經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：風(fēng)候統(tǒng)計分析*

鄭崇偉，李訓(xùn)強，高占勝，付敏，羅霞

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018； 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所 LASG實驗室 北京 100029；3.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院 南京 211101； 4. 國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 北京 100081)

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經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征：風(fēng)候統(tǒng)計分析*

鄭崇偉1，2，3，李訓(xùn)強1，高占勝3，付敏4，羅霞1

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018； 2.中國科學(xué)院大氣物理研究所 LASG實驗室 北京 100029；3.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院 南京 211101； 4. 國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 北京 100081)

21世紀(jì)海上絲綢之路，以我國泉州為起點，主要涉及海域為南海—北印度洋，惠及沿線多國。深入研究該海域的海洋環(huán)境特征，有利于為海上絲綢之路建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)、輔助決策。文章利用來自歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)、1979—2014年、逐6 h的海表風(fēng)場資料、陣風(fēng)資料，系統(tǒng)性、精細(xì)化地統(tǒng)計，分析了該海域的風(fēng)候(風(fēng)場氣候態(tài))特征，主要包括海表風(fēng)場的季節(jié)特征、(強)風(fēng)向頻率、大風(fēng)和陣風(fēng)頻率、陣風(fēng)系數(shù)、海表風(fēng)速的長期變化趨勢等。期望可以為航海、海洋工程、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)，為海上絲綢之路建設(shè)盡綿薄之力。

21世紀(jì)海上絲綢之路；歐洲中期天氣預(yù)報中心；強風(fēng)向頻率；大風(fēng)頻率；陣風(fēng)系數(shù)

1 引言

21世紀(jì)海上絲綢之路，以我國泉州為起點，主要涉及海域為南海—北印度洋，惠及沿線多國。該海域是全球重要的海上通道之一，也是我亞丁灣護航的必經(jīng)之地，印度洋更是處于世界海權(quán)體系的中心地位，其“貿(mào)易通道”和“石油航線”是許多國家所依賴的“戰(zhàn)略生命線”，戰(zhàn)略地位不言而喻[1-3]。深入研究該海域的海洋環(huán)境特征，方可為海上絲路建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。例如，航海、港口建設(shè)、海上施工和防災(zāi)減災(zāi)等對大風(fēng)頻率、強風(fēng)向等都極為關(guān)注[4]。深入研究該海域的海洋環(huán)境特征，有利于為21世紀(jì)海上絲綢之路建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)、輔助決策。前人對我國的海洋環(huán)境特征做了較多工作，但對北印度洋的海洋環(huán)境特征的關(guān)注較少，系統(tǒng)性的分析工作更是鳳毛麟角。

鄭崇偉等[5]曾分析了南海—北印度洋的海表風(fēng)場特征，發(fā)現(xiàn)該海域的風(fēng)速風(fēng)向受季風(fēng)影響顯著；北印度洋大部分海域的海表風(fēng)速以1～2 cm/s的速度顯著性逐年線性遞增，南海線性遞增的區(qū)域則較少；南海海表風(fēng)速具有明顯的2.0～2.4 a、5.2 a的主周期變化，北印度洋海表風(fēng)速：具有明顯的2.4～5.2 a的主周期變化及26.0 a 的長周期震蕩。

此外，鄭崇偉等[2]還利用該資料，分析了南海—北印度洋的波浪能資源整體狀況，發(fā)現(xiàn)大部分海域的年平均波浪能流密度在2 kW/m以上，2 kW/m和大于4 kW/m以上能流密度出現(xiàn)的頻率都較高，這有利于在一些重要港口、島礁展開海浪發(fā)電、海水淡化等波浪能開發(fā)工作。

張磊等[6]曾利用CCMP(cross-calibrated， Multi-platform)風(fēng)場資料，分析了北印度洋海表風(fēng)速的長期變化趨勢，發(fā)現(xiàn)該海域的海表風(fēng)速在近22 a(1988—2009年)期間整體上以0.028 6 m/s的速度顯著性逐年線性遞增。鄭友華等[7]曾分析了北印度洋海表風(fēng)速、有效波高的突變形勢，發(fā)現(xiàn)年平均海表風(fēng)速、有效波高的突變形勢與冬季相似，突變期都在20世紀(jì)80年代初。

