王錦旗,陳霞,宋玉芝,鄭建偉
1. 南京信息工程大學應用氣象學院,江蘇 南京 210044;2. 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心,江蘇 南京 210023
紫外輻射在氣-水界面衰減因素分析及預測模型
王錦旗1*,陳霞2,宋玉芝1,鄭建偉1
1. 南京信息工程大學應用氣象學院,江蘇 南京 210044;2. 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心,江蘇 南京 210023
為研究紫外線從大氣進入水體的衰減狀況,利用SpectroSense2光譜儀測量了大氣及水體表層的UVR(UV-A+UV-B)、UV-A、UV-B強度,同時測定相關水體環境因子,并進行了相關因素分析。結果表明:UVR、UV-A、UV-B從大氣進入水體表層后隨即產生衰減,其中UVR平均衰減率達27.6%,UV-A達29.2%,UV-B達30.8%。3種水體中,以清潔水體衰減最多,富營養化水體衰減最少。水體藻類含量對紫外線衰減影響較大,水體藻類含量越高,對紫外線吸收率越低,紫外線進入水體衰減率越低。因此,清潔水體對紫外線吸收率最高,衰減率最大;富營養化越高水體,藻類含量越高,對紫外線吸收率越低,衰減率越低。太陽紫外線在氣水界面穿透過程中,紫外線入射角度越大,在氣水界面穿透過程中衰減量越大。利用一元線性回歸方程建立UVR、UV-A、UV-B在氣-水界面衰減模型,3個回歸模型均通過F檢驗、R檢驗和t檢驗,可用于紫外輻射在氣-水界面衰減量的預測。
紫外輻射;衰減率;藻類含量;入射角度;濁度
紫外輻射(UVR)從地球一出現就開始影響生命的進化,最新研究發現,在某些特定環境中(如高山湖泊)水生生物已經適應長期高強度的 UV-B輻射,如紫外線對水體底棲硅藻及無脊椎動物物種組成已經產生深遠的影響,在一些靜水和流水環境中物種組成已經發生明顯變化,這些變化已被證實是由于UVR變化所引起的(Sommaruga,2001)。隨著南極臭氧層不斷稀薄及北極臭氧在春季和夏初減少現象不斷加劇,地表獲得的UV-B不斷增加。UV-B增加從北極區蔓延至北極、北歐、中歐甚至阿爾卑斯地區的水體中,紫外線可射入水下相當深度,而溶解性有機碳(DOC)、顆粒有機碳(POC)等微粒狀有機物及腐殖質可影響紫外線射入水下(H?der et al.,2003)。除兩極地區UVR增強外,在中緯度地區UV-B水平也呈增加趨勢,加上人為酸化水體(酸化會進一步阻礙UV-B衰減)可能使更多UV-B射入水體,從而對水生生態系統產生影響(Sommaruga,2001)。
國外的研究證實,UVR可對水生生物產生一系列不利影響(Cockell et al.,2001;H?der 2001;Figueroa et al.,2002),其中包括對浮游植物(Bracher et al.,2000;Llabrés et al.,2010)、浮游動物(Kouwenberg et al.,1999a)、大型藻類(Huovinen et al.,2000;Lister et al.,2010)、魚卵及幼魚(Kouwenberg et al.,1999b;Dethlefsen et al.,2001)、魚類及兩棲動物均有傷害或致死作用(H?der et al.,1998;Browman et al.,2000;Blaustein et al.,2003)。