康麗娟,巴特爾·巴克,羅那那,薛亞榮,王孟輝
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052)
【研究意義】氣候變化是當(dāng)前全球廣泛關(guān)注的問(wèn)題。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出,氣候變暖是毋庸置疑的事實(shí),全球所有地區(qū)幾乎都有升溫現(xiàn)象,1901~2012年全球陸地和海洋溫度平均增加了0.89℃[1]。在北半球,1983~2012年可能是最近1 400 a來(lái)氣溫最高的30 a[2]。研究表明,中國(guó)氣候變暖與全球氣候變暖基本同步[3];我國(guó)西北地區(qū)氣溫持續(xù)攀升,年平均氣溫以0.32℃/10 a的幅度升高,年降水量變化趨勢(shì)存在顯著的區(qū)域差異,西北地區(qū)西部和中部降水量呈顯著增加趨勢(shì)[4];新疆是降水量增加最快的地區(qū)[5],新疆位于中國(guó)西北邊陲,深居內(nèi)陸,氣候干燥,降水少,生態(tài)環(huán)境脆弱,是全球變化的敏感區(qū)域[6],氣候變化將影響新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)與環(huán)境等多方面?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來(lái),在全球變暖背景下,學(xué)者們對(duì)新疆氣候變化研究十分關(guān)注,已有研究關(guān)注于氣候變化對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的影響。張延偉等[7]利用北疆20個(gè)氣象臺(tái)站的逐日降水量、最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫資料,采用極端降水和氣溫事件的各種指標(biāo),對(duì)極端氣候事件時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行分析,認(rèn)為北疆極端氣溫和降水有顯著增加趨勢(shì);唐湘玲等[8]研究表明近37 a來(lái),氣候變化引起的極端氣候事件對(duì)新疆農(nóng)作物的受災(zāi)面積及成災(zāi)面積均以不同幅度呈現(xiàn)出上升趨勢(shì);賈洪濤等[9]研究表明,新疆近年來(lái)大旱、冰雪的災(zāi)害天氣頻繁出現(xiàn),對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成不良影響。針對(duì)新疆北疆氣溫與降水變化特征的研究也不少,羅那那等[10]利用北疆48個(gè)氣象臺(tái)站的降水量數(shù)據(jù)研究表明新疆北疆降水呈增加趨勢(shì);甘艷露等[11]采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)法研究1956~2006年新疆北疆8個(gè)地州年均氣溫和年降水量的變化,結(jié)果表明,北疆氣溫與降水有大致相同的增加趨勢(shì),且大部分地州氣溫出現(xiàn)突變;馬建勇等[12]依據(jù)北疆1955~2009年月平均氣溫、降水資料,運(yùn)用線性傾向的最小二乘法分析北疆年、季平均氣溫及降水的演變趨勢(shì),認(rèn)為北疆年平均氣溫和降水量在波動(dòng)中整體呈上升趨勢(shì),氣候傾向率分別為0.332℃/10 a及0.016(mm/d)/10 a?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究都是針對(duì)新疆北疆年均溫和年降水量變化特征的研究,而對(duì)全疆和各季節(jié)的氣溫、降水變化規(guī)律的研究較少;并且在氣候變暖背景下新疆極端天氣、氣候事件頻發(fā),氣象災(zāi)害加大了農(nóng)牧業(yè)的損失[13]。研究新疆氣溫和降水量多年時(shí)空變化規(guī)律,可為將來(lái)氣候變化趨勢(shì)提供預(yù)測(cè),合理規(guī)避災(zāi)害?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】近53 a來(lái)新疆全境氣溫和降水在時(shí)間和空間上是如何變化的,突變情況是如何發(fā)生的,探討新疆氣候變化對(duì)全球變暖的區(qū)域響應(yīng),提高對(duì)新疆氣候變化規(guī)律的認(rèn)識(shí);為新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)提供理論依據(jù),并且有望加強(qiáng)新疆應(yīng)對(duì)氣候變暖所帶來(lái)的威脅和災(zāi)難的能力。
1.1 材 料
新疆位于中國(guó)西北邊陲,面積占中國(guó)國(guó)土總面積的1/6。地處73°40′E~96°18′E,34°25′N~48°10′N,屬于溫帶大陸性氣候,氣溫溫差大,降水少,氣候干燥,地域遼闊,地形地貌復(fù)雜多樣。圖1
圖1 研究區(qū)域和氣象站點(diǎn)分布
Fig.1 Distribution of regional and meteorological stations
研究所用資料由國(guó)家氣象信息中心提供,由于站點(diǎn)資料的時(shí)間長(zhǎng)度不一致,為確保資料的可靠性和一致性,選取新疆65個(gè)氣象臺(tái)站1961~2013年逐日氣溫、降水量資料。將季節(jié)劃分為:春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~次年2月)。
1.2 方 法
1.2.1 線性趨勢(shì)
用一元線性方法描述氣溫、降水的變化趨勢(shì),即:
y=bt+a.
