海洋模式的水平分辨率對(duì)呂宋海峽深層環(huán)流數(shù)值模擬結(jié)果的影響＊

王 斌，趙 瑋

（中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100）

南海又稱南中國(guó)海（South China Sea），是西北太平洋最大的邊緣海。它是1個(gè)半封閉海盆，與外界的水交換主要是通過(guò)北部的臺(tái)灣海峽、東部的呂宋海峽以及南部的蘇丹陸架，其中呂宋海峽（包括巴士海峽、巴林塘海峽、巴布延海峽、呂宋海溝等）是連接太平洋與南海的唯一深水通道。在西北太平洋與南海水體交換的過(guò)程中，伴隨的熱通量和鹽通量交換，對(duì)南海水團(tuán)的性質(zhì)起到了決定性的作用［1－4］。跨越呂宋海峽的太平洋深層水是連接西太平洋與南海深層環(huán)流的重要紐帶，是維持南海熱量和淡水平衡、支撐南海貫通流（South China Sea Through）［5－8］，調(diào)節(jié)印度尼西亞貫通流（Indonesian Throughflow）［9］，影響南海海盆沉積過(guò)程、水體循環(huán)周期及深海碳循環(huán)的關(guān)鍵因子［10－12］。對(duì)呂宋海峽深層流的觀測(cè)和模式模擬研究還比較少，Wang［13］從質(zhì)量守恒的角度，第1次間接地估算了深層水交換的水體通量，大約為0.7Sv。Liu和Liu［14］首次利用觀測(cè)估算了巴士海峽1 500m以深進(jìn)入南海的水體通量為1.2Sv.Tian等［15］于2005年10月沿呂宋海峽的斷面觀測(cè)表明1 500m以深大約有2Sv的西太平洋水進(jìn)入南海。Chang等［16］通過(guò)布放在巴士海峽的海流計(jì)得到西北太平洋深層水進(jìn)入巴士海峽的水體通量為（1.06±0.44）Sv，并且巴士海峽是西北太平洋水進(jìn)入南海的主要通道。

迄今為止，關(guān)于呂宋海峽深層環(huán)流的數(shù)值模擬工作未見(jiàn)報(bào)道。其它海域的溢流（Overflow）和深層環(huán)流的數(shù)值模擬研究較多采用HYCOM數(shù)值模型。Xu等［17］利用1／12（°）水平分辨率的 HYCOM 模型和修改的捲挾方案結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地中海溢流（outflow）進(jìn)行研究，模擬獲得溢流路徑，與已有的觀測(cè)結(jié)果吻合良好，并得到了直布羅陀海峽西側(cè)的強(qiáng)捲挾過(guò)程。Xu等［18］利用1／12（°）水平分辨率的 HYCOM 模型獲得了北歐海域溢流的水體輸運(yùn)路徑和通量。本文利用HYCOM環(huán)流模式，結(jié)合現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬呂宋深層環(huán)流的空間結(jié)構(gòu)，并討論模式水平分辨率對(duì)模擬呂宋海峽深層環(huán)流的影響。

1 HYCOM模式簡(jiǎn)介

HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model）［19－21］是原始方程全球海洋環(huán)流模式，是基于MICOM（Miami Isopycnal－Coordinate Ocean Model）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。該模式最大的優(yōu)點(diǎn)在于采用了混合坐標(biāo)，在開(kāi)闊的層化海洋中采用等密度面坐標(biāo)，然后平滑的過(guò)渡到淺?；蜿懠軈^(qū)域的隨地形坐標(biāo)，在混合層或?qū)踊幻黠@的海域則采用z坐標(biāo)。混合坐標(biāo)結(jié)合了等密度坐標(biāo)、sigma坐標(biāo)和z坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了采用單一坐標(biāo)系的不足。HYCOM中有7種湍流封閉方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的混合方案對(duì)模擬結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的差異，人們可以根據(jù)自己的研究需要選取不同的混合方案。