李培等[8]曾利用1950—1995年共46 a的北印度洋氣象船舶資料，按 5°×5°網(wǎng)格統(tǒng)計單元，對北印度洋的氣候特征進行過分析，繪制了歷年各月風(fēng)向頻率、平均風(fēng)速、6級和8級大風(fēng)、能見度、霧和雷暴等氣象要素分布圖。

前人對南海、北印度洋的風(fēng)候特征做過很大貢獻(xiàn)，但是由于受到資料、分析技術(shù)等諸多因素的限制，早期的研究在空間分辨率、系統(tǒng)性方面還有很大的改進潛力。空間分辨率偏低會將一些重要的海域遺漏，極值風(fēng)速、陣風(fēng)系數(shù)沒有計算等，這些缺陷意味著不能很好地為海洋開發(fā)提供參考。本文利用來自歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)、近36 a(1979-2014年)、高空間分辨率的海表風(fēng)場資料(ERA-interim風(fēng)場資料)、陣風(fēng)資料，綜合考慮風(fēng)速風(fēng)向的季節(jié)特征、(強)風(fēng)向頻率、6級以上大風(fēng)和陣風(fēng)頻率、陣風(fēng)系數(shù)、海表風(fēng)速的長期變化趨勢等，對南海—北印度洋的風(fēng)候特征展開精細(xì)化、系統(tǒng)性研究，期望可以為航海、海洋工程、海洋能開發(fā)和防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)，為21世紀(jì)海上絲綢之路建設(shè)盡綿薄之力。

2 數(shù)據(jù)及方法

利用來自ECMWF的風(fēng)場資料，包括平均風(fēng)和陣風(fēng)資料，系統(tǒng)性、精細(xì)化地統(tǒng)計分析了21世紀(jì)海上絲綢之路涉及海域的風(fēng)候特征。此外，還重點分析了臺灣海峽、北部灣、西沙海域、西衛(wèi)灘、馬六甲海峽、吉大港、科摩林角、迪戈加西亞、瓜達(dá)爾港、霍爾木茲海峽、哈豐角、達(dá)累斯薩拉姆一些重要節(jié)點的(強)風(fēng)向頻率，重要節(jié)點分布圖見圖1。

①臺灣海峽；②中國西沙海域；③中國南沙海域；④北部灣；⑤泰國灣；⑥馬六甲海峽；⑦吉大港；⑧科摩林角；⑨迪戈加西亞；⑩瓜達(dá)爾港；哈豐角圖1 21世紀(jì)海上絲綢之路示意圖以及一些重要節(jié)點

平均風(fēng)和陣風(fēng)資料的時間分辨率都為6 h，空間分辨率為0.125°×0.125°，空間范圍為：90°S—90°N，180°W—180°E，時間范圍從1979年1月1日00∶00時至今。該數(shù)據(jù)具有較高的可信度，在國內(nèi)外被廣泛運用與風(fēng)、浪特征分析[9]。

3 風(fēng)候統(tǒng)計分析

利用來自ECMWF的ERA-interim風(fēng)場資料、陣風(fēng)資料，統(tǒng)計分析了近36 a期間海上絲綢之路涉及海域的風(fēng)候特征，主要包括：不同季節(jié)的風(fēng)速風(fēng)向特征、(強)風(fēng)向頻率、6級以上大風(fēng)和陣風(fēng)頻率、陣風(fēng)系數(shù)、海表風(fēng)速的長期變化趨勢等。

3.1 海表風(fēng)場的季節(jié)特征

利用近36 a的ECMWF的ERA-interim風(fēng)場資料，分別以2月、5月、8月和11月作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月，統(tǒng)計海上絲綢之路涉及海域在各個季節(jié)的風(fēng)速、風(fēng)向特征(圖2)。