(1)
式中,y為氣象要素,b為回歸系數(shù),t為時(shí)間序列?;貧w系數(shù)b表示氣象要素y的趨勢(shì)傾向,b>0為上升趨勢(shì),b<0為下降趨勢(shì)。通常用10b表示y的變化速率,單位為:℃/10 a[14]。
1.2.2 距平和累計(jì)距平[15]
距平是氣象上常用的量,主要用來(lái)確定對(duì)平常值的正常情況的偏差。
(2)
累計(jì)距平是判斷某一氣候要素變化趨勢(shì)的方法。
1.2.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)
氣候突變的普適定義為:氣候從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象,它表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性的急劇變化[16]。采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法來(lái)分析突變,其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾[3],人為性少,定量程度高,計(jì)算較簡(jiǎn)便[12]。在M-K突變檢測(cè)中,給定顯著性水平α=0.05,則臨界值U0.05=±1.96,將UF(原氣象序列)和UB(反向氣象序列)曲線圖與±1.96的2條臨界直線繪在一張圖上。若UF或UB超過(guò)臨界直線,表明上升或下降趨勢(shì)顯著,超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UF和UB 2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界線之間,那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始時(shí)間。Mann-Kendall檢驗(yàn)的基本原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。
2.1 氣溫與降水的年際變化
1961~2013年,新疆年平均氣溫在1961~1988年以負(fù)距平為主,1989~2013年以正距平為主,1989~2013年年平均氣溫比1961~1988年高0.97℃。新疆年平均氣溫變化在6.46~9.23℃,年平均氣溫在波動(dòng)中逐漸上升,氣候傾向率為0.32℃/10 a(P<0.01)(圖2a),明顯高于全國(guó)平均增暖速率0.22℃/10 a[17]。新疆四季平均氣溫均呈現(xiàn)增高的趨勢(shì),其中冬季增溫幅度最大,達(dá)到0.39℃/10 a(圖2e);秋季次之,為0.37℃/10 a(圖2d);春季為0.30℃/10 a(圖2b);夏季增溫幅度最小,為0.23℃/10 a(圖2c)。全國(guó)四季均溫增暖速率分別為:冬季0.36℃/10 a,春季0.23℃/10 a,秋季0.19℃/10 a,夏季0.12℃/10 a[12]??梢?jiàn),新疆年和四季氣候變化趨勢(shì)與全國(guó)變化趨勢(shì)相似,均呈現(xiàn)增暖現(xiàn)象,且增溫速率均高于全國(guó)的。
1961~2013年,新疆年降水量在1961~1986年以負(fù)距平為主,1987~2013年以正距平為主,1987~2013年年降水量比1961~1986年多52.87 mm。新疆年降水量變化在81.18~237.01 mm,年降水量在波動(dòng)中逐漸上升,氣候傾向率為16.24 mm/10 a(P<0.01)(圖2f),與全國(guó)平均年降水量波動(dòng)略有減少的趨勢(shì)相反[17],新疆年降水量增加趨勢(shì)顯著。新疆四季降水量均呈現(xiàn)增多的趨勢(shì),其中夏季降水量增多幅度最大,達(dá)到4.80 mm/10 a(圖2h);冬季次之,為4.51 mm/10 a(圖2j);春季為3.64 mm/10 a(圖2g);秋季降水量增加幅度最小,為3.48 mm/10 a(圖2i)。圖2
2.2 氣溫與降水的年代際變化
新疆年均溫的年代際變化呈現(xiàn)出明顯的增暖趨勢(shì),在1961~1970、1971~1980和1981~1990年氣溫偏冷,但在此期間,氣溫隨著年代際的增加而升高,并在1991~2000年開(kāi)始變暖,其后氣溫逐年升高,且上升幅度加大。季節(jié)溫度的年代際變化也呈現(xiàn)出增暖趨勢(shì),其中春、夏、秋季均溫與年均溫的變化趨勢(shì)相同,均在1991~2000年開(kāi)始變暖,只有冬季均溫在1981~1990年開(kāi)始變暖,較其他季節(jié)開(kāi)始變暖早10 a。表1
圖2 1961~2013年新疆氣溫與降水量的年、季節(jié)變化
Fig.2 The annual and seasonal variations of temperature and precipitation in Xinjiang
表1 1961~2013年新疆年、季節(jié)溫度距平年代際變化
