濟(jì)南地區(qū)大氣可降水量三種觀測反演資料的對比分析

王洪，雷恒池，楊超，宋永鵬，孟金，徐曉琳

(1. 山東省氣象信息中心，山東 濟(jì)南 250031； 2. 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實驗室，北京 100029； 3. 山東省氣象局，山東 濟(jì)南 250031)

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濟(jì)南地區(qū)大氣可降水量三種觀測反演資料的對比分析

王洪1，雷恒池2，楊超3，宋永鵬1，孟金1，徐曉琳1

(1. 山東省氣象信息中心，山東 濟(jì)南 250031； 2. 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實驗室，北京 100029； 3. 山東省氣象局，山東 濟(jì)南 250031)

大氣可降水量在研究大氣輻射和吸收，以及全球的熱量輸送，尤其是暴雨的預(yù)報預(yù)測等方面都發(fā)揮著重要作用。應(yīng)用2015年章丘站GPS/MET、微波輻射計和L波段探空3種設(shè)備反演的大氣可降水量數(shù)據(jù)，比較了三者之間的偏差特征。結(jié)果表明：GPS/MET、微波輻射計和L波段探空3種設(shè)備反演的大氣可降水量變化趨勢一致，但也存在明顯的系統(tǒng)偏差，量值從大到小分別是GPS/MET、微波輻射計、L波段探空。三者之間的偏差在春夏秋冬四季的差值都較為穩(wěn)定；GPS/MET比微波輻射計偏大4.5 mm左右，不會因為季節(jié)的改變而明顯地增大或減小。但標(biāo)準(zhǔn)差最大是夏季，其次是秋季，冬季最小。由于12：00 UTC水汽含量大于00：00 UTC，造成3種探測手段反演的大氣可降水量在12：00 UTC的標(biāo)準(zhǔn)差幾乎總是大于00：00 UTC，而相對偏差小于等于00：00 UTC。

大氣可降水量； GPS/MET； 微波輻射計； 探空

引言

大氣中的水汽雖然所占比例很小，約為0.1%～3%，但卻是大氣中最活躍的成分，是氣候和天氣變化過程中的重要參量。當(dāng)大氣的溫度變化時，水汽是唯一可以發(fā)生相態(tài)變化的大氣成分。隨著溫度、壓力的變化，水汽會發(fā)生三相變化，水汽的凝結(jié)、凝華會造成能量的釋放，生成云、雨、雪等天氣現(xiàn)象；當(dāng)云、霧消散時，又從大氣吸收熱量，使得水汽在各種尺度的天氣過程中發(fā)揮著重要作用。水汽的輸送與擴(kuò)散，也對云、降水等的形成起到至關(guān)重要的作用。大氣中以不同相態(tài)存在的水有著更復(fù)雜的輻射作用，水汽凝結(jié)成不同性質(zhì)的云，輻射特性也不同[1]。同時，水汽也是溫室氣體，地球上水汽總含量的長期變化可以作為全球氣候變化的一個指標(biāo)[2]。水汽的這些特性，使監(jiān)測水汽在天氣和氣候研究中占有重要的位置。

