基于X波段海洋雷達的南海西北部內(nèi)波參數(shù)特征研究

溫靜涵, 何宜軍, 2, 陳忠彪

基于X波段海洋雷達的南海西北部內(nèi)波參數(shù)特征研究

溫靜涵1, 何宜軍1, 2, 陳忠彪1

(1. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210044; 2. 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點實驗室, 北京 100081)

中國南海是內(nèi)波頻發(fā)海域, 衛(wèi)星遙感在內(nèi)波參數(shù)特征的統(tǒng)計分析中得到了廣泛應(yīng)用, 但是衛(wèi)星軌道的重復(fù)訪問時間長, 不能連續(xù)觀測內(nèi)波參數(shù)的變化特征。X波段海洋雷達具有高時間和空間分辨率, 可以長期連續(xù)觀測內(nèi)波的變化, 本文提出了利用X波段海洋雷達圖像提取內(nèi)波參數(shù)的方法, 并利用連續(xù)觀測的數(shù)據(jù)研究了各參數(shù)的分布特征。首先, 對雷達圖像進行預(yù)處理, 包括平均處理及斜坡校正兩步; 利用二維快速傅里葉變換確定內(nèi)波的傳播方向, 進而根據(jù)該方向上的徑向廓線確定內(nèi)波的相速度大小、波長及周期。最后, 利用在南海石油平臺上觀測的X波段雷達圖像對內(nèi)波各參數(shù)進行提取和統(tǒng)計分析, 結(jié)果表明, 研究區(qū)域內(nèi)波的傳播方向多為西北向及西向傳播, 相速度多為0.6～0.8 m/s, 波長一般為400～600 m, 周期大部分不超過1000 s。

海洋內(nèi)波; 南海西北部; X波段海洋雷達; 參數(shù)統(tǒng)計

中國南海是海洋內(nèi)波的多發(fā)地, 內(nèi)波在海洋內(nèi)部能量的傳遞、海洋生物的生長、海上的生產(chǎn)活動和海洋工程等方面都有重要影響。隨著遙感圖像分辨率的提高, 衛(wèi)星遙感技術(shù)可以用于獲取大范圍的海洋內(nèi)波圖像。目前用于海洋內(nèi)波觀測的傳感器主要有合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)、可見光光譜儀和X波段海洋雷達等。SAR具有全天時、全天候觀測成像等優(yōu)點, 可以獲得高分辨率的海面圖像[1]。利用SAR進行內(nèi)波觀測最早始于SAR圖像中內(nèi)波調(diào)制條紋的發(fā)現(xiàn)[2], Alpers于1985年針對SAR圖像提出了內(nèi)波的雷達成像理論為后人利用SAR觀測內(nèi)波打下理論基礎(chǔ)[3]。Li等[4]通過測量內(nèi)波波包之間的距離確定內(nèi)波的群速度, 并結(jié)合兩層有限深度模型導(dǎo)出混合層深度。Zheng等[5]于2001年提出了曲線擬合法和peak–peak法來確定內(nèi)孤立波的半振幅寬度, 進而利用SAR圖像計算內(nèi)孤立波的振幅。Shen等[6]通過收集分析SAR圖像, 統(tǒng)計了南海西北部海洋內(nèi)波的分布并提出混合層深度的反演方法。Ning等[7]通過收集44幅哨兵一號及高分3號的SAR圖像, 統(tǒng)計了馬六甲海峽處內(nèi)波的振幅及內(nèi)波波包傳播的群速度的分布范圍。Jackson[8]于2007年將中分辨率成像光譜儀(MODIS)圖像中的太陽耀斑用于分析全球范圍內(nèi)的高頻非線性內(nèi)孤立波, 同時分析了全球各個海域的內(nèi)波發(fā)生頻率。Wang等[9]于2012年分析了2500多幅光學(xué)衛(wèi)星和SAR圖像后, 對整個南海的內(nèi)波傳播進行了系統(tǒng)的研究, 針對南海的不同區(qū)域分析內(nèi)波的傳播機制。Sun等[10]利用MODIS圖像對安達曼海中內(nèi)波的時空分布進行統(tǒng)計并推測該地內(nèi)波發(fā)生源。但是, 由于衛(wèi)星軌道的限制, 星載SAR和MODIS的重復(fù)訪問周期長、時間分辨率不足, 不便研究內(nèi)波連續(xù)的發(fā)展變化過程, 導(dǎo)致內(nèi)波參數(shù)統(tǒng)計不完全; 光學(xué)傳感器容易受云、霧、觀測角度等影響。