Table 1 The decade change of annual seasonal temperature anomaly in Xinjiang(℃/10 a)
季節(jié)Season年份 Year1961~19701971~19801981~19901991~20002001~2013春Spring-028-055-044005094夏Summer-035-025-021000062秋Autumn-068-023-037001097冬Winter-099-069031095035年Annual-058-044-018023075
新疆降水量年代際變化也呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì),年降水量在1961~1970和1971~1980年偏少,1981~1990年降水量開(kāi)始增加,隨后降水量逐年增多,且增多幅度逐年加大。季節(jié)降水量的年代際變化同樣呈增加趨勢(shì),除夏季降水量在1991~2000年開(kāi)始增多以外,其他三個(gè)季節(jié)的降水量均在1981~1990年開(kāi)始增多,與年降水量開(kāi)始增多的時(shí)間相同。表2
表2 1961~2013年新疆年、季節(jié)降水量距平年代際變化
Table 2 The decade change of annual seasonal precipitation anomaly in Xinjiang(mm/10 a)
季節(jié)Season年份 Year1961~19701971~19801981~19901991~20002001~2013春Spring-700-867414279672夏Summer-883-1050-084962812秋Autumn-830-682523198608冬Winter-921-679132452847年Annual-3346-325696118932882
2.3 氣溫與降水量的空間變化
采用反距離加權(quán)插值法分別對(duì)65個(gè)氣象站的溫度和降水量變化的年、季節(jié)氣候傾向率進(jìn)行內(nèi)插,得到新疆近百年來(lái)年均溫和降水量變化的空間分布。圖3
2.3.1 氣溫的空間變化
近53 a來(lái),新疆各地年均溫(圖3a)均呈上升趨勢(shì),平均增幅為0.32℃/10 a。氣溫上升幅度明顯的地區(qū)位于東疆以及北疆西部和北部,升溫中心位于淖毛湖(0.76℃/10 a);增溫幅度較小的有南疆阿克蘇地區(qū)的阿拉爾市、柯坪縣和庫(kù)車縣,其中阿拉爾市增幅最小(0.03℃/10 a)。
新疆春季均溫(圖3b)均呈上升趨勢(shì),平均升溫幅度為0.30℃/10 a。溫度升高幅度較大的地區(qū)位于東疆、北疆塔城地區(qū)西部和阿勒泰地區(qū)東部以及南疆的克州和喀什地區(qū)西部和南部,其中溫度增幅最大的地區(qū)位于南疆喀什市(0.94℃/10 a),其次是東疆哈密市淖毛湖(0.76℃/10 a);氣溫升高幅度較小的有北疆烏魯木齊市、博州西部以及南疆阿克蘇地區(qū)的柯坪縣、庫(kù)車縣,增幅最小的是北疆博州的溫泉縣(0.01℃/10 a)。
新疆夏季均溫增幅最小,平均升溫幅度為0.23℃/10 a。由圖3c可知,北疆烏魯木齊市、阿勒泰市、奇臺(tái)縣以及南疆阿克蘇地區(qū)的阿拉爾市、庫(kù)車縣、柯坪縣和喀什地區(qū)的巴楚縣溫度均在下降,降幅最大的地區(qū)位于巴楚縣(-0.53℃/10 a);新疆其他地區(qū)夏季均在升溫,其中東疆、北疆塔城地區(qū)的西部和阿勒泰地區(qū)東部以及南疆巴州溫度上升幅度較大,升溫中心位于哈密市的淖毛湖(0.8℃/10 a)。
新疆秋季溫度(圖3d)平均增幅為0.37℃/10 a,南疆個(gè)別地方有降溫現(xiàn)象,其中南疆阿克蘇地區(qū)的阿拉爾市和庫(kù)車縣、喀什地區(qū)的喀什市以及克州的阿圖什市溫度在下降,降幅最大的是喀什市(-0.56℃/10 a);秋季溫度增幅較大的地區(qū)位于東疆和北疆,增溫中心位于東疆哈密市的七角井(0.89℃/10 a)。
新疆冬季溫度(圖3e)增幅最大,平均增幅為0.39℃/10 a。增幅較大的地方有東疆吐魯番市和哈密市西部、北疆阿勒泰地區(qū)東部、塔城地區(qū)西部、博州西部以及南疆克州和喀什地區(qū)西部,升溫最大的地方位于南疆喀什市(0.96℃/10 a)。
新疆個(gè)別地方溫度有季節(jié)性減少的趨勢(shì),其他地區(qū)均呈現(xiàn)出增溫現(xiàn)象,增溫明顯的是東疆以及北疆西部和北部。
2.3.2 降水量的空間變化
新疆年降水量(圖3f)普遍呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),平均增幅為16.24 mm/10 a。年降水量減少的地方有東疆哈密市東部和南疆巴州東部,年降水量減少幅度最大的地區(qū)位于淖毛湖(-17.72 mm/10 a)。年降水量增加明顯的地區(qū)有北疆以及南疆和田地區(qū)東部、喀什地區(qū)西部和克州阿圖什市,增幅中心位于阿圖什市(59.16 mm/10 a)。