本文的模擬重點(diǎn)為呂宋深層環(huán)流，HYCOM的優(yōu)勢(shì)在于它可以很好的結(jié)合等密度面坐標(biāo)和隨地形坐標(biāo)。而等密度面坐標(biāo)適合于模擬發(fā)生在等位勢(shì)密度面上的動(dòng)力過(guò)程，辟如海洋內(nèi)部的水體輸運(yùn)［22］。另外水平壓強(qiáng)梯度力被認(rèn)為是呂宋海峽深層環(huán)流的驅(qū)動(dòng)機(jī)制［23－24］，對(duì)于絕熱流體，等密度面坐標(biāo)也能很好的表征水平壓強(qiáng)，因而HYCOM模式非常適合于呂宋海峽深層環(huán)流的模擬。

2 模式設(shè)置和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模式計(jì)算范圍包括整個(gè)南海及部分西北太平洋區(qū)域（4°N～25°N，105°E～125°E，見(jiàn)圖1a）。垂向分為32層，采用2 000m處參考?jí)簭?qiáng)，目標(biāo)位勢(shì)密度為28.10，28.90，29.70，30.50，30.95，31.50，32.05，32.60，33.15，33.70，34.25，34.75，35.15，35.50，35.80，36.04，36.20，36.34，36.46，36.56，36.64，36.70，36.74，36.78，36.82，36.84，36.86，36.88，36.92，36.96，37.01和37.06kg·m－3。地形分辨率為1′［25］。模式初始場(chǎng)采用 GDEM3溫鹽數(shù)據(jù)［26］。因?yàn)楸疚闹饕芯績(jī)?nèi)容為呂宋海峽深層環(huán)流，模式設(shè)置中忽略海表面強(qiáng)迫。除了東邊界采用19個(gè)網(wǎng)格的溫鹽松弛邊界，其它邊界均為閉邊界。垂向混合方案為KPP混合方案（K－Profile Parameterization）［27］。

圖1 模式計(jì)算范圍Fig.1 The bottom topography

Tian等［24］在呂宋海峽兩側(cè)的觀測(cè)研究表明，南海1 000m以下的垂向混合率高于太平洋一側(cè)2個(gè)量級(jí)以上。南海1 000m深的混合率為10－3m2·s－1并隨著深度的增加逐步增大到10－2m2·s－1，而太平洋一側(cè)的垂向混合率為10－5m2·s－1。由于KPP垂向混合方案無(wú)法模擬真實(shí)的深層垂向混合率，本文基于觀測(cè)對(duì)KPP混合系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將南海整個(gè)海盆在1 000m以下的垂向混合率統(tǒng)一設(shè)定為10－3m2·s－1。

本文通過(guò)3個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)探討水平分辨率對(duì)呂宋海峽深層環(huán)流的影響，并給出呂宋海峽深層環(huán)流的空間分布和垂向結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)一的水平分辨率為1／6（°），實(shí)驗(yàn)二的水平分辨率為1／12（°），實(shí)驗(yàn)三的水平分辨率為1／24（°），采用的水平網(wǎng)格皆為墨卡托網(wǎng)格，其他設(shè)置都相同。

