利用熱傳導(dǎo)基本原理對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)模型建立，同時(shí)采用有限差分方法來進(jìn)行求解；朱承瑛等［5］基于太陽短波輻射等參數(shù)化方案，應(yīng)用地表熱量平衡方程提出了高速公路路溫機(jī)理模型。二是統(tǒng)計(jì)分析法［2］，即基于路面溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和各氣象要素資料，利用回歸分析建立路面溫度場(chǎng)與環(huán)境因素之間的定量關(guān)系。相較而言，統(tǒng)計(jì)分析法計(jì)算簡(jiǎn)單，建立的預(yù)報(bào)模型也具備一定的適度和精度。例如，吳晟等［6］對(duì)南嶺山高速公路的路面溫度與天氣狀況、氣溫等氣象要素的關(guān)系以及地形對(duì)該地區(qū)路溫的影響進(jìn)行了討論；田華等［7］通過利用滬寧高速公路沿線梅村和仙人山站兩套自動(dòng)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)兩站路面溫度在不同季節(jié)、不同天氣狀況下變化特征進(jìn)行分析，從而分別建立了最高和最低路面溫度統(tǒng)計(jì)模型；曲曉黎等［8］利用京石高速公路沿線保定、望都和正定三套自動(dòng)氣象站的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)京石高速路面溫度特征進(jìn)行了分析，并且研究了多種氣象因子與路面溫度的相關(guān)關(guān)系。

滬渝高速公路是重慶第二條出海大通道，在湖北途經(jīng)恩施、宜昌、荊州、仙桃、武漢、黃石、黃梅7座城市，該路段夏季路面高溫和冬季低溫冰雪時(shí)有發(fā)生。因此，本文利用滬渝高速公路沿線路面溫度等氣象要素監(jiān)測(cè)資料，分路段探討路面溫度的變化特征，并研究最高、最低路面溫度統(tǒng)計(jì)模型，為滬渝高速湖北段夏季路面高溫和冬季低溫冰雪預(yù)報(bào)提供一定參考。

1　資料與方法

滬渝高速公路湖北段全長(zhǎng)821.7km，包括滬蓉西、漢宜，武黃、黃黃等四個(gè)高速路段。該段路面材料選用了具有良好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的密級(jí)配中粒式瀝青混凝土上層路面。路段沿線共設(shè)定了56套自動(dòng)氣象站，其中普通站46個(gè)，特殊站10個(gè)。普通站觀測(cè)要素有氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度、降水；特殊站在普通站觀測(cè)要素基礎(chǔ)上增加了路溫、路面狀況等觀測(cè)要素。

本文主要利用安裝在滬渝高速滬蓉西路段附近的三岔口大橋（海拔708m）、漢宜路段附近的李埠鎮(zhèn)義合村（海拔95m）、武黃路段附近的華容區(qū)廟嶺鎮(zhèn)（海拔34m）、黃黃路段附近蘄河大橋（海拔25m）的四套自動(dòng)氣象站2013年6月—2014年8月逐分鐘路溫、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、降水等氣象要素資料，研究各路段路溫的變化特征，并且基于統(tǒng)計(jì)回歸方法分路段研究路溫同多個(gè)氣象要素的相關(guān)關(guān)系，從而建立最高和最低路溫統(tǒng)計(jì)模型。

2　結(jié)果分析

2.1路面溫度分布特征

2.1.1四路段路面溫度在不同季節(jié)的變化特征

圖1　2013年6月—2014年5月滬蓉西路段1月（a）、4月（b）7月（c）和10月（d）路溫和氣溫日變化Fig. 1 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Hurongxi in January （a）， April （b）， July （c），October （d） averaged over the period from June 2013 to May 2014