圖2 海上絲綢之路涉及海域海表風(fēng)場的季節(jié)特征，風(fēng)速單位：m/s

2月，冬季風(fēng)盛行，南海—北印度洋大部分海域以偏東北風(fēng)為主。值得注意的是，孟加拉灣北部近海的風(fēng)向為偏西北向、阿拉伯海北部近海為偏西。從風(fēng)速大小來看，南海的冬季風(fēng)強度明顯高于北印度洋，存在兩個顯著的大風(fēng)中心：呂宋海峽、中南半島東南海域(即傳統(tǒng)的南海大風(fēng)區(qū))；北印度洋大部分海域的風(fēng)速在5 m/s之內(nèi)，相對大值區(qū)分布于索馬里附近海域，在7 m/s左右，等值線呈NE-SW向。

5月：北印度洋的西南季風(fēng)已經(jīng)逐漸盛行，大部分海域的風(fēng)向都是SW向；風(fēng)速存在兩個相對大值區(qū)：索馬里海域、斯里蘭卡東南部海域；這個季節(jié)孟加拉灣的平均風(fēng)速大于阿拉伯海。在南海，季風(fēng)過渡現(xiàn)象比較明顯，17°N以南海域已經(jīng)轉(zhuǎn)換為西南季風(fēng)，17°N以北則屬于E-EN風(fēng)。

8月，強勁的西南季風(fēng)已經(jīng)盛行，整個南海—北印度洋的風(fēng)向以西南向為主導(dǎo)。孟加拉灣大部分海域的平均風(fēng)速在7 m/s以上，阿拉伯海整體在8 m/s以上，尤其是索馬里附近大范圍海域的平均風(fēng)速可達(dá)6級以上。南海的西南季風(fēng)強度明顯低于北印度洋，相對大值中心分布于傳統(tǒng)的南海大風(fēng)區(qū)，平均風(fēng)速在7 m/s以上。

11月，傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為該月處于季風(fēng)過渡季節(jié)，對比圖2b和圖2d可以明顯看出，11月的季風(fēng)過渡現(xiàn)象并沒有5月明顯，甚至可以認(rèn)為，西南季風(fēng)向東北季風(fēng)轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，整個南海—北印度洋都以東北風(fēng)為主導(dǎo)，尤其以南海的東北風(fēng)較為強勁，10°N以北的平均風(fēng)速在8 m/s以上。北印度洋的平均風(fēng)速相對低于南海，大部分海域在6 m/s以內(nèi)。

3.2 (強)風(fēng)向頻率

風(fēng)向頻率尤其是強風(fēng)向的頻率，是航海、橋梁設(shè)計、風(fēng)能開發(fā)等都極為關(guān)注的要素。本文在此利用近36 a、逐6 h的ERA-interim風(fēng)場資料，統(tǒng)計分析了海上絲綢之路涉及的一些海域的(強)風(fēng)向頻率，制作了風(fēng)玫瑰圖(各個風(fēng)向、不同等級風(fēng)速出現(xiàn)的頻率)(圖3和圖4)。關(guān)注站點主要包括：臺灣海峽、北部灣、西沙海域、西衛(wèi)灘(位于中國南沙)、馬六甲海峽、吉大港、科摩林角、迪戈加西亞、瓜達(dá)爾港、霍爾木茲海峽、哈豐角和達(dá)累斯薩拉姆。

2月，在東北季風(fēng)的影響下，大部分海域的風(fēng)向頻率、強風(fēng)向頻率都以偏NE向為主，有差異的是：吉大港(N-NW向)、瓜達(dá)爾港(W-SW向)、霍爾木茲海峽(W-WSW向)、迪戈加西亞(W-WNW向)，結(jié)果與圖2(a)吻合。需要引起重視的有：臺灣海峽NE向的強風(fēng)頻率(10～12 m/s出現(xiàn)頻率約15%，12～14 m/s出現(xiàn)頻率約12%)、北部灣NNE向的強風(fēng)頻率(10～12 m/s出現(xiàn)頻率約13%)、西沙海域NE向的強風(fēng)頻率(10～12 m/s出現(xiàn)頻率約11%)，其余站點則謹(jǐn)慎樂觀。