地面以上大氣柱中的水汽總含量為大氣可降水量，其量值反映了大氣中水汽含量的豐富程度，是產(chǎn)生降水的基礎(chǔ)，也是評估空中水資源的重要依據(jù)[3]。大氣可降水量在研究大氣輻射和吸收、全球的熱量輸送、天氣與氣候的預(yù)報預(yù)測等方面都發(fā)揮著重要作用[4]，同時，大氣可降水量是地面降水的來源，一定程度上決定著不同區(qū)域和時間條件下水資源的豐富程度和分布特征，對人工影響天氣作業(yè)指揮有指示性的作用。更加科學(xué)地開發(fā)空中水資源，有效地調(diào)節(jié)降水的時空分布，可以提高水資源的使用效率[5]，因此對大氣可降水量的實時監(jiān)測顯得尤為重要。目前業(yè)務(wù)上對大氣可降水量的探測主要有L波段探空雷達(dá)、地基GPS/MET、微波輻射計三種手段，開展不同資料反演的大氣可降水量精度檢驗是有必要的。向玉春等[6]計算的宜昌站GPS/MET比探空計算結(jié)果偏大5.6%。胡姮等[7]對比了4個站點(diǎn)的GPS/MET與探空資料，其中安慶、恩施兩站GPS/MET比探空值小，而河池、民勤兩站GPS/MET比常規(guī)探空偏大。徐桂榮等[8]對比了湖北省咸寧市氣象局黑山觀測站微波輻射計、探空和GPS/MET探測的大氣可降水量，發(fā)現(xiàn)三者從大到小依次為探空、微波輻射計、GPS/MET。盧會國等[9]對陽江探空比對試驗資料分析，得出國內(nèi)探空儀水汽測量值的變幅明顯高于GPS/MET。GPS/MET、微波輻射計和常規(guī)探空探測大氣可降水量的偏差特征與觀測站點(diǎn)、儀器型號、探測時段等有關(guān)，不同學(xué)者得出的偏差特征存在差異。本文基于2015年全年山東省濟(jì)南章丘站L波段探空雷達(dá)、地基GPS/MET、微波輻射計數(shù)據(jù)，評估濟(jì)南地區(qū)3種探測設(shè)備反演大氣可降水量產(chǎn)品的偏差特征，旨在為氣象業(yè)務(wù)人員使用該類數(shù)據(jù)提供更多的數(shù)據(jù)質(zhì)量參考。

1 資料選取與處理

1.1 L波段探空雷達(dá)

L波段探空雷達(dá)為GFE(L)型雷達(dá)-GTS1型數(shù)字式電子探空儀高空氣象探測系統(tǒng)，采用二次測風(fēng)雷達(dá)測距體制，能夠連續(xù)觀測氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速等氣象要素[10-11]。探空測量是在不同時間、不同地點(diǎn)進(jìn)行的，探空氣球上升到10 km所需的時間一般約為25 min，同時也會飄離到氣球施放地點(diǎn)下風(fēng)方十幾到幾十千米外[12]。定金才[13]指出，探空水汽積分量大致反映的是30 min內(nèi)，高度在8 km、水平半徑為30 km的大氣柱水汽含量的平均狀態(tài)。

L波段探空資料沒有直接的大氣可降水量產(chǎn)品，本文根據(jù)劉旭春等[14]、向玉春等[6]提出的內(nèi)插水汽壓方法計算得到大氣可降水量。

1.2 微波輻射計

微波輻射計為德國RPG公司研制的RPG-HATPRO-G3地基多通道微波輻射計，采用多通道并行測量技術(shù)。通過測量亮溫可以反演大氣變量，統(tǒng)計反演方法采用多元線性回歸、二次回歸或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，本研究中微波輻射計反演方法選擇的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

微波輻射計無需值守，可長期觀測，得到高時間分辨率的水汽含量產(chǎn)品，是目前探測大氣水汽含量最為準(zhǔn)確的一種基本設(shè)備[15]。微波輻射計受環(huán)境溫度的影響較大，溫度越低，微波輻射越強(qiáng)，所以測量時受背景溫度的影響使得在地面附近的探測精度較低[16]。微波輻射計受降水的影響較大，在降水發(fā)生時，雨水附著在儀器窗口上，會影響天線探測精度，使得反演數(shù)據(jù)失真[17]。即便是很弱的降水也會使天頂方向微波輻射計V波段亮溫的誤差信號達(dá)到飽和，致使水汽反演結(jié)果產(chǎn)生很大的偏差[18]。因此，為了避免降水對微波輻射計的影響，分析時需將降水影響的時次數(shù)據(jù)剔除，具體根據(jù)微波輻射計資料中的降水標(biāo)示(0為無降水，1為有降水)，認(rèn)為降水時段及降水開始前1 min和降水結(jié)束后1 min的大氣可降水量產(chǎn)品不可用。