3 模擬結(jié)果分析

圖2是3個(gè)實(shí)驗(yàn)中121°E斷面25層（36.82kg·m－3）以下水體輸運(yùn)10年間的變化（正值表示從西北太平洋流向南海方向）。實(shí)驗(yàn)一的流量在1年以后很快變?yōu)?，表明1／6（°）分辨率實(shí)驗(yàn)無(wú)法模擬呂宋海峽深層環(huán)流。此實(shí)驗(yàn)中呂宋海峽的底地形（見(jiàn)圖3）表明1／6（°）的水平分辨率無(wú)法分辨巴士海峽和臺(tái)東海峽的地形特征，致使呂宋海峽在2 000m以下呈完全封閉狀態(tài)，太平洋深層水無(wú)法進(jìn)入?yún)嗡魏希M(jìn)而無(wú)法形成呂宋海峽深層環(huán)流。實(shí)驗(yàn)二的斷面流量變化表明模式經(jīng)過(guò)1年的調(diào)整后年平均流量達(dá)到1.8Sv，在前5年流量有輕微減小，5年之后流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，年平均流量值穩(wěn)定在1.5Sv。實(shí)驗(yàn)三得到的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)二相似，呂宋海峽深層流的流量達(dá)到穩(wěn)定后年平均流量為1.5Sv。不同之處在于高分辨率下模式在積分前幾年的流量比低分辨率情況下結(jié)果小，并且經(jīng)過(guò)3年的積分很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)槟Ｊ皆诔跏紟啄曛猩顚恿魑催_(dá)到穩(wěn)定，而實(shí)驗(yàn)二由于分辨率較低計(jì)算網(wǎng)格大且底地形不是很準(zhǔn)確，造成在流速大且不穩(wěn)定的情況下得到的流量值可能大于高分辨率下的結(jié)果。由此可見(jiàn)，1／6（°）的水平分辨率無(wú)法模擬呂宋深層環(huán)流，1／12（°）和1／24（°）水平分辨率對(duì)121°E斷面25層以下的總流量沒(méi)有影響。實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三在5年之后都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，本文采用第10年的模式結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖2 121°E斷面25層（σ2，36.82kg·m－3）以下的水體輸運(yùn)流量（單位，Sv）Fig.2 The evolution of model－determined westward transport（in Sv）from model layers 25 （σ2of 36.82kg·m－3）to bottom along 121°E

圖3 實(shí)驗(yàn)一中的呂宋海峽地形Fig.3 The topography of Luzon Strait in the first experiment

3.1 水平分辨率對(duì)呂宋海峽深層環(huán)流空間分布的影響

圖4 巴士海峽內(nèi)B點(diǎn)沿海峽方向的流速剖面Fig.4 The velocity profiles of point B in Bashi Channel

本文利用2008年8月份巴士海峽直接流速觀測(cè)數(shù)據(jù)（LADCP）研究巴士海峽深層流結(jié)構(gòu)。觀測(cè)點(diǎn)的位置為圖4中的B點(diǎn)（121.68°E，21.14°N），通過(guò)剔除潮流獲得的準(zhǔn)定常流。流速觀測(cè)結(jié)果表明呂宋海峽流速垂向結(jié)構(gòu)有明顯的溢流特征，意味著太平洋深層水進(jìn)入巴士海峽深層。文中選取模式網(wǎng)格點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)距離最近的點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)一為121.63°E，21.13°N，實(shí)驗(yàn)二為121.68°E，21.18°N，實(shí)驗(yàn)三為121.68°E，21.13°N）進(jìn)行比較，其中流速方向?yàn)檠睾{向南海方向。觀測(cè)剖面表明太平洋深層水在1 900m左右（σ2，36.82kg·m－3）以深進(jìn)入巴士海峽，隨著深度的增加流速增大，并在海底附近出現(xiàn)最大值（約30cm／s），同樣呈現(xiàn)出明顯的溢流特征。實(shí)驗(yàn)一中，B點(diǎn)流速垂向剖面表明深層流速基本為0，沒(méi)有明顯的溢流特征，并且水深與實(shí)際情況相差很大，這是由于實(shí)驗(yàn)一較粗的水平分辨率無(wú)法分辨巴士海峽的地形，導(dǎo)致巴士海峽封閉進(jìn)而不存在深層流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)二中，B點(diǎn)流速剖面表明從大約1 800m（模式25層，36.82kg m－3）深度，沿海峽向南海方向的流速大于0，表明西太平洋水進(jìn)入巴士海峽，并且隨著深度的增加，流速越來(lái)越大，在海底附近達(dá)到最大值（27cm／s）。實(shí)驗(yàn)二的模擬結(jié)果與觀測(cè)垂向流速剖面有良好的符合。實(shí)驗(yàn)三中，流速剖面在垂向結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)二結(jié)果相近，也呈現(xiàn)出了明顯的溢流特征，最大值出現(xiàn)在海底位置約為30cm／s。并且基于實(shí)驗(yàn)二和三模擬結(jié)果得到的巴士海峽年平均流量均為1.1Sv，這與前人的觀測(cè)有良好的吻合［14，16］。這說(shuō)明本文采用的模式設(shè)置可以很好的模擬巴士海峽深層流。