UVR能阻礙有機體生長與繁殖,降低水體生產力,增加突變機率(Browman et al.,2003)。一般認為表面光強 1%深度是紫外輻射對生物起作用的深度,在長江中下游湖泊中,UV-B、UV-A的穿透深度最大分別可達2.17、5.97 m,在這些湖泊中對生物有害的 UVR基本上能到達湖底,其中增強的UV-B輻射不僅影響到水體里的生物,而且可能對底棲生物造成傷害(張運林等,2005a)。UVR在清澈海水中,1%的表面光強(波長為320和380 nm)所能達到的深度分別為50和280 m(張運林等,2005b)。UVR對海洋生物的影響研究表明:UVR對海洋生物的影響包括對DNA及蛋白質的損傷、呼吸爆發與氧化脅迫以及引起細胞凋亡等方面,對水生動物個體水平如生長、發育和存活等方面均能產生不利影響(管越強等,2008;Xu et al.,2010)。
因此,研究紫外線在氣-水界面的衰減狀況及其影響因素,可為進一步探索紫外線在水體的衰減規律及對水生生物的影響研究提供參考。
1.1 紫外線分布監測點概況
分別選擇泥沙型、富營養化、清潔水體作為UVR監測對象,渾濁水體選取南京玄武湖(32.08°N,118.78°E)北湖區,該湖區面積為玄武湖3個湖區中最大,風浪較大,水體紊動程度最高,水體濁度為18.3~31.3 NTU,平均濁度為25.1 NTU,該水域富營養化程度也為3個水體中最高,監測期內藻類葉綠素a(Chla)含量為562.03 mg·m-3;富營養化水體選取玄武湖西南湖(32.07°N,118.78°E),該湖區面積為3個湖區最小,水體富營養化程度較高,濁度介于10.4~19.5 NTU之間,平均濁度為 14.3 NTU,藻類 Chla含量為 388.65 mg·m-3;清潔水體選取南京仙林大學城一清潔池塘(32.11°N,118.91°E),水體無任何外源污染,水體來源為天然降水,清澈見底,濁度為5.1~7.1 NTU。
1.2 監測方案
采用SpectroSense 2紫外光譜測量儀分別測定上述3個水體水面約50 cm處大氣中的UV-A及UV-B(UV-AB)強度,隨即測定水體表層約1~2 mm處UV-AB強度,每次重復測量3次,取平均值。上述監測時間隨機,有上午、中午、下午,有晴天、陰天、暴雨,UV-AB同時測量,晴天在無云層遮擋時測定。
1.3 紫外線劑量及紫外線衰減影響因子測定方法
(1)UV-AB劑量測量:采用英國SKYE公司的SpectroSense2四通道手持表測定,連接 SKU 420UV-A傳感器(315~380 nm)及SKU 430UV-B傳感器(280~315 nm)同時測量UV-AB劑量。
(2)濁度、透明度(SD)、溶解性總固體(TDS)測定:透明度采用塞氏盤法于現場測定;濁度用HACH濁度儀測定;TDS含量用上海三信生產的5031TDS計測量;同時在水下5 cm處取水樣,帶回實驗室分析其余指標。
(3)DOC測定:將水樣經0.20 μm聚酯纖維濾膜過濾,用總有機碳分析儀(Multi N/C 3000)測定水體DOC含量。
(4)有色可溶性有機物(CDOM)測定:由于CDOM物質含量無法直接測定,故國際一般測定其在280、355、440 nm處的吸收峰,CDOM的光譜吸收系數測定采用 GF/F濾膜過濾的水樣在MAPADAUV-1100分光光度計下測定其吸光度,然后根據下列公式計算各波長的吸收系數:

式中,ag(λ′)為波長λ未校正的吸收系數,D(λ)為吸光度,r為光程路徑。
由于過濾清液還有可能殘留細小顆粒,會引起散射,為此作如下散射效應訂正:

式中,ag(λ)為波長λ的吸收系數;ag(λ′)為波長λ的未校正吸收系數;λ波長,吸收系數越大表示CDOM濃度越高(張運林等,2007)。
(5)藻類含量測定:浮游植物藻類含量參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)(2002),將100 mL水樣經0.45 μm乙酸纖維濾膜過濾,濾膜保存,利用丙酮提取測定。
1.4 數據分析
試驗數據用 Excel軟件進行統計分析及圖表制作。
2.1 紫外線在氣-水界面衰減狀況
由表 1可見,從 3種不同水體來看,UVR(UV-A+UV-B)、UV-AB的衰減率以清潔水體最高,富營養化次之,渾濁水體最低。

表1 紫外線從大氣進入水體衰減狀況Table 1 Attenuation of ultraviolet radiation in the air-water interface
由圖1、圖2、圖3可知,當UVR從大氣進入水體表層后隨即產生衰減,衰減率最高可達57.5%,最低也達5.8%,平均衰減率達27.6%。26次監測中,衰減率低于20%的僅5次,介于20%~30%的有10次,30%~40%的有7次,>40%有4次,絕大部分監測結果介于20%~40%之間。
UV-A進入水體后迅速發生衰減,平均衰減率達29.2%,最高達57.4%,最低也達5.9%,監測樣本中,69.2%的樣本衰減率介于20%~40%之間,其中清潔水體衰減最多,表層水體UV-A強度僅為入射大氣強度的67.6%,渾濁水體最小,為入射強度的76.9%,富營養化水體介于兩者之間。
UV-B進入水體后衰減率達 30.8%,最高達59.2%,最低僅4.1%,其中以清潔水體衰減最多,表層水體 UV-B強度分別僅為入射大氣強度的54.7%,渾濁水體最小,為入射強度的75.1%,富營養化水體介于兩者之間。
2.2 紫外線在氣-水界面衰減影響因素
由表2、表3可見,UVR、UV-AB在氣-水界面的衰減量與水體環境因素無明顯關系,主要受入射光中UVR、UV-AB強度的影響,即入射UVR越
強時,其衰減量越多。其中,UVR衰減量與入射強度呈極顯著相關(r=0.631,|r|>r0.01=0.486,n=26),即隨輻射強度增加,其衰減越多;UVR衰減率與入射 UVR強度呈負相關關系,但關系不顯著(r=-0.364,|r|

圖1 UVR在大氣-水體中衰減狀況Fig. 1 Attenuation of total ultraviolet radiation in the air-water interface

圖2 UV-A在大氣-水體中衰減狀況Fig. 2 Attenuation of UV-A radiation in the air-water interface

圖3 UV-B在大氣-水體中衰減狀況Fig. 3 Attenuation of UV-B radiation in the air-water interface
UVR、UV-AB從大氣進入水體表層的衰減率受水體中的多種因素影響,但影響程度不一,UVR、UV-A與水體中各環境因子關系不明顯,僅與
CDOM物質在280 nm處的吸收系數及水體Chla含量呈顯著負相關關系;而UV-B與各因子之間關系最為密切,與水體SD、CDOM物質355 nm處的吸收系數及入射 UV-B強度之間均有顯著負相關關系,與CDOM物質在280 nm處的吸收系數及藻類Chla的含量均呈極顯著負相關關系,其中與CDOM物質在280 nm處的吸收系數最為顯著,相關系數為-0.558。

表2 紫外線從大氣進入水體衰減量與水環境因子相關系數Table 2 Correlation coefficient between water environmental factors and the attenuation of ultraviolet radiation in the air-water interface