利用2013年6月—2014年5月滬渝高速湖北段不同路段自動(dòng)氣象站所監(jiān)測(cè)的逐分鐘氣象要素資料，以1、4、7、10月為代表月，分析各路段不同季節(jié)路溫和氣溫的日變化特征（圖1和2，漢宜、武黃路段圖略，下同）。可以發(fā)現(xiàn)，無論春、夏、秋、冬，各路段路溫和氣溫均在早晨達(dá)到最低值，日出后路溫升溫較快，位相超前于氣溫，這主要是因?yàn)槿粘龊笫艿教柖滩ㄝ椛渥饔?，地面?huì)迅速增溫，然后通過地氣相互作用加熱空氣，因此路溫比氣溫到達(dá)最大值的時(shí)間早，并且最大值高于氣溫。當(dāng)路溫達(dá)到最大值后立即呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而氣溫則是在最大值附近維持了一段時(shí)間才逐步下降，這主要是因?yàn)槁访娴拈L(zhǎng)波輻射使路溫下降明顯，而氣溫則是在其影響下才逐漸下降。1月，漢宜、武黃、黃黃在日落后時(shí)段路溫低于氣溫，這與滬蓉西不同。日出至日落時(shí)間內(nèi)，不同路段在不同季節(jié)路溫與氣溫存在較大差異。1月中午，滬蓉西路溫與氣溫的最大差值為4～5℃，7月為10～11℃；而漢宜、武黃、黃黃的1月中午的最大差值為2～3℃，7月則為14～16℃。這主要與地形相關(guān)，滬蓉西站點(diǎn)海拔高度較其他三站過高，冬季滬蓉西的氣溫偏低，而夏季漢宜、武黃、黃黃的路溫過高，使得冬季滬蓉西路溫與氣溫的差值較其他三路段偏高而夏季偏低。4和10月，漢宜、武黃、黃黃路溫與氣溫的最大溫差隨著海拔高度的降低而增大。

圖2　2013年6月—2014年5月黃黃路段1月（a）、4月（b）7月（c）和10月（d）路溫和氣溫日變化Fig. 2 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Huanghuang in January （a）， April （b）， July （c），October （d） averaged over the period from June 2013 to May 2014

圖3　滬蓉西路段1月雨天（a）、晴到多云（b）、陰天（c）和7月雨天（d）、晴到多云（e）、陰天（f）下的路面溫度和氣溫日變化Fig. 3 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Hurongxi for rainy days （a）， sunny to cloudy （b）， overcast （c） days in January and rainy days （d）， sunny to cloudy （e）， overcast （f） days in July

圖4　黃黃路段1月雨天（a）、晴到多云（b）、陰天（c）和7月雨天（d）、晴到多云（e）、陰天（f）下的路面溫度和氣溫日變化Fig. 4 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Huanghuang for rainy days （a）， sunny to cloudy （b）， overcast （c） days in January and rainy days （d）， sunny to cloudy （e）， overcast （f） days in July

圖5　滬蓉西、漢宜、武黃和黃黃四路段1月（a）、4月（b）、7月（c）和10月（d）路溫日變化Fig. 5 The diurnal variation of road surface temperature at Hurongxi， Hanyi， Wuhuang and Huanghuang in January （a），April （b）， July （c）， October （d）