B點(diǎn)的流速剖面表明西北太平洋水從模式的第25層開(kāi)始經(jīng)過(guò)巴士海峽進(jìn)入南海，因而121°E緯向斷面25層以下的流量可以近似認(rèn)為是西北太平洋深層水通過(guò)呂宋海峽深水通道進(jìn)入南海的流量。模式結(jié)果表明，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，西北太平洋深層水進(jìn)入南海的年平均流量值為1.5Sv（見(jiàn)圖2），與觀測(cè)結(jié)果相近［22］。

基于B點(diǎn)的流速剖面，積分整個(gè)區(qū)域內(nèi)25層以下單位寬度的流量給出呂宋海峽深層的流量密度圖，給出呂宋海峽深層環(huán)流的路徑（圖5a為實(shí)驗(yàn)一結(jié)果，b為實(shí)驗(yàn)二結(jié)果，c為實(shí)驗(yàn)三結(jié)果）。實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果表明，1／6（°）水平分辨率無(wú)法分辨呂宋海峽復(fù)雜地形，此實(shí)驗(yàn)不能模擬得到呂宋海峽深層環(huán)流。實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果表明，西北太平洋深層水到達(dá)呂宋海峽后分為2支，1支通過(guò)巴士海峽流入?yún)嗡魏希?支通過(guò)臺(tái)東海峽流入?yún)嗡魏?，在呂宋海溝北部匯合后沿呂宋海溝向南流動(dòng)。沿恒春海脊（Hen－Chun ridge）向南流動(dòng)的過(guò)程中，沒(méi)有明顯的流從 WG1缺口處流向南海。在WG2缺口處，一小部分呂宋海峽深層水從呂宋海溝分離出來(lái)進(jìn)入南海，剩余的深層水基本從WG3缺口處進(jìn)去南海。WG4缺口處沒(méi)有明顯的流動(dòng)。2個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的呂宋海峽深層流空間分布特征基本一致，太平洋水在2個(gè)試驗(yàn)中都主要從巴士海峽進(jìn)入?yún)嗡魏?，最后通過(guò)WG2和WG3通道進(jìn)入南海。1／24（°）水平分辨率模擬得到的呂宋海峽深層環(huán)流路徑與1／12（°）水平分辨率的模擬結(jié)果基本一致，只是高分辨率的模擬結(jié)果能顯示出更細(xì)致的結(jié)構(gòu)（如呂宋海溝北部的氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)）。

圖5 模式25層 （σ2，36.82kg·m－3）以下年平均單位寬度流量 （單位，m2·s－1）Fig.5 The annual mean transport per unit width（unit：m2·s－1）of the first experiment from model layer 25（σ2，36.82kg·m－3）to bottom

本文在巴士海峽、臺(tái)東海峽、WG2和WG3通道各取垂直海峽方向的垂向斷面計(jì)算其流量，定量描述各個(gè)海峽和通道的水體通量，驗(yàn)證水平分辨率的高低是否會(huì)對(duì)呂宋海峽的主要出入口的流量產(chǎn)生影響。同樣計(jì)算模式25層以下的流量密度代表呂宋深層環(huán)流及其分支的流量。實(shí)驗(yàn)二（1／12（°））和實(shí)驗(yàn)三（1／24（°））得到的巴士海峽、臺(tái)東海峽、WG2和WG3通道的流量基本一致，分別為1.1、0.4、0.5和0.9Sv，2個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的流量差異僅體現(xiàn)在小數(shù)點(diǎn)后兩位，這主要是由不同分辨率下底地形的差異造成。由此可見(jiàn)1／24（°）的水平分辨率不會(huì)影響呂宋海峽中各個(gè)出入口的深層流流量。