新疆春季降水量(圖3g)亦呈現(xiàn)出普遍增加趨勢(shì),平均增幅為3.64 mm/10 a。降水量增幅較大的地區(qū)有北疆以及南疆和田地區(qū)東部、喀什地區(qū)和克州,增幅中心位于南疆的阿圖什市(18.99 mm/10 a);降水量呈減少趨勢(shì)的地區(qū)有北疆烏魯木齊市達(dá)坂城,哈密市淖毛湖和巴里坤,吐魯番的鄯善以及南疆巴州的且末縣和焉耆縣,其中焉耆縣降水量減少趨勢(shì)最大(-2.09 mm/10 a)。
新疆夏季降水量(圖3h)增多幅度最大,平均增幅為4.80 mm/10 a。東疆哈密市東部以及南疆巴州中部降水量呈減少趨勢(shì),其中哈密市淖毛湖為減幅中心(-16.60 mm/10 a);降水量增多幅度較大的地區(qū)主要在南疆,增幅中心位于南疆巴州安德河(45.02 mm/10 a)。
新疆秋季降水量(圖3i)增多幅度最小,平均增幅為3.48 mm/10 a。北疆普遍處于增幅狀態(tài)且增溫幅度較大;東疆哈密市淖毛湖降水量有較小的減幅,其他地區(qū)均呈現(xiàn)較小的增幅;南疆克州、喀什地區(qū)西部和北部降水量有明顯的增加趨勢(shì),增幅中心位于阿圖什市(13.64 mm/10 a)。
新疆冬季降水量(圖3j)均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì),平均增幅為4.51 mm/10 a。東疆和南疆巴州降水量增幅比其他地方增幅??;北疆和南疆和田地區(qū)東部降水量增幅比較明顯,增幅中心位于北疆塔城市(18.99 mm/10 a)
新疆降水量明顯減少的地區(qū)位于東疆哈密市東部和南疆巴州東部,降水量明顯增加的地區(qū)位于北疆以及南疆克州、喀什地區(qū)西部與和田地區(qū)東部。新疆大部分地區(qū)降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。圖3
2.4 氣溫與降水的突變檢驗(yàn)
研究表明,UF曲線在1963~1970年呈波動(dòng)下降趨勢(shì),隨后呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),在0.05顯著性水平下,UF曲線在1994年超過(guò)±1.96信度線,在±1.96臨界線之間UF曲線與UB曲線相交于1993年,說(shuō)明1993年是年均溫突變的開(kāi)始。圖4
累計(jì)距平分析結(jié)果顯示,1961~2013年新疆年均溫累積距平呈現(xiàn)出三個(gè)階段,首先是下降,然后相對(duì)平穩(wěn),最后是上升,總體呈現(xiàn)出“U”字型趨勢(shì),1961~1987年呈下降趨勢(shì),1988~1996年相對(duì)平穩(wěn),1997~2013年呈上升趨勢(shì),1988年累積距平值最小,為氣溫變暖的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。圖5
年降水量的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果顯示,UF曲線在1961~1962年間、1967~1969年間、1973~1978年間呈下降趨勢(shì),1963~1966年間、1970~1972年間、1979~2013年間呈上升趨勢(shì)并且上升趨勢(shì)超過(guò)顯著性水平0.05的置信水平。UF曲線在置信區(qū)間內(nèi)與UB曲線相交于一點(diǎn)為1983年,說(shuō)明新疆降水在1983年開(kāi)始由少到多的突變。圖6
累計(jì)距平分析表明,1961~1986年新疆年降水量呈明顯的下降趨勢(shì),1987~2013年降水量呈上升趨勢(shì),說(shuō)明新疆降水量經(jīng)歷了先減少后增加的過(guò)程,1986年為降水增多的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。圖7
注:(a)年均溫,(b)春季均溫,(c)夏季均溫,(d)秋季均溫,(e)冬季均溫,(f)年降水,(g)春季降水,(h)夏季降水,(i)秋季降水,(j)冬季降水
Note: (a) average annual temperature, (b) spring average temperature, (c) summer average temperature, (d) autumn average temperature, (e) winter average temperature, (f) annual precipitation, (g) spring precipitation, (h) summer precipitation, (i) autumn precipitation, (j) winter precipitation
圖3 1961~2013年新疆氣溫與降水變化趨勢(shì)空間分布
Fig.3 Spatial distribution of temperature and precipitation trends in Xinjiang