1.3 地基GPS/MET

地基GPS/MET站點(diǎn)是與濟(jì)南測繪院共建站點(diǎn)，設(shè)備生產(chǎn)廠家為美國天寶公司。GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電波在穿過大氣層時，受到電離層電子、平流層和對流層大氣的折射延遲。通過測量對流層延遲，大氣靜力學(xué)延遲可以利用模型估計出大氣的濕延遲，利用濕延遲和水汽含量的關(guān)系，可以連續(xù)監(jiān)測大氣的水汽含量[19]，其時間分辨率一般為30 min。

對GPS/MET數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除GPS/MET數(shù)據(jù)的異值，異值的定義：單個數(shù)據(jù)值突增30 mm以上，且在下一個數(shù)據(jù)點(diǎn)下降到突增前的值上下10 mm。

1.4 統(tǒng)計量

將GPS/MET、微波輻射計、L波段探空三者大氣可降水量反演值的偏差進(jìn)行定量分析，采用以下方法，從不同角度檢驗3種探測手段的偏差特征。

平均偏差，即偏差的平均值：

(1)

偏差的標(biāo)準(zhǔn)差(Standerd Deviation)，也稱偏差的均方差(Mean Square Error)：

(2)

相對方差：

(3)

其中，n為樣本數(shù)，由下文可知n=730，a和b分別為3種探測手段中其中兩者的大氣可降水量探測值。

本文所用資料為2015年1月1日—12月31日上述3種資料，其中L波段探空和地基GPS/MET設(shè)備在同一觀測站內(nèi)，即濟(jì)南章丘氣象局觀測場，微波輻射計距離該觀測場直線距離約50km。因此，對于這三種觀測手段的對比檢驗時，結(jié)果除了包含真正的誤差外，也包含探測設(shè)備本身的內(nèi)在差異和外在觀測距離的不同導(dǎo)致的差異。

2015年全年L波段探空數(shù)據(jù)為730次觀測，其中6次為空值，時間分辨率為12h；微波輻射計采集到358d數(shù)據(jù)，資料的時間分辨率為1～3s，資料樣本數(shù)為10 628 479；GPS/MET采集到17 519次觀測數(shù)據(jù)，其中有2 135次觀測為空值，有效數(shù)據(jù)為15 384次，時間分辨率為30min。由于L波段探空資料在00時和12時(UTC)各一次，時間分辨率最低，3種探測手段對比分析時，選取GPS/MET在00：00UTC和12：00UTC的數(shù)據(jù)、L波段探空數(shù)據(jù)、微波輻射計在00:00—00:30和12:00—12:30兩個觀測時段的平均值三者進(jìn)行匹配分析。

2 結(jié)果分析

2.1 偏差的年變化

圖1給出GPS/MET、微波輻射計和L波段探空三者2015年大氣可降水量的時間序列圖。三者總體的變化趨勢是一致的，全年呈現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn)。大氣可降水量從4月10mm左右開始逐漸增大，雖有波動，但是增大趨勢明顯，夏季7—8月達(dá)到峰值，最大可達(dá)到70mm以上，8月以后開始迅速下降。但是三者也存在明顯的差異性，GPS/MET探測到的水汽含量值高于微波輻射計和L波段探空，微波輻射計和L波段探空值較為一致。

圖1 2015年章丘站大氣可降水量 Fig.1 Precipitable water vapor of Zhangqiu station in 2015

下面對GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演獲取的大氣可降水量值之間的偏差統(tǒng)計，表1給出了三者的偏差統(tǒng)計值。從表1中可以看出，三者的相關(guān)系數(shù)(R)較高，都達(dá)到了97%以上。微波輻射計和L波段探空之間的平均偏差最小，為1.36 mm；標(biāo)準(zhǔn)差為2.62 mm；相對方差也最小，為13.06%。說明微波輻射計和L波段探空之間一致性較高，離散程度也較低。而GPS/MET相對于微波輻射計和探空呈現(xiàn)水汽含量值偏大的特點(diǎn)，雖然GPS/MET與其余兩者的平均偏差較大，分別為4.67 mm和-5.97 mm；但標(biāo)準(zhǔn)差不大，分別為3.02 mm和2.80 mm，即離散程度不大。說明GPS/MET與其余兩種探測方法之間存在一個穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差，即研究所選取的濟(jì)南章丘站點(diǎn)GPS/MET反演的大氣可降水量值有整體偏高的誤差特點(diǎn)。