8月，臺灣海峽、北部灣、西沙海域、瓜達(dá)爾港、哈豐角以SSW向為主導(dǎo)；馬六甲海峽、吉大港以S向為主；迪戈加西亞、達(dá)累斯薩拉姆以SE-SSE向為主；科摩林角以WNW-W向為主；西衛(wèi)灘以WSW為主；霍爾木茲海峽則是從WSW-SE均勻分布。需要引起重視的是：哈豐角的強風(fēng)非常明顯，12～13 m/s的SSW風(fēng)出現(xiàn)頻率高達(dá)25%，13～14 m/s的SSW風(fēng)出現(xiàn)頻率更是高達(dá)30%，14～15 m/s的SSW風(fēng)出現(xiàn)頻率高達(dá)13%，這是由于索馬里海域強勁的西南季風(fēng)造成的，與圖2(c)吻合。

3.3 大風(fēng)、陣風(fēng)頻率

大風(fēng)頻率密切關(guān)系到航海安全、海上施工等[10-12]。本文利用近36 a、逐6 h的ERA-interim風(fēng)場資料，統(tǒng)計了該海域在各個季節(jié)6級以上大風(fēng)頻率(圖5)；利用同期、同時空分辨率的ECMWF陣風(fēng)資料，統(tǒng)計了該海域各個季節(jié)6級以上陣風(fēng)出現(xiàn)的頻率(圖6)。

6級以上大風(fēng)頻率：由圖5可見，秋冬兩季的北印度洋、春季的南海大風(fēng)頻率都在5%以內(nèi)。2月，南海冬季風(fēng)較為強勁，存在兩個顯著的大值區(qū)：臺灣島周邊海域、傳統(tǒng)的南海大風(fēng)區(qū)，在20%以上。5月，南海—北印度洋的大風(fēng)頻率整體偏低，在西南季風(fēng)的影響下，索馬里海域、斯里蘭卡東南部海域為相對大值區(qū)。8月，在強勁西南季風(fēng)的影響下，阿拉伯海大部分海域的大風(fēng)頻率在40%以上，索馬里附近大范圍海域更是高達(dá)90%以上；雖然西南季風(fēng)對孟加拉灣和南海的影響也比較明顯，但帶來的6級以上大風(fēng)頻率并不高。11月，6級以上大風(fēng)的高頻海域主要分布于南海北部海域，大值區(qū)可達(dá)40%以上。

6級以上陣風(fēng)頻率見圖6：2月，整個南海基本在25%以上，大值區(qū)更是高達(dá)55%以上，此外，波斯灣、紅海、索馬里附近海域6級以上陣風(fēng)出現(xiàn)頻率也較為明顯。5月，南海6級以上陣風(fēng)出現(xiàn)頻率很低；孟加拉灣大部分海域、阿拉伯海西部海域則出現(xiàn)頻率較高，在20%以上。8月，阿拉伯海、孟加拉灣6級以上陣風(fēng)出現(xiàn)頻率非常高，阿拉伯海大部分海域在90%以上，孟加拉灣大部分海域在60%以上；南海相對偏低，在40%左右。11月，北印度洋6級以上陣風(fēng)出現(xiàn)頻率整體較低，基本在10%以內(nèi)；南海中北部出現(xiàn)頻率則較高，在40%以上，大值中心(呂宋海峽西部海域)可達(dá)80%以上。

圖4 海上絲綢之路重要站點8月的風(fēng)向玫瑰圖

圖5 海上絲綢之路涉及海域的6級以上大風(fēng)頻率

圖6 6級以上陣風(fēng)頻率

本文在此只是討論了6級以上大風(fēng)頻率和陣風(fēng)頻率的季節(jié)特征，在未來的工作中，還需要對大風(fēng)頻率和陣風(fēng)頻率的長期變化趨勢展開研究，為防災(zāi)減災(zāi)、海洋工程的中長期規(guī)劃提供依據(jù)。

3.4 陣風(fēng)系數(shù)