圖4 新疆年平均氣溫Mann-Kendall突變
Fig.4 Mann-Kendall text of annual mean temperature in Xinjiang
圖5 新疆年平均氣溫累積距平值
Fig.5 Annual average temperature cumulative leveling in Xinjiang
圖6 新疆年降水量Mann-Kendall突變
Fig.6 Mann-Kendall text of annual precipitation in Xinjiang
圖7 新疆年降水量累積距平值
Fig.7 Cumulative distance of annual precipitation in Xinjiang
利用新疆氣溫和降水量資料分析了新疆氣候時(shí)空變化特征,結(jié)果可為研究西北地區(qū)氣候變化提供參考,對(duì)探索適應(yīng)或減緩氣候變化的措施,保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明,新疆氣溫和降水總體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),但也存在一定地域差異性,新疆年平均氣溫上升趨勢(shì)顯著,年平均氣溫以0.324℃/10 a(P<0.01)的速率上升,該結(jié)果與前人的增暖趨勢(shì)估計(jì)值基本一致[18,19]。李珍等[20]研究結(jié)果表明,北疆年降水量?jī)A向率為19.746 mm/10 a,天山山區(qū)年降水量?jī)A向率為11.192 mm/10 a,南疆年降水量?jī)A向率為2.929 mm/10 a。該結(jié)果與研究結(jié)果有差異,原因是對(duì)新疆研究區(qū)域不同。李景林等[18]研究表明,氣溫突變發(fā)生在1994年,與研究中的突變時(shí)間1993年相近,同時(shí)與前人研究結(jié)果也有一定出入[19],主要原因可能是選取的氣象站點(diǎn)不同。研究中降水的突變年是1983年,與前人[20-22]研究有差異,主要原因?yàn)椴煌难芯空邔?duì)新疆降水量的研究方法不同,氣候要素序列的起止時(shí)間不同和區(qū)域站點(diǎn)的選擇不同。
研究對(duì)新疆年平均氣溫以及年降水量分別采用Mann-Kendall法和累積距平法做了突變檢驗(yàn)分析,兩種檢驗(yàn)的結(jié)果稍有差異,究其原因可能是存在時(shí)間的滯后性,具體原因需在以后的工作中繼續(xù)研究,由于Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn),對(duì)于極端值也可參與趨勢(shì)檢驗(yàn),在時(shí)間序列分析中,無(wú)需指定是否是線性趨勢(shì)等優(yōu)點(diǎn),采用Mann-Kendall法的檢驗(yàn)結(jié)果。研究沒(méi)有考慮到日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、潛在蒸散量等因素對(duì)氣候變化的影響,研究新疆各氣象因子變化引起的氣候變化及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響將是以后研究的重點(diǎn)。
4.1 1961~2013年新疆氣溫和降水均呈上升趨勢(shì),氣候呈現(xiàn)暖濕化現(xiàn)象。
4.2 新疆近53 a年平均氣溫上升趨勢(shì)顯著,并在1993年發(fā)生了由低到高的突變。四季平均氣溫均呈現(xiàn)增高趨勢(shì),冬季增溫幅度最大。新疆年均溫和季節(jié)均溫年代際變化也呈現(xiàn)出增暖的趨勢(shì)。
4.3 新疆近53 a年降水量變化趨勢(shì)顯著,并在1983年發(fā)生由少到多的突變。四季降水量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其中夏季降水量增多幅度最大,其次是冬季。新疆年降水量和季節(jié)降水量年代際變化也呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。
4.4 近53 a來(lái),新疆個(gè)別地方溫度有季節(jié)性減少的趨勢(shì),其他地區(qū)均呈現(xiàn)出增溫現(xiàn)象,增溫明顯的是東疆以及北疆西部和北部。新疆大部分地區(qū)降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì),其中北疆以及南疆克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃荨⒖κ驳貐^(qū)西部和和田地區(qū)東部,降水量增加趨勢(shì)明顯,而東疆哈密市東部和南疆巴音郭勒蒙古自治州東部,降水量呈明顯的減少趨勢(shì)。
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