表3 紫外線從大氣進入水體衰減率與水環境因子相關系數Table 3 Correlation coefficient between water environmental factors and the attenuation rate of ultraviolet radiation in the air-water interface
透射地球大氣的太陽輻射到達氣水界面,一部分被反射,而另一部分則折射進入水體內部,這部分入射光在水面下被多種分子散射和吸收。水體中DOC、CDOM物質均對紫外線有強烈的吸收作用,從表 2、3分析中也可看出,紫外線經大氣進入水體受 CDOM物質影響程度要遠高于其他因素,但因大氣進入水體界面時測定水層厚度較薄,故測定到水體中UVR強度還受水面反射能力的影響。水體反射能力一般用反射率α表示,是太陽反射輻射A和太陽入射輻射Q之比,即:α=A/Q。因水是透明的,故還要受散射輻射影響;而且水的混濁度不同,又要受到水中雜質的影響,所以水面反射率可表達為:αw=(Aws+Awm+AwD)/Qw(陸渝蓉,1999)。其中,αw水體反射率,Aws水面處太陽散射輻射,Awm水分子產生的反射輻射,AwD水中其他雜質產生的反射輻射,Qw水面處太陽入射輻射。
根據研究,影響太陽光反射率的主要因素:
(1)反射率隨太陽高度角的增加而減小。太陽高度角大于70°時,反射率相對穩定;而太陽高度角小于70°時,反射率增大相當顯著。這主要是由于太陽高度不同時,到達地面的太陽短波輻射光譜成分的改變所造成的(孫志方,1996)。另水面反射率與太陽輻射入射角存在一定的關系,當太陽輻射入射水面的入射角小于60°時,反射率皆小于10%;當入射角大于60°時,反射率迅速增加,到入射角為90°時,水面反射率可達100%(陸渝蓉,1999)。
(2)浮游生物既能反射部分紫外輻射,又能吸收部分紫外輻射。通過對我國太湖地區的研究分析,同一葉綠素a濃度類型的水體各遙感反射率曲線之間差異較小,高葉綠素濃度的水體在紫外波段有一定的反射峰,而中、低葉綠素a濃度的水體這一特征不明顯,但其在紫外波段的反射率要遠低于可見光及紅外波段(申茜等,2011);韓秀珍等(2010)通過對有藍藻覆蓋水體與無藻類水體進行對比研究發現,有藍藻覆蓋水體在紫外波段有顯著反射峰;孫德勇等(2009)的研究發現藻類葉綠素a濃度越低對紫外波段吸收率越高,當藻類葉綠素a含量從176.6 mg·m-3降至8.1 mg·m-3時,其在紫外波段的吸收系數升高倍數達55.2。而浮游植物的增加又降低了太陽輻射的反射效應,在 400~500 nm波段范圍內,由于藻類色素及黃色物質在該范圍的強烈吸收作用,水體的反射率較低。
(3)懸浮泥沙。樊彥國等(2010)的研究發現在400~550 nm波段范圍內,光譜反射率對懸浮泥沙質量濃度的變化反映不敏感,在大于550 nm后,水體反射率隨懸浮泥沙質量濃度升高而提高;李素菊等(2002)的研究也發現,在400~580 nm波段懸浮物質含量與反射率關系不顯著。由此推斷,在紫外波段因其波長小于400 nm,故其反射率很可能與水體中懸浮泥沙含量關系較小。水體的透明度變化對水面反射率有很大影響,水體的高渾濁度可以使反射率大大增加,在太陽高度較低的情況下,混濁水面的反射率大大超過了透明水面的反射率(陸渝蓉,1999)。
(4)水體的波動性。據研究,水體表面的波動對紫外線的反射起重要作用,海面上的水能反射15%的紫外線,平靜的水面僅能反射5%的紫外線,而湍急的水流能反射30%的紫外線(Diffey,2002)。
由以上分析可得,3種水體測量時間均在10:00─11:00及13:00─14:00之間,太陽光入射角度在一天中均較大,總體反射率均較大,故各點UVR、UV-AB入射量也大,UVR、UV-AB衰減量也較大,兩者呈顯著相關關系。本研究中,UVR入射角度對紫外線的反射與吸收影響應不大。從懸浮泥沙角度分析,渾濁水體位于玄武湖北湖區,渾濁程度最高,富營養化水體其次,清潔水體最低,懸浮泥沙含量對可見光波段反射率影響較大,但對紫外波段影響較小,故懸浮泥沙在對紫外線反射與吸收方面起的貢獻也較小。而水體的波動性在測定水體中所起的作用也不明顯,清潔水體和富營養化水體的波動性較小,而渾濁水體波動性最大,但3種測定水體波動性較已有研究的海域及湖面要小得多,因此不會對紫外線反射率產生太大影響。從浮游生物角度分析,渾濁水體富營養化程度最高,藻類Chla含量為3個水體中最高,富營養化水體其次,清潔水體最低,而水體中浮游藻類含量越高,對紫外波段反射率越大(韓秀珍等,2010;申茜等,2011),藻類濃度越低對紫外波段吸收率卻越高(孫德勇等,2009),故由此可知,清潔水體對紫外線吸收率最高,而渾濁水體藻類含量最高,對紫外線吸收率最低,清潔水體對紫外線反射率最小,而渾濁水體最高,由此推斷水分子對紫外線的吸收在紫外線于氣-水界面衰減過程中起的作用最大,而由于測定時間均在中午入射光角度均較大,而因藻類含量差異引起紫外線反射率差異較小,故紫外線從大氣進入水體時在清潔水體吸收率最大,紫外線衰減率為最高,而渾濁水體吸收率最低,紫外線從大氣進入水體衰減率最低,而富營養化水體則介于兩者之間。另因測定水層較薄,水體中的物質的吸收、散射作用體現不明顯,因此僅從本研究結果可見,影響紫外線的反射率最主要因素為應為水體中藻類含量的多少。
4.1 氣-水界面線性回歸模型的建立方法
根據上述分析,紫外線從大氣-水界面進入水體后,與入射紫外線強度具有很好線性相關性,故可以建立一元回歸方程:

4.2 線性回歸模型檢驗方法
根據回歸方程檢驗步驟,回歸方程必須同時通過F檢驗、R檢驗及t檢驗,才能說明該回歸模型為一個優良的回歸模型,可以用于預測(于洪彥,2001;胡永洪,2005)。
(1)方程顯著性檢驗—F檢驗
用F統計量與Fα臨界值相比較,給定顯著水平α,若F>Fα(k-1,n-k)認為回歸方程顯著成立;否則認為不顯著成立,可以用自變量的變化來解釋與說明因變量的變化(胡永洪,2005)。
(2)擬合優度檢驗—R檢驗
多重決定系數 R2用于檢驗回歸方程的擬合優度,即R2越接近于1,回歸方程擬合得越好。決定系數R2用來檢驗回歸的擬合優度,對于給定顯著水平α,可以從F分布表中查得臨界Fα(k-1,n-k),代入公式R2=[(k-1)F]/[(n-k)+(k-1)F],可求得Rα2。Rα2就是R2顯著性檢驗的臨界值,若計算得到R2>Rα2,認為R2是顯著的,也就是回歸方程總體是顯著成立的;否則認為回歸方程總體不是顯著成立(于洪彥,2001;胡永洪,2005)。
(3)變量顯著性檢驗—t檢驗
回歸方程總體上顯著成立并不表明每個自變量對因變量Y的影響都重要,因而還要對回歸方程中的回歸系數進行顯著性檢驗。對于給定的顯著水平 α,如果 |t |> tα/2(n- k ),則認為回歸系數 b,顯著不為0,因變量Y與自變量確實存在線性關系;否則相反(于洪彥,2001;胡永洪,2005)。
4.3 模型建立
據上述分析,水體表面UVR、UV-AB強度進入水體表層其衰減量與入射UVR、UV-AB強度呈顯著正相關關系,其衰減率主要與水體 CDOM物質在280 nm處吸收系數及藻類Chla含量呈顯著負相關關系,故利用其水體環境因子估算水體表層UVR、UV-AB強度,準確性較差。而水體表層UVR、UV-AB強度與陸地表面UVR、UV-AB強度呈極顯著相關關系,利用入射光中UVR、UV-AB強度通過建立回歸方程的方式估算水體表層UVR、UV-AB強度具有極高的準確性。
監測樣本中陸地表面UVR、UV-AB強度與水體表面UVR、UV-AB強度之間均具有良好的線性相關,相關系數分別高達0.946、0.945、0.947,其相關系數遠大于極顯著相關的臨界值(0.487)。故對此建立線性回歸方程,分別可得UVR、UV-A、UV-B回歸方程模型:

其中 EUVRw代表水體表層UV-R強度,EUVRl代表地表UVR強度; EUV-Aw代表水體表層UV-A強
度, EUV-Al代表地表UV-A強度; EUV-Bw代表水體表層UV-B強度, EUV-Bl代表地表UV-B強度。
4.4 模型擬合優度檢驗
水體表層UVR、UV-AB強度模擬值與實際測量值比較圖分別見圖 4、5、6。由分析結果可知,UVR回歸方程中,F=241.264,Fα=4.26,F>Fα,說明回歸效果非常顯著,R=0.956;R2=0.913,說明回歸方程擬合優度極好,相關關系顯著。查表并計算得 R20.05=0.157,R2>R20.05,說明回歸方程總體是顯著成立的。當 α=0.05時, tα/2(n- k )=2.064,t=15.533, |t |> tα/2(n- k ),通過t檢驗。
UV-A回歸方程中,F=233.890,F>Fα(Fα=4.26),說明回歸效果非常顯著。R=0.954,R2=0.911,說明回歸方程擬合優度極好,相關關系顯著,R2>R20.05(R20.05=0.157),說明回歸方程總體是顯著成立的。當 α=0.05時, tα/2(n- k )=2.064,t=15.294,|t |> tα/2(n- k ),通過t檢驗。