2.1.2四路段路面溫度在不同天空狀況的變化特征

路溫與氣溫的差異同天氣條件密切相關(guān)，不同天空狀況下路面升溫有所區(qū)別。因此，本文使用日照時(shí)數(shù)來區(qū)分天空狀況，并且參考定時(shí)觀測(cè)的云量、云狀和天氣現(xiàn)象資料，綜合分為陰天、晴到多云兩種天空狀況。設(shè)定日照時(shí)數(shù)<3h為陰天，日照時(shí)數(shù)≥3h為晴到多云。同時(shí)將降水天氣列為一類，分三種天空狀況類型，對(duì)各路段的路溫和氣溫日變化特征進(jìn)行討論。由圖3和4可發(fā)現(xiàn)，晴到多云和陰天時(shí)，路溫和氣溫的日變化相較雨天更為明顯，中午路溫與氣溫的差值幅度也更大。冬季日落后至日出前這段時(shí)間，晴到多云和陰天，滬蓉西路溫和氣溫基本一致，而漢宜、武黃、黃黃路溫小于氣溫，主要原因是三路段在上述時(shí)段近地面層濕度較大，風(fēng)速較小，易造成穩(wěn)定的大氣層結(jié)從而導(dǎo)致逆溫出現(xiàn)，因此路溫低于氣溫。雨天，四路段的氣溫較小于路溫，且滬蓉西表現(xiàn)最為明顯。夏季，在三種天空狀況下，四路段的氣溫均明顯小于路溫，且在晴到多云和陰天的午后差值最大。由于四路段所處的局地小地形以及風(fēng)濕等氣象要素的差異，所以各路段路溫與氣溫的最大差值也有所不同。值得注意的是，在武黃和黃黃路段，7月雨天條件下，午后13—15時(shí)（北京時(shí)），路溫和氣溫均有較大幅度的下降，通過分析發(fā)現(xiàn)，武黃和黃黃均屬于強(qiáng)對(duì)流天氣的多發(fā)區(qū)，尤其在夏季午后通過短時(shí)強(qiáng)降水過程能夠使路溫和氣溫快速下降。

2.1.3不同路段路面溫度的變化特征

為了探討滬渝高速湖北段沿線路溫的變化差異，將滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段代表站點(diǎn)的路溫進(jìn)行對(duì)比（圖5），可以發(fā)現(xiàn)，四路段在不同季節(jié)路溫表現(xiàn)較大差異。4、7、10月，路溫隨著四路段海拔高度的降低而升高，其中，4和10月日出至日落時(shí)段，四路段的路溫差異較為均勻；7月漢宜、武黃、黃黃的路溫基本一致，滬蓉西由于地處較高的海拔高度，路溫明顯低于其他三路段；1月，四路段的路溫差異雖然較小，但是仍可發(fā)現(xiàn)午后滬蓉西、漢宜等海拔較高的路段路溫略高于武黃、黃黃等海拔較低的路段。滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在海拔高度、氣象條件、局部地形和周邊環(huán)境等因素的共同作用下，路溫表現(xiàn)出一定的差異，因此在對(duì)實(shí)際路溫進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，預(yù)報(bào)員應(yīng)當(dāng)區(qū)分不同路段進(jìn)行預(yù)報(bào)服務(wù)。

2.2建立路面溫度預(yù)報(bào)模型

2.2.1四路段最低路面溫度預(yù)報(bào)模型

利用2013年6月—2014年5月滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段自動(dòng)氣象站所監(jiān)測(cè)的逐日最低路溫與日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)來分別計(jì)算各路段最低路溫與最低氣溫的相關(guān)關(guān)系，得到圖6?？梢园l(fā)現(xiàn)，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段的日最低路溫與日最低氣溫具有非常顯著的線性相關(guān)關(guān)系。分別建立四路段最低路溫方程：

圖6　2013年6月—2014年5月滬蓉西（a）、漢宜（b）、武黃（c）和黃黃（d）最低路面溫度與最低氣溫點(diǎn)聚圖Fig. 6 The scatter diagram of the minimal air temperature against the minimal road surface temperature at Hurongxi （a），Hanyi （b）， Wuhuang （c） and Huanghuang （d） for the period from June 2013 to May 2014