表1 GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演的大氣可降水量之間的偏差統(tǒng)計

Table 1 Precipitable water vapor deviation statistics among GPS/MET, microwave radiometer and L-band sounding

BIAS/mmSD/mmEPCE/%R/%擬合方程GPS/MET—微波輻射計4 673 0222 4997 79Y=0 97x+3 97微波輻射計—L波段探空1 362 6213 0698 31Y=0 96x-0 73L波段探空—GPS/MET-5 972 8022 3098 34Y=0 98x+6 42

圖2 2015年章丘站不同季節(jié)GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演的大氣可降水量Fig.2 Precipitable water vapor of Zhangqiu station in four seasons in 2015

2.2 偏差的季節(jié)變化

為了進(jìn)一步分析不同探測手段反演的大氣可降水量在不同季節(jié)的偏差特征，下面分析GPS/MET、微波輻射計、L波段探空在春、夏、秋、冬四季的偏差特征。季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：3—5月為春季；6—8月為夏季；9—11月為秋季；12月—次年1月為冬季。圖2給出了不同季節(jié)GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演的大氣可降水量的時間序列圖。無論哪個季節(jié)，三者的變化趨勢吻合較好，波峰和波谷有較好的對應(yīng)性。但紅色的GPS/MET值略高于微波輻射計和L波段探空；尤其是在整個冬季，GPS/MET高于另外兩者，微波輻射計和L波段探空之間差別不明顯。

下面定量分析三者在不同季節(jié)的偏差特征，從表2中可以看到，大氣可降水量探測值從大到小分別是GPS/MET、微波輻射計、L波段探空。GPS/MET與微波輻射計之間的偏差，春、夏、秋、冬分別為4.98 mm、4.83 mm、4.65 mm、4.41 mm，差值較為穩(wěn)定；標(biāo)準(zhǔn)差最大是夏季，其次是秋季，冬季最小，主要原因是夏季大氣可降水量平均值大，振幅也大，而冬季的平均值較??；但是相對方差卻恰恰相反且相差顯著，冬季最大(63.18%)，春、秋季次之(29.56%、27.58%)，最小是夏季(15.21%)，說明GPS/MET比微波輻射計的值偏大4.5 mm左右，不會因為季節(jié)的改變而明顯地增大或減小，即偏差不會因為大氣可降水量值的大小而改變，因此冬季大氣可降水量少時，相對方差很大。同理，L波段探空和GPS/MET，兩者之間也存在較大的系統(tǒng)偏差；而微波輻射計和L波段探空之間偏差較小，最大偏差夏季1.86 mm，最小冬季0.98 mm。

綜上所述，3種探測設(shè)備反演的大氣可降水量值從大到小依次為GPS/MET、微波輻射計、L波段探空， 這種偏差為系統(tǒng)偏差，平均偏差值春、夏季略高，秋、冬季略低。但相對于大氣可降水量值來說，平均偏差總是維持在一個相對穩(wěn)定的水平上，即GPS/MET比微波輻射計偏大4.5 mm左右，比L波段探空偏大6 mm左右，微波輻射計比L波段探空偏大1 mm左右。相對方差都是冬季最大，春、秋季次之，夏季最小。

圖3 2015年章丘站在不同時次GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演的大氣可降水量之間的偏差(MR指微波輻射計：Microwave Radiometer)(a. 00:00 UTC, b. 12:00 UTC)Fig.3 Precipitable water vapor of Zhangqiu station at 00:00 UTC(a) and 12:00 UTC(b) in 2015