X波段雷達具有高時間(幾秒至幾分鐘)和空間分辨率(幾米)的優(yōu)點, 可以實時獲得海面連續(xù)觀測的圖像, 近年來被廣泛應(yīng)用于海浪和海流等參數(shù)的觀測。隨著X波段雷達技術(shù)的發(fā)展, 研究人員也開始探索利用X波段雷達反演海洋內(nèi)波的方法。盡管與SAR相比, X波段雷達的探測范圍較小, 但它可以對海面進行實時、連續(xù)的觀測, 在海洋內(nèi)孤立波的動態(tài)信息研究中有其獨到的優(yōu)勢。1990年, Watson和Robinson使用X波段海洋雷達數(shù)據(jù)研究直布羅陀海峽內(nèi)波的演化過程[11]。2009年, Ramos等[12]利用X波段雷達的圖像, 提出了一種基于Radon變換的方法, 計算內(nèi)波的傳播方向、非線性速度、孤立波之間的距離和每個波包中孤立波的數(shù)量等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上, Lu等[13]基于X波段雷達、利用Radon變換的方法計算出南海東北部內(nèi)孤立波的傳播方向和傳播速度等參數(shù), 并應(yīng)用海洋的兩層有限深度理論計算混合層深度。Plant等[14]通過對2005年和2007年部署在中國南海的艦載雙極化相干X波段雷達的圖像進行分析, 發(fā)現(xiàn)南海至少存在兩種不同類型的內(nèi)波, 并指出兩類內(nèi)波各自的特征。Lund等[15]提出了一種從雷達圖像中全自動檢索內(nèi)波的方法, 并且針對振幅超過20 m的大振幅內(nèi)波進行了單獨討論。2016年, Badiey等[16]通過分析由錨定溫度傳感器組成的陣列和X波段雷達所得到的數(shù)據(jù), 統(tǒng)計了一系列內(nèi)波參數(shù), 包括內(nèi)波的傳播速度、傳播方向和振幅等。

已有的研究主要是利用SAR及MODIS圖像進行內(nèi)波時間及空間分布的統(tǒng)計, 由于衛(wèi)星的重復(fù)訪問周期較長, 使得統(tǒng)計時間不連續(xù), 不能體現(xiàn)內(nèi)波一段時間內(nèi)連續(xù)的變化特征。為解決傳統(tǒng)方法的不足, 本文提出一種基于X波段雷達圖像提取海洋內(nèi)波參數(shù)方法, 實驗時間內(nèi)X波段雷達固定在石油平臺上, 基于X波段雷達高時間和空間分辨率、實時連續(xù)觀測的特點, 對海洋內(nèi)波參數(shù)進行定量提取, 并對一段時間內(nèi)南海西北部的內(nèi)波參數(shù)進行統(tǒng)計分析。本文結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)介紹所用的實驗數(shù)據(jù), 第三節(jié)介紹本文提出的利用X波段雷達圖像提取內(nèi)波參數(shù)及參數(shù)統(tǒng)計的方法, 第四節(jié)利用實驗數(shù)據(jù)對方法進行驗證, 第五節(jié)對研究結(jié)果進行討論與總結(jié)。