滬蓉西：Y=1.10X－0.29 （1）

漢宜：Y=1.11X－0.36 （2）

武黃：Y=1.11X－0.54 （3）

黃黃：Y=1.10X－1.00 （4）

式中，Y代表日最低路溫，X為日最低氣溫，單位均為℃。

2.2.2四路段最高路面溫度與各氣象要素的相關(guān)關(guān)系

將滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段代表站點(diǎn)的最高路溫與多種氣象要素進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)（表1），可以發(fā)現(xiàn)，四路段的最高路溫與氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速三類氣象要素的日平均、日最高、日最低值相關(guān)性呈現(xiàn)較大的差異。其中，滬蓉西最高路溫與日最高氣溫、日最低相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速相關(guān)性最大；漢宜最高路溫與日最高氣溫、日平均相對(duì)濕度、日最大風(fēng)速相關(guān)性最大；武黃最高路溫與日最高氣溫、日最低相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速相關(guān)性最大；黃黃最高路溫與日最高氣溫、日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速相關(guān)性最大。以上氣象要素之間的相關(guān)性均通過了0.01或0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。因此，根據(jù)不同路段分別選取對(duì)應(yīng)的氣象要素作為預(yù)測(cè)最高路溫的預(yù)報(bào)因子。

2.2.3四路段最高路面溫度預(yù)報(bào)模型

根據(jù)不同路段，分別從氣溫X1j（j=1，2，3，分別表示日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫）、相對(duì)濕度X2j（j=1，2，3，分別表示日平均相對(duì)濕度、日最高相對(duì)濕度、日最低相對(duì)濕度）、風(fēng)速X3j（j=1，2，3，分別表示日平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速、日最小風(fēng)速）等因子中選用相關(guān)性最高的幾個(gè)因子對(duì)各路段的最高路溫建立預(yù)報(bào)模型。然后，分別對(duì)各路段選用的預(yù)報(bào)因子利用多元非線性逐步回歸方法進(jìn)行分析，最終得到下列方程：

表1　滬蓉西、漢宜、武黃和黃黃四路段最高路面溫度與氣象要素的相關(guān)統(tǒng)計(jì)Table. 1 The correlation between the maximal road surface temperature and meteorological elementss at Hurongxi， Hanyi， Wuhuang and Huanghuang

滬蓉西：Y=1.41X12－20.41X23－0.40X31+14.77 （5）

漢宜：Y=1.32X12－0.73X32+0.07X12×X32－1.34（6）

武黃：Y=1.52X12－3.91X23+2.10X31－3.41 （7）

黃黃：Y=1.57X12－11.70X21+0.72X31+5.07 （8）

式中，Y代表日最高路溫，單位為℃。四個(gè)方程均通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。

2.3路面溫度模型預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)

利用2014年6月1日—8月30日逐日最低和最高路溫、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等實(shí)況資料，對(duì)最低路溫和最高路溫預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，資料樣本長(zhǎng)為92d。表2為最低和最高路溫模型預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)值，可以看出，不同路段最低路溫和最高路溫預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率略有不同。其中，滬蓉西和黃黃預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率較高，最低路溫平均絕對(duì)誤差和均方要誤差都小于1℃，最高路溫在3℃左右。而漢宜和武黃最低路溫平均絕對(duì)誤差小于2℃，最高路溫在4℃左右。圖7和圖8分別是滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在2014年6月1日—8月30日最低路溫和最高路溫實(shí)況與模型預(yù)報(bào)結(jié)果的對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)，滬蓉西和黃黃最低和最高路溫模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況變化趨勢(shì)接近，說明這兩路段的模型預(yù)報(bào)效果較為準(zhǔn)確，可以作為預(yù)報(bào)參考。漢宜和武黃路溫模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況變化趨勢(shì)在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)存在較大誤差，因此在實(shí)際的預(yù)報(bào)工作中，對(duì)該模型進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，預(yù)報(bào)員可能需要考慮太陽輻射等氣象要素對(duì)路面的影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠喺?/p>

3　結(jié)論

1）不同季節(jié)，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃的路溫和氣溫具有明顯的日變化特征。同時(shí)，四路段在不同季節(jié)路溫與氣溫差值存在較大差異，滬蓉西路溫與氣溫的最大差值較其他三路段冬季偏高而夏季偏低。