2.3 偏差的日變化

由于L波段探空每天只有兩次探測數(shù)據(jù)，00：00 UTC和12：00 UTC，因此將GPS/MET和微波輻射計對應(yīng)時次的數(shù)據(jù)與探空進(jìn)行對比。宋淑麗[20]指出每天00:00 UTC和12:00 UTC這兩個時刻正好是目前GPS資料處理弧段的兩端點(diǎn)，也就是端部效應(yīng)，會影響GPS/MET的探測精度。圖3給出三者在00：00 UTC和12：00 UTC的偏差分布，可以看到，2.2節(jié)中提到的偏差特征依然存在，即GPS/MET、微波輻射計、L波段探空三者的大氣可降水量值依次減小。值得注意的是，12：00 UTC偏差的離散程度大于00：00 UTC。

表2 GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演的大氣可降水量在不同季節(jié)的偏差統(tǒng)計

Table 2 The deviation statistics of precipitable water vapor inverted by GPS/MET, microwave radiometer and L-band sounding in four seasons

季節(jié)BIAS/mmSD/mmEPCE/%GPS/MET—微波輻射計春季4 982 9029 56夏季4 833 5915 21秋季4 653 5227 58冬季4 411 7863 18微波輻射計—L波段探空春季1 542 4614 64夏季1 863 679 45秋季1 142 3810 82冬季0 981 3621 71L波段探空—GPS/MET春季-6 682 3731 75夏季-6 203 8916 41秋季-5 762 6523 59冬季-5 381 3747 15

表3給出了GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演的大氣可降水量在不同時次偏差的定量統(tǒng)計值。通過對00：00 UTC和12：00 UTC時偏差統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，GPS/MET和L波段探空之間的平均偏差值最大，微波輻射計和L波段探空間的偏差值最小。12：00 UTC的標(biāo)準(zhǔn)差總是大于00：00 UTC，而相對偏差小于等于00：00 UTC，這主要是因為12：00 UTC水汽含量大于00：00 UTC，其相應(yīng)的振幅也較大。

表3 GPS/MET、微波輻射計、L波段探空反演的大氣可降水量在不同時次的偏差統(tǒng)計

Table 3 Precipitable water vapor deviation statistics among GPS/MET, microwave radiometer and L-band sounding at 00:00 UTC and 12:00 UTC

時次(UTC)BIAS/mmSD/mmEPCE/%GPS/MET—微波輻射計00：004 563 0222 5712：004 773 0122 24微波輻射計—L波段探空00：001 502 5511 4512：001 172 6010 37L波段探空—GPS/MET00：00-6 062 5022 6812：00-5 893 0921 92

3 偏差產(chǎn)生的原因

L波段探空比起另外兩種儀器反演的大氣可降水量有偏低的特征，唐南軍等[21]利用2008年12月—2009年11月中國91個L波段探空站的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：L波段探空系統(tǒng)在對流層中下層出現(xiàn)異常偏干的現(xiàn)象，不是個例，而是具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?。L波段的這種偏干已經(jīng)超出了大氣中可能出現(xiàn)的自然異常，主要是由于濕度傳感器的不良性能造成的，并與探空氣球穿過的云層云型特征相關(guān)。這也是各國目前存在的普遍性問題，與濕度傳感器低溫性能不好，低溫易凍結(jié)失效，靈敏性差，尤其是探測不到卷云時較高的相對濕度[21-23]有關(guān)。此外，在利用探空資料計算大氣可降水量時，采用內(nèi)插水汽壓的方法[14,6]，這樣使得計算的大氣可降水量PWV偏低。因此探空反演的大氣可降水量值總是偏小。

GPS/MET反演的大氣可降水量呈現(xiàn)出明顯偏大的特點(diǎn)，這可能與反演時參數(shù)的設(shè)定有關(guān)。在利用GPS濕延遲(Zenith Wet Delay，ZWD)推算PWV時，轉(zhuǎn)換系數(shù)Π的精度直接影響PWV的精度：PWV=Π×ZWD，而Π又由加權(quán)平均溫度Tm計算得到，因此只有準(zhǔn)確確定Tm值，才能確保Π的精度[24]。Tm的精度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)[25]，計算出局地的回歸公式，這也是今后要解決的主要問題。