圖4 水體表層UVR實測值與模擬值比較Fig. 4 Comparison between the measurements and the simulations of total ultraviolet radiation in the air-water interface

圖5 水體表層UV-A實測值與模擬值比較Fig. 5 Comparison between the measurements and the simulations of UV-A radiation in the air-water interface
UV-B回歸方程中,F=266.899,F>Fα(Fα=4.26),說明回歸效果非常顯著。R=0.960,R2=0.921,說明回歸方程擬合優度極好,相關關系顯著,R2>R20.05(R20.05=0.157),說明回歸方程總體是顯著成立的。當 α=0.05時, tα/2(n- k )=2.064,t=16.337,|t |> tα/2(n- k )通過t檢驗。
上述3個回歸模型均通過F檢驗、R檢驗和t檢驗,可用于紫外輻射在氣-水界面衰減量的預測。
UVR(UV-A+UV-B)、UV-AB從大氣進入水體表層(厚度約為1~2 mm)后隨即產生衰減,其中UVR平均衰減率達 27.6%,UV-A平均衰減率達29.2%,UV-B平均衰減率達30.8%,其衰減率均超過25%,其中以清潔程度最高水體衰減最多,富營養化程度最高水體衰減最低。
水體藻類含量對紫外線衰減影響較大,水體藻類含量越高,對紫外線吸收率越低,紫外線從大氣進入水體衰減率越低。清潔水體中藻類含量最低,對紫外線吸收率最高,衰減率最大,而富營養化越高的水體,藻類含量越高,對紫外線吸收率越低,衰減率越低。太陽紫外線在氣水界面穿透過程中,入射紫外線角度越大在氣水界面穿透過程中衰減量越大。
利用線性回歸方程建立UVR、UV-AB在氣-水
界面衰減模型,3個回歸模型均通過F檢驗、R檢驗和t檢驗,可用于可用于紫外輻射在氣-水界面衰減量的預測。

圖6 水體表層UV-B實測值與模擬值比較Fig. 6 Comparison between the measurements and the simulations of UV-B radiation in the air-water interface
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Analyse for Attenuation Factors of Ultraviolet Radiation in the Air-Water Interface and Prediction Model
WANG Jinqi1, CHEN Xia2, SONG Yuzhi1, ZHENG Jianwei1
1. School of Applied Meteorology,, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
The attenuation of ultraviolet radiation in the air-water interface is studied, UVR, UV-A, UV-B intensity of atmospheric and surface water and some water environmental factors are determined, and their correlation is analyzed. The results show that UVR, UV-A, UV-B attenuates from the atmosphere into the surface water immediately, the UVR average attenuation rate is 27.6%, UV-A average attenuation rate is 29.2%, UV-B average attenuation rate is 30.8%, the max attenuation rate in the most clean water, the minimum in the eutrophication water. Algae content is the great influencing factor on the attenuation of ultraviolet radiation in the air-water interface, the ultraviolet radiation absorption rate is low when the algae content is higher in water, so the attenuation rate of ultraviolet radiation in the air-water interface is low, The algae content is the lowest in the clean water in the absorption rate of ultraviolet is the highest, so the attenuation rate is the max, the algae content is higher in the eutrophication water, the UV absorption rate is low, so the attenuation rate is low. The incident angle is a important factor in the attenuation of ultraviolet radiation in the air-water interface, the attenuation rate is more when the incident angle is bigger. The attenuation model of UVR, UV-A, UV-B in the gas-water interface was established by using a linear regression equation, all three regression models passed the F test, R test and t test, they can be used to predict.
ultraviolet radiation; attenuation ratio; algae content; incident angle; turbidity
10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.10.011
X524
A
1674-5906(2015)10-1660-08
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WANG Jinqi, CHEN Xia, SONG Yuzhi, ZHENG Jianwei. Analyse for Attenuation Factors of Ultraviolet Radiation in the Air-Water Interface and Prediction Model [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(10): 1660-1667.
教育部人文社會科學研究一般項目資助(15YJCZH167);國家自然科學基金項目(41105113)
王錦旗(1976年生),男,講師,博士。E-mail: w_j_q@sina.com
2015-04-21