3.2 水平分辨率對(duì)呂宋海峽深層環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)的影響

本文還研究了呂宋海峽深層環(huán)流在流動(dòng)過(guò)程中垂向結(jié)構(gòu)的變化和不同水平分辨率對(duì)呂宋海峽深層環(huán)流的垂向結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)各出入口的流量大小，本文僅對(duì)主要出入口的垂向結(jié)構(gòu)和呂宋海溝的垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)一中不存在呂宋海峽深層環(huán)流，本文只對(duì)實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三的結(jié)果進(jìn)行分析。分別取巴士海峽、WG2、WG3通道以及呂宋海溝北、中、南3個(gè)斷面進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖6，7）。圖6為巴士海峽、WG2和WG3通過(guò)的垂向結(jié)構(gòu)和流速分布?？梢院苊黠@的看到無(wú)論是實(shí)驗(yàn)二還是實(shí)驗(yàn)三，各個(gè)海峽、通道的流速最大值出現(xiàn)在海底附近呈現(xiàn)出明顯的溢流結(jié)構(gòu)，在底層由于科氏力的作用，流速最大值出現(xiàn)在流速正方向的右側(cè)。2個(gè)實(shí)驗(yàn)中各個(gè)海峽／通道在1 000m以下的垂向?qū)咏Y(jié)和流速分布基本相同，不同點(diǎn)在于細(xì)結(jié)構(gòu)和海底地形。圖7為呂宋海溝北部（20.2°N附近垂直海峽方向）、中部（19.5°N 附近垂直海峽方向）和南部（18.2°N附近垂直海峽方向）的垂向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，圖7a和d表明呂宋海溝北部存在1個(gè)氣旋式渦旋，實(shí)驗(yàn)三的反氣旋環(huán)流要強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)二，圖5也表明了此環(huán)流特征。在2個(gè)試驗(yàn)中，太平洋深層水通過(guò)巴士海峽和臺(tái)東海峽到達(dá)呂宋海溝呂宋北部時(shí)流核分布在2 000～3 000m之間，太平洋深層水并未下沉到海底。2個(gè)實(shí)驗(yàn)的流速分布、垂向?qū)咏Y(jié)在此斷面都符合良好。到達(dá)呂宋海峽的中部和南部后，2個(gè)實(shí)驗(yàn)在海底附近的結(jié)構(gòu)有差異。實(shí)驗(yàn)二中，太平洋深層水的流核在2 800m左右沿海峽向西南流動(dòng)，而在實(shí)驗(yàn)三中太平洋水已經(jīng)下沉到海底附近，2個(gè)實(shí)驗(yàn)在此斷面的層結(jié)也出現(xiàn)差異，實(shí)驗(yàn)三的垂向分層相對(duì)均勻，在底層的分辨率較高可以更準(zhǔn)確的把握流場(chǎng)特征。在呂宋海溝的南部，實(shí)驗(yàn)二中的深層水雖然出現(xiàn)下沉但仍未貼近海底，實(shí)驗(yàn)三中的深層水已徹底下沉到海底。2個(gè)實(shí)驗(yàn)中，深層水在流動(dòng)過(guò)程中均出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，不過(guò)1／24（°）水平分辨率下模擬得到的深層水在流動(dòng)過(guò)程中的下沉速度快于1／12（°）水平分辨率下的模擬結(jié)果。

圖6 垂直巴士海峽（a、d）、WG2（b、e）和 WG3（c、f）通道方向流速斷面Fig.6 Velocity sections cross Bashi Strait（a，d），gaps WG2 （b，e）and WG3