微波輻射計在無降水時段反演的大氣可降水量較為穩(wěn)定，但也存在一定的系統(tǒng)誤差源。微波輻射計在溫度降低時，如夜間，水汽發(fā)生凝結(jié)，天線罩上的水滴散射、發(fā)射、吸收等的影響，會使觀測的亮溫偏差較大，這種偏差會通過反演模型進(jìn)行傳遞，進(jìn)而影響其探測的準(zhǔn)確度[26]。

3種探測手段不同的反演原理也是誤差的來源之一；對比時的計算方法也存在一定的誤差源，如設(shè)備間的觀測距離、觀測時間等。另外，晴、雨天氣的過渡期，相對濕度的變化較快，不同儀器采樣時間的不同會導(dǎo)致較大的系統(tǒng)偏差。

4 小結(jié)

1)2015年，GPS/MET、微波輻射計和L波段探空3種設(shè)備反演的大氣可降水量變化趨勢一致，三者的相關(guān)系數(shù)較高，都達(dá)到了98%以上。同時，也存在明顯的差異性，GPS/MET探測到的水汽含量值高于微波輻射計和L波段探空，微波輻射計和L波段探空趨勢較為一致。

2)大氣可降水量探測值從大到小分別是GPS/MET、微波輻射計、L波段探空。GPS/MET與微波輻射計、L波段探空之間的偏差在春、夏、秋、冬四季的差值都較為穩(wěn)定；GPS/MET比微波輻射計的值偏大4.5 mm左右，不會因為季節(jié)的改變而明顯地增大或減小。但標(biāo)準(zhǔn)差最大是夏季，其次是春、秋季，冬季最小。微波輻射計和L波段探空之間偏差較小且相對穩(wěn)定，最大偏差夏季為1.86 mm，冬季最小，為0.98 mm。

3)由于12：00 UTC水汽含量大于00：00 UTC，造成3種探測手段反演的大氣可降水量在12：00 UTC的標(biāo)準(zhǔn)差幾乎總是大于00：00 UTC，而相對偏差小于等于00：00 UTC。

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A comparison of datasets of precipitable water vapor over Jinan retrieved by three kinds of equipments

WANG Hong1, LEI Hengchi2, YANG Chao3, SONG Yongpeng1, MENG Jin1, XU Xiaolin1

(1.ShandongProvincialMeteorologicalInformationCenter,Jinan250031,China; 2.KeyLaboratoryofCloud-P￣r￣e￣c￣i￣p￣i￣t￣ationPhysicsandSevereStorms,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China; 3.ShandongProvincialMeteorologicalBureau,Jinan250031,China)

Precipitable water vapor is one of the key factors in study of atmospheric radiation transfer and absorption, global wide heat transfer, and prediction of heavy rainfall. Using precipitable water vapor data in 2015 retrieved by GPS/MET, microwave radiometer and L-band sounding respectively at Zhangqiu Station, the characteristics of the 3 kinds of datasets are studied. The results show that the variation trends of the 3 kinds of datasets are similar, but with significant systematic deviations. The mean values of precipitable water vapor from big to small are retrieved by GPS/MET, microwave radiometer and L-band sounding respectively. The mean deviations among the three kinds of datasets have little changes in different seasons, while the mean deviation of dataset retrieved by GPS/MET from dataset retrieved by microwave radiometer is about 4.5 mm. However, there are significant seasonal changes in the spread of deviation, which reaches its largest value in summer, followed by autumn, spring and winter. Since atmospheric water vapor content at 12:00 UTC is greater than that at 00:00 UTC, the spread of deviation of precipitable water vapor is always larger at 12:00 UTC than that at 00:00 UTC, and the relative error at 12:00 UTC is always less than or equal to that at 00:00 UTC.

precipitable water vapor; GPS/MET; microwave radiometer; sounding

2017-04-10；

2017-06-09

山東省氣象局科研項目(2014SDQN07，2014SDQXZ03)

王洪(1984—)，女，碩士，工程師，主要從事大氣遙感方面的研究，sdsqxjyqj@163.com。

P412.2

A

2096-3599(2017)02-0083-07

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.02.010