1 數(shù)據(jù)介紹

本實驗開展于2017年4—12月, 地點位于中國南海西北部的石油平臺上(圖1)。觀測海區(qū)位于海南島西南部約100 km處, 該地水深約為90 m。觀測海區(qū)的地形變化為由東南向西北水深逐漸減小, 潮汐以不規(guī)則全日潮為主, 前人已證實該地常有內(nèi)波出現(xiàn)[17]。實驗所用的X波段海洋雷達基于一套標(biāo)準(zhǔn)的船載導(dǎo)航雷達開發(fā), 工作頻率為9.4 GHz, 工作在掠入射角, 極化方式為HH極化, 加裝了40 MHz的數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件, 用于將雷達接收的海面后向散射回波轉(zhuǎn)換為8 bit的灰度圖像。雷達的主要參數(shù)如表1所示, 其中, 雷達天線的旋轉(zhuǎn)速度為42 r/min, 故雷達的時間分辨率為1.43 s, 實驗中一組雷達序列采集32至128幅雷達圖像, 采集相鄰兩個圖像序列的時間間隔為3～ 10 min。雷達的徑向距離分辨率為3.75 m, 方位分辨率為1°, 最大探測范圍約為6 km。圖2為本實驗中內(nèi)波通過觀測海區(qū)時X波段雷達采集的一幅圖像, 其中明暗變化的粗條紋是內(nèi)波造成的海面粗糙度變化引起的雷達回波, 從圖中目視可以清楚地判斷出該組內(nèi)波是向西北方向傳播。

表1 X波段海洋雷達系統(tǒng)的參數(shù)

由于實驗條件的限制, 本實驗中沒有內(nèi)波的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。目前, 衛(wèi)星遙感圖像已經(jīng)被廣泛用于海洋內(nèi)波的觀測, 本文選取與X波段海洋雷達同步觀測的MODIS圖像來估計內(nèi)波到達觀測海區(qū)的時間。MODIS搭載于NASA的極軌衛(wèi)星Terra和Aqua上, 其中Terra衛(wèi)星每天10: 30前后(當(dāng)?shù)貢r間)過境、Aqua衛(wèi)星每天13: 30前后(當(dāng)?shù)貢r間)過境。MODIS圖像的刈幅為2 330 km, 空間分辨率為250 m, 可以大范圍觀測海洋內(nèi)波。由于光學(xué)衛(wèi)星圖像容易受云層遮擋、實驗中雷達調(diào)試等原因, MODIS與X波段海洋雷達同步觀測的數(shù)據(jù)較少, 為了驗證利用X波段海洋雷達觀測內(nèi)波方法的可靠性, 選取雷達觀測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)波的鄰近時間內(nèi)較清晰的MODIS圖像。例如, 圖3即為本文獲取到的與X波段海洋雷達圖像(圖2)匹配的MODIS衛(wèi)星圖像, 圖中紅色五角星所在位置即為實驗中所用的X波段海洋雷達所處位置, 黑色虛線框中有清晰的內(nèi)波條紋, 根據(jù)內(nèi)波的傳播方向和速度可以估計該內(nèi)波達到雷達觀測海區(qū)的時間(圖2), 表明利用X波段海洋雷達可以有效觀測海洋內(nèi)波。

2 方法

本節(jié)介紹利用X波段海洋雷達圖像提取內(nèi)波參數(shù)的方法, 包括內(nèi)波的傳播方向、內(nèi)波的相速度、內(nèi)波的波長和周期等參數(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1.1 平均處理

2.1.2 斜坡校正

由于雷達收到的電磁能量隨距離增大而衰減, X波段雷達的后向散射強度隨距離的增加急劇減小。為了有效提取內(nèi)波的變化特征, 需要去除雷達圖像的灰度值隨距離的變化趨勢, 即對雷達圖像進行斜坡校正[15]。

其中,與為待定系數(shù), 可以采用最小二乘法進行擬合確定。

然后, 用平均的灰度值減去擬合值:

完成斜坡校正過程后, 再將雷達圖像的灰度值調(diào)整至0～255

2.2 內(nèi)波參數(shù)的提取

其中, Δ為前導(dǎo)波波峰在兩個徑向廓線中的距離差, Δ為相鄰兩組雷達圖像觀測的時間差。根據(jù)上述其中一個徑向廓線中相鄰波峰的位置差值, 可以獲得內(nèi)波波包中相鄰內(nèi)孤立波之間的距離, 本文中將該距離定義為內(nèi)波波長, 但是并不是所有內(nèi)波都以波包的形式存在, 研究區(qū)域中也存在許多內(nèi)孤立波[19], 對于內(nèi)孤立波則不能以上述方法計算內(nèi)波波長, 故本文利用以下公式計算內(nèi)波波長:

= 2, (7)

其中,為傳播方向徑向廓線上前導(dǎo)波點(最亮點)與相鄰最暗點之間的距離。已知內(nèi)波相速度及內(nèi)波波長后可以利用下式求得內(nèi)波周期:

2.3 內(nèi)波參數(shù)的統(tǒng)計

對一段時間內(nèi)的研究區(qū)域中的X波段海洋雷達圖像進行篩選, 標(biāo)記每一組有內(nèi)波出現(xiàn)的雷達圖像, 利用上述方法提取內(nèi)波相速度、內(nèi)波傳播方向、內(nèi)波波長及周期等參數(shù), 統(tǒng)計觀測時間內(nèi)各參數(shù)的分布規(guī)律。

由于X波段雷達連續(xù)觀測海面的變化, 而內(nèi)波通過觀測海區(qū)需要一定的時間, 為了避免同一個內(nèi)波被重復(fù)統(tǒng)計, 本文根據(jù)以下原則統(tǒng)計內(nèi)波參數(shù):

(1) 相鄰3 h內(nèi)只統(tǒng)計一次內(nèi)波, 即, 將3 h內(nèi)雷達圖像中出現(xiàn)且傳播方向相近的內(nèi)波作為同一個內(nèi)波;

(2) 當(dāng)一個內(nèi)波在相鄰的多組雷達圖像內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)時, 將雷達回波最強的圖像用于統(tǒng)計內(nèi)波的參數(shù)。

圖4為本文方法的流程圖。

3 結(jié)果

本節(jié)首先結(jié)合衛(wèi)星圖像驗證提出的方法的有效性, 然后根據(jù)X波段雷達長期的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計觀測海區(qū)中內(nèi)波的變化特征。

3.1 內(nèi)波參數(shù)提取

為了進一步說明提出的利用X波段雷達圖像提取內(nèi)波參數(shù)的方法, 并檢驗方法的有效性, 選取圖2中X波段雷達觀測的內(nèi)波為例, 提取內(nèi)波參數(shù)并與MODIS觀測的內(nèi)波做比較。

首先對X波段雷達圖像進行平均處理, 如圖5所示, 可看出平均處理可以一定程度上平滑掉圖像中海表面的風(fēng)浪和涌浪, 使得內(nèi)波條紋更容易被識別, 雷達圖像中內(nèi)波波包的傳播方向與MODIS圖像(圖3)中內(nèi)波的傳播方向一致。

接下來對雷達圖像進行斜坡校正, 即去除雷達圖像的灰度值隨距離的變化趨勢, 圖6展示的為該組圖像灰度值隨距離擬合結(jié)果的示意圖(式(1)), 該擬合結(jié)果所得R–square值(確定系數(shù))為0.95, 接近于1, 說明所選的冪函數(shù)模型適用。

3.2 內(nèi)波參數(shù)統(tǒng)計

X波段雷達具有可以連續(xù)、長期觀測的優(yōu)點, 可以有效獲取內(nèi)波參數(shù)的分布特征。下面利用第2節(jié)的X波段雷達數(shù)據(jù)統(tǒng)計觀測海區(qū)中內(nèi)波的變化特征。實驗期間各月份中內(nèi)波的出現(xiàn)次數(shù)如圖9所示, 可以看出2017年7月至9月內(nèi)波出現(xiàn)次數(shù)較多, 4—6月出現(xiàn)內(nèi)波的次數(shù)呈遞增趨勢, 10—12月出現(xiàn)內(nèi)波的次數(shù)遞減, 均少于7—9月出現(xiàn)內(nèi)波的次數(shù), 即這3個月為研究區(qū)域內(nèi)(南海西北部)內(nèi)波頻發(fā)的月份, 因此本文主要統(tǒng)計7—9月中內(nèi)波各參數(shù)的分布規(guī)律。