在通常的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品中，預(yù)報風(fēng)速往往只是顯示平均風(fēng)，而在實際的航海、海洋工程中，陣風(fēng)的影響是比較大的，同時也是兵器研究、靶場試驗很關(guān)注的問題[13-14]。統(tǒng)計陣風(fēng)系數(shù)，有利于根據(jù)預(yù)報的平均風(fēng)來防范陣風(fēng)。陣風(fēng)系數(shù)定義為：在某一時刻，觀測到的最大陣風(fēng)風(fēng)速與相應(yīng)10 min平均風(fēng)速之比[15]。本文計算了南海—北印度洋在JJA(June， July， August)和DJF(December， January， February)期間，平均風(fēng)速大于5級(8.0 m/s)時的陣風(fēng)系數(shù)，由于運算量偏大，本文只列出了2014年JJA和DJF期間的陣風(fēng)系數(shù)(圖7)。

圖7 2014年DJF、JJA期間海上絲綢之路涉及海域的陣風(fēng)系數(shù)

對比圖7(a)和圖7(b)不難發(fā)現(xiàn)，在北印度洋，JJA期間的陣風(fēng)系數(shù)明顯大于DJF期間，大值區(qū)的范圍也更廣，南海則相反。DJF期間，南海中北部大部分海域(除北部灣、泰國灣)的陣風(fēng)系數(shù)在1.3以上；在北印度洋，僅孟加拉灣西部一小范圍海域、索馬里近海小范圍海域的陣風(fēng)系數(shù)相對偏大，分別為1.2～1.3、1.2～1.4，其余大部分海域的陣風(fēng)系數(shù)在1.2以內(nèi)。JJA期間，北印度洋海表風(fēng)速的陣性特征非常明顯，阿拉伯海和孟加拉灣大部分海域的陣風(fēng)系數(shù)在1.3以上，索馬里附近海域更是高達(dá)1.8以上；整個南海的陣風(fēng)系數(shù)基本都在1.2以內(nèi)。

3.5 海表風(fēng)速的長期變化趨勢

海表風(fēng)速的長期變化趨勢與海上風(fēng)能資源開發(fā)、研究全球氣候變化密切相關(guān)，將近36 a、逐6 h的海表風(fēng)速處理稱為逐月平均的數(shù)據(jù)，即1979年1月至2014年12月432個月的海表風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用鄭崇偉等[16-17]的方法，計算了南海—北印度洋的海表風(fēng)速在近36 a的逐年變化趨勢見圖8(a)；還將逐月的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行5點滑動平均，得到滑動平均后的逐年變化趨勢見圖8(b)。南海—北印度洋大部分海域的海表風(fēng)速在近36 a期間沒有表現(xiàn)出顯著的變化趨勢。呈顯著性遞增的區(qū)域主要分布于10°S—0°S，趨勢為1～4 cm/s；此外，阿拉伯海西南部區(qū)域的遞增趨勢也較為明顯，趨勢為1～2 cm/s。呈顯著性遞減的區(qū)域主要分布于：印度半島東西兩側(cè)近海、蘇拉威西海等小范圍海域。5點滑動平均之后的變化趨勢并沒有大的變化，只是具有顯著變化趨勢的范圍稍廣。

圖8 1979-2014年海上絲綢之路涉及海域海表風(fēng)速的逐年變化趨勢及5點滑動平均后的逐年變化趨勢

4 結(jié) 論

本文利用來自ECMWF、近36 a、逐6 h、高空間分辨率的ERA-interim海表10 m風(fēng)場資料、陣風(fēng)資料，綜合考慮風(fēng)速風(fēng)向的季節(jié)特征、(強)風(fēng)向頻率、6級以上大風(fēng)和陣風(fēng)頻率、陣風(fēng)系數(shù)、海表風(fēng)速的長期變化趨勢等，系統(tǒng)性、精細(xì)化地統(tǒng)計分析了21世紀(jì)海上絲綢之路涉及海域的風(fēng)候特征，得到如下主要結(jié)論。