2）滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在不同季節(jié)不同天空狀況下路面升溫有所差異。冬季晴到多云和陰天在日落后至日出前期間，滬蓉西路溫和氣溫基本一致，而漢宜、武黃、黃黃三路段路溫小于氣溫；雨天四路段的氣溫均小于路溫，且滬蓉西最為明顯。夏季在三種天空狀況下，四路段的氣溫均明顯小于路溫，且在晴到多云和陰天兩者午后差值最大。

3）1月，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段的路溫差異最小，4、7、10月，路溫隨四路段海拔的降低而升高。

4）滬蓉西和黃黃路段路溫模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況的變化趨勢(shì)較為接近，該模型可以作為預(yù)報(bào)參考；漢宜和武黃路段個(gè)別時(shí)間點(diǎn)路溫模型預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況存在較大誤差，實(shí)際業(yè)務(wù)工作中需進(jìn)行適當(dāng)訂正。

表2　滬蓉西、漢宜、武黃和黃黃四路段最低和最高路面溫度模型預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)（單位：℃）Table. 2 The test on the model forecast of the minimal and maximal road surface temperature at Hurongxi ， Hanyi ，Wuhuang and Huanghuang （unit:℃）

圖7　2014年6月1日—8月30日滬蓉西（a）、漢宜（b）、武黃（c）和黃黃（d）四路段最低路溫實(shí)況與模型預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比Fig. 7 Comparison of the minimal road surface temperature between the observations and the forecasts at Hurongxi （a），Hanyi （b）， Wuhuang （c） and Huanghuang （d） for days from 1 June to 30 August 2014

圖8　同圖7，但為最高路溫Fig. 8 Same as Fig. 7， but for the maximal road surface temperature

［1］王喆. 高速公路災(zāi)害性天氣研究. 交通標(biāo)準(zhǔn)化， 2007（1）： 105-108.

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Characteristics and Forecast Research of
Road Surface Temperature on Huyu Expressway（the Section in Hubei）

Cheng Dan， Fu Xiaohui
（Hubei Meteorological Service Center， Wuhan 430205）

In this paper， the monitoring data， which contain the road surface temperature， air temperature， wind speed， wind direction， relative humidity， precipitation observed at the traffic automatic weather stations named as Hurongxi， Hanyi，Wuhuang and Huanghuang on the Huyu expressway during the period from June 2013 to August 2014， are used to investigate the characteristics of the road surface temperature in different seasons and different sky conditions. The forecast model of the maximum and minimum road surface temperature are established for different sections by statistical analyses， and the forecast results are verifed. The results show that the road surface temperature and air temperature at Hurongxi， Hanyi， Wuhuang and Huanghuang stations display obvious diurnal variation as well as the difference between the road surface temperature and air temperature display differently. Compared with the other three sections， the maximum difference between the road surface temperature and air temperature at Hurongxi increases in winter and decreases in summer overall. The road surface temperature is close to air temperature at Hurongxi after sunset on sunny to cloudy and overcast days in winter， while less than air temperature at Hanyi， Wuhuang and Huanghuang. The air temperature is less than road surface temperature at the four stations on rainy days，of which the most signifcant at Hurongxi. In summer， the air temperature is less than road surface temperature at the four stations on three types of sky conditions and the difference between both is the biggest in afternoon on sunny to cloudy and overcast. The road surface temperature is very close to each other among the four stations in January， while become different with the decrease of altitude in April， July and October. The forecast results of the road surface temperature were nearly close to the actual observations at Hurongxi and Huanghuang. So they may be used as references. But there were some big errors between the forecasts and observations at particular times at Hanyi and Wuhuang stations， the forecasts should be corrected for actual business.

road surface temperature， diurnal variation， forecast model， verify

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.04.007

2014年11月24日；

2015年4月1日

成丹（1988—），Email: chengdan19880423@126.com

資助信息： 中國(guó)氣象局華中區(qū)域氣象中心科技發(fā)展基金項(xiàng)目（QY-Y-201406）