1) 內(nèi)波的傳播方向

首先對內(nèi)波的傳播方向進行統(tǒng)計。圖10展示了7月、8月、9月及7—9月內(nèi)波傳播方向的統(tǒng)計圖, 在7月和8月, 內(nèi)波傳播方向最多的是西北偏西向, 在9月內(nèi)波多為西向傳播; 圖10(d)展示的是7—9月方向統(tǒng)計集合, 可以看出研究時間內(nèi), 內(nèi)波多為西北偏西向、西向傳播, 也存在少數(shù)內(nèi)波向南向、東南向及西南向傳播, 這與前人利用遙感圖像統(tǒng)計結(jié)果一致[20]。

2) 內(nèi)波的相速度

利用式(6)計算每組內(nèi)波相速度, 統(tǒng)計7—9月各月內(nèi)波相速度大小的分布情況, 如圖11所示。圖11(a)可以看出, 7月研究區(qū)域中內(nèi)波相速度集中分布于0.2～ 0.8 m/s, 也有少部分分布在0～0.2 m/s及0.8～1.8 m/s; 8月內(nèi)波速度分布較為均勻, 集中分布在0.2～0.8 m/s, 少部分分布在0.8～1.6 m/s中, 極少部分內(nèi)波相速度小于0.2 m/s或超過1.8 m/s; 9月內(nèi)波速度大部分處于0.6～1 m/s, 觀察7—9月內(nèi)波相速度大小分布圖, 內(nèi)波相速度最多落在0.6～0.8 m/s的區(qū)間內(nèi), 這個結(jié)論與前人利用SAR圖像總結(jié)出的經(jīng)驗公式結(jié)果相吻合[21]。

3) 內(nèi)波的波長

內(nèi)波波長的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示, 大部分內(nèi)波波長為200～800 m(出現(xiàn)次數(shù)為74次), 尤其在400～ 600 m內(nèi)居多(出現(xiàn)31次), 部分為800～1000 m(出現(xiàn)14次), 但也有小部分處于1 000 m以上及200 m以下(共出現(xiàn)6次), 不同月份的波長分布略有差別。

表2 內(nèi)波波長的分布

注: 表中的數(shù)值為內(nèi)波的出現(xiàn)次數(shù)。

4) 內(nèi)波的周期

利用式(8)計算內(nèi)波每組內(nèi)波的周期, 統(tǒng)計于表3。周期集中分布在0～2 000 s(出現(xiàn)次數(shù)為82次), 其中大部分內(nèi)波周期小于1 000 s(出現(xiàn)62次), 2 000～3 000 s內(nèi)也有分布(出現(xiàn)8次), 極少數(shù)周期大于3 000 s(共出現(xiàn)4次), 該結(jié)果在研究的3個月內(nèi)基本一致。

表3 內(nèi)波周期的分布

注: 表中的數(shù)值為內(nèi)波的出現(xiàn)次數(shù)。

此外, 前人的研究表明內(nèi)孤立波的周期(持續(xù)時間)一般在10～30 min(600～1 800 s)[22], 而超出這個范圍的值可能是涌浪或潮波。由于本文在提取內(nèi)波參數(shù)時對雷達圖像做了平均處理(第3.1節(jié)), 每次平均時所用的雷達圖像一般大于32幅, 而涌浪的周期一般小于20 s, 所以平均后的圖像中一般不包括涌浪; 潮波造成的海面粗糙度變化較小, 在雷達圖像不易觀察。本文分析了周期大于1 800 s的X波段雷達圖像, 結(jié)果表明圖像中的條紋的特征與內(nèi)波相同, 所以本文將3 000 s左右的條紋仍然認(rèn)為是內(nèi)波造成的。

4 討論與總結(jié)

南海是內(nèi)波頻發(fā)海域, 前人的研究大多集中于南海東北部, 且大多利用遙感影像對內(nèi)波參數(shù)進行統(tǒng)計分析。由于衛(wèi)星軌道的重復(fù)訪問時間長不能連續(xù)觀測, 統(tǒng)計時間跨度較大, 不能獲得連續(xù)時間內(nèi)波參數(shù)的分布特征。本文采用的X波段雷達具有高時間分辨率(幾秒至幾分鐘)和空間分辨率(幾米), 可以對實驗地點進行全天時的實時連續(xù)觀測, 從而可以獲得觀測海區(qū)中內(nèi)波的大范圍、連續(xù)變化, 有利于全面分析內(nèi)波的變化特征。基于X波段海洋雷達圖像, 本文提出了內(nèi)波參數(shù)的提取方法, 并利用長期的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計了內(nèi)波參數(shù)的分布。觀測時間中內(nèi)波的主要分布特征如下:

(1) 南海西北部7—9月內(nèi)波出現(xiàn)次數(shù)最多, 5、6月次之, 11、12月最少;

(2) 南海西北部內(nèi)波多為西北向及西向傳播, 也有少部分內(nèi)波為西南及東南向傳播;

(3) 內(nèi)波相速度大小最多集中于0.6～0.8 m/s之間, 0.4～0.6 m/s也存在多數(shù), 該海域內(nèi)波相速度最大值超過2 m/s;

(4) 內(nèi)波波長多數(shù)為400～600 m, 其次為600～ 800 m、200～400 m, 也有極少數(shù)內(nèi)波波長超過1 000 m;

(5) 內(nèi)波的周期絕大部分小于1 000 s, 少部分為1 000～2 000 s, 很少部分內(nèi)波的周期大于2 000 s, 最大的周期大于3 000 s。

由于實驗中沒有內(nèi)波的實測數(shù)據(jù), 下一步將結(jié)合現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬結(jié)果, 對觀測海區(qū)內(nèi)波的源地及成因進行研究。

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Study of the characteristics of internal wave parameters in the northwestern South China Sea based on X-band marine radar

WEN Jing-han1, HE Yi-jun1, 2, CHEN Zhong-biao1

(1. College of Marine Sciences, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2. Key Laboratory of Space Ocean Remote Sensing and Applications, National Satellite Ocean Application Service, Beijing 100081, China)

Internal waves (IWs) frequently occur in the South China Sea (SCS), and satellite remote sensing images have been widely used to analyze the characteristics of IW parameters. However, the repeated access time of the satellite orbit is long; thus, the characteristics of IW parameters cannot be continuously observed. X-band marine radar has high temporal and spatial resolutions, which can be used to observe the change of IWs continuously. In this study, a method for determining IW parameters from X-band marine radar images is proposed, and the characteristics of each parameter are investigated using continuous observation data. Firstly, X-band marine radar images are preprocessed by averaging and ramp correction. Secondly, the propagation directions of IWs are determined by the two-dimensional fast Fourier transform, and the parameters of IWs are determined by the radial profile in this direction, such as the phase velocity, wavelength, and period. Finally, the X-band radar images observed on the SCS oil platform are used to extract and statistically analyze the parameters of IWs. The results show that the propagation directions of IWs in the study area are mostly northwest and west, the phase velocities are mostly 0.6–0.8 m/s, the wavelengths are generally 400–600 m, and the periods are mostly less than 1, 000 s.

internal wave; the northwestern South China Sea; X-band marine radar; parametric statistics

Oct. 9, 2021

P733

A

1000-3096(2022)09-0055-09

10.11759/hykx2021109002

2021-10-09;

2022-04-12

國家自然科學(xué)基金國際合作項目(41620104003); 國家自然科學(xué)基金重大儀器設(shè)備研制項目(42027805); 江蘇省海洋科技創(chuàng)新專項項目(HY2018-12); 國家自然科學(xué)基金青年基金(41506199); 江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK20150905)

[The International Cooperation Project of the National Natural Science Foundation of China, No. 41620104003; The National Natural Science Foundation of China Major Instrument and Equipment Development Project, No. 42027805; Jiangsu marine science and technology innovation project, No. HY2018-12; The National Natural Science Youth Foundation of China, No. 41506199; The Natural Science Youth Foundation of Jiangsu Province, No. BK20150905]

溫靜涵(1997—), 女, 山東煙臺人, 碩士研究生, 主要從事海洋內(nèi)波研究, E-mail: jinghanwen@nuist.edu.cn; 陳忠彪(1987—),通信作者, 副研究員, 研究方向: 海洋微波遙感, E-mail: chenzhongbiao@nuist.edu.cn

(本文編輯: 康亦兼)