(1)2月，南海盛行東北風(fēng)，北印度洋盛行N-NE風(fēng)；冬季風(fēng)對南海的影響明顯強于對北印度洋的影響。5月，南海17°N以南、北印度洋已經(jīng)完成由東北風(fēng)向西南風(fēng)的轉(zhuǎn)變；南海17°N以北處于季風(fēng)過渡期。8月，阿拉伯海的西南季風(fēng)最為強勁，索馬里海域的平均風(fēng)速可達(dá)6級以上；孟加拉灣、南海的強度次之。11月，傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為該月處于季風(fēng)過渡期，本文發(fā)現(xiàn)該月西南季風(fēng)向東北季風(fēng)的轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，整個南海—北印度洋都以東北風(fēng)為主導(dǎo)，南海的東北風(fēng)較為強勁。

(2)2月，大部分海域的(強)風(fēng)向頻率以偏東北向為主；有差異的是吉大港(N-NW向)、瓜達(dá)爾港(W-SW向)、霍爾木茲海峽(W-WSW向)、迪戈加西亞(W-WNW向)。需要引起重視的有：臺灣海峽NE向的強風(fēng)(10～12 m/s出現(xiàn)頻率約15%，12～14 m/s出現(xiàn)頻率約12%)、北部灣NNE向的強風(fēng)(10～12 m/s出現(xiàn)頻率約13%)、西沙海域NE向的強風(fēng)(10～12 m/s出現(xiàn)頻率約11%)。8月，大部分海域以偏SW、偏S向風(fēng)為主，科摩林角以WNW-W向為主。需要引起重視的是：哈豐角的強風(fēng)，12～13 m/s的SSW風(fēng)出現(xiàn)頻率高達(dá)25%，13～14 m/s的SSW風(fēng)出現(xiàn)頻率更是高達(dá)30%，14～15 m/s的SSW風(fēng)出現(xiàn)頻率高達(dá)13%。

(3)6級以上大風(fēng)頻率：秋冬兩季的北印度洋、春季的南海—北印度洋的大風(fēng)頻率都很低，在5%以內(nèi)。2月和11月，大值區(qū)分布于南海。8月，阿拉伯海的大風(fēng)頻率在40%以上，索馬里附近海域更是高達(dá)90%以上。6級以上陣風(fēng)頻率：2月，整個南海基本在25%以上，大值區(qū)高達(dá)55%以上。5月，南海出現(xiàn)頻率很低；孟加拉灣、阿拉伯海西部海域在20%以上。8月，阿拉伯海在90%以上，孟加拉灣在60%以上；南海在40%左右。11月，北印度洋在10%以內(nèi)；南海中北部在40%以上。

(4)在北印度洋，JJA期間的陣風(fēng)系數(shù)明顯大于DJF期間，大值區(qū)的范圍也更廣，南海則相反。DJF期間，南海中北部大部分海域的陣風(fēng)系數(shù)在1.3以上；北印度洋大部分海域的陣風(fēng)系數(shù)在1.2以內(nèi)。JJA期間，北印度洋海表風(fēng)速的陣性特征非常明顯，阿拉伯海和孟加拉灣大部分海域的陣風(fēng)系數(shù)在1.3以上，索馬里附近海域高達(dá)1.8以上；整個南海的陣風(fēng)指數(shù)基本都在1.2以內(nèi)。

(5)近36 a期間，南海—北印度洋大部分海域的海表風(fēng)速沒有顯著的變化趨勢。呈顯著性遞增的區(qū)域主要分布于10°S—0°S，趨勢為1～4 cm/s；阿拉伯海西南部區(qū)域的遞增趨勢為1～2 cm/s。呈顯著性遞減的區(qū)域主要分布于：印度半島東西兩側(cè)近海、蘇拉威西海等零星小范圍海域。

[1] 鄭崇偉，潘靜，孫威，等.經(jīng)略21世紀(jì)海上絲路之海洋環(huán)境特征系列研究[J].海洋開發(fā)與管理，2015，32(7)：4-9.

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國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2015CB453200, 2013CB956200)；國家自然科學(xué)基金項目(41490642).

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1005-9857(2015)08-0004-08