圖7 垂直呂宋海溝北部（a、d）、中部（b、e）和南部（c、f）方向的流速斷面Fig.7 Velocity sections cross the northern（a，d），middle（b，e）and southern Luzon Trough

數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明，1／12（°）和1／24（°）的水平分辨率對(duì)模擬巴士海峽和WG2與WG3通道的深層水垂向?qū)咏Y(jié)和流速分布基本沒(méi)影響。在呂宋海溝內(nèi)部，太平洋水不能在低分辨率試驗(yàn)中很快下沉到海底，2個(gè)實(shí)驗(yàn)在呂宋海溝中部的流速垂向結(jié)構(gòu)以及層結(jié)有較大不同，但在呂宋海溝南北兩端，2個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合良好。

4 結(jié)論與展望

本文首次利用HYCOM模式，并根據(jù)南海實(shí)測(cè)垂向混合率修改模式KPP垂向混合方案對(duì)呂宋海峽深層環(huán)流進(jìn)行模擬。1／6（°）、1／12（°）和1／24（°）水平分辨率的模擬結(jié)果顯示，1／6（°）的水平分辨率不足以分辨巴士海峽和臺(tái)東海峽地形，太平洋深層水沒(méi)有進(jìn)入?yún)嗡魏{的深水通道進(jìn)而無(wú)法模擬呂宋海峽深層環(huán)流。1／12（°）和1／24（°）的水平分辨率都可以對(duì)呂宋海峽的復(fù)雜地形給出良好的描述，太平洋深層水可以通過(guò)巴士海峽和臺(tái)東海峽進(jìn)入?yún)嗡魏线M(jìn)而驅(qū)動(dòng)呂宋海峽深層環(huán)流，2個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的呂宋海峽深層環(huán)流年平均流量高度一致（1.5Sv）并與現(xiàn)有觀測(cè)有很好的吻合，呂宋海峽深層環(huán)流的路徑均是西北太平洋深層水沿蘭嶼海脊向北流動(dòng)，到達(dá)呂宋海峽后，分為2支進(jìn)入巴士海峽（1.1Sv）和臺(tái)東海峽（0.4Sv），在呂宋海溝海槽匯合后沿呂宋海溝地形向西南流動(dòng)。西北太平洋深層水主要通過(guò)位于恒春海脊的WG2和WG3缺口進(jìn)入南海，年平均流量分別為0.5和0.9Sv。2個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的呂宋海峽深層環(huán)流空間分布和路徑基本一致，只是高分辨率的結(jié)果顯示了更清晰的細(xì)結(jié)構(gòu)。呂宋海峽深層流的主要出入口巴士海峽、WG2和WG3通道在2個(gè)試驗(yàn)中的垂向結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)分布沒(méi)有明顯的差異，只是在沿呂宋海溝地形向南流動(dòng)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)二的下沉速度要慢于實(shí)驗(yàn)三，到呂宋海溝南部，2個(gè)試驗(yàn)中的深層水基本下沉到海底，在這個(gè)3個(gè)斷面中，實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三只在呂宋海溝中部斷面的垂向結(jié)構(gòu)和流速分布有差異，在另外2個(gè)斷面，2個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致。本文的研究不但給出了呂宋海峽深層環(huán)流的空間分布，并且通過(guò)詳細(xì)的比較證明了1／12（°）的水平分辨率足可以模擬呂宋海峽深層環(huán)流，這對(duì)以后的數(shù)值研究具有很好的借鑒意義。

本文的立足點(diǎn)是深層環(huán)流的過(guò)程研究，忽略了海洋上層強(qiáng)迫的影響。在未來(lái)的工作中將進(jìn)一步加入上層強(qiáng)迫來(lái)模擬真實(shí)的呂宋海峽深層環(huán)流及全深度的水體交換。

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