吳福浪 陶俞鋒 周 琳
(中國(guó)民用航空寧波空中交通管理站,浙江 寧波 315000)
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2014年寧波一次典型海陸風(fēng)雷暴過(guò)程探析
吳福浪陶俞鋒周琳
(中國(guó)民用航空寧波空中交通管理站,浙江 寧波 315000)
用Micaps ,地面自動(dòng)站加密資料,新一代多普勒天氣雷達(dá)資料和GFS0.5°×0.5°再分析資料以及中尺度WRF模式輸出資料對(duì)2014夏季發(fā)生在寧波市地區(qū)的一個(gè)局地強(qiáng)雷暴天氣過(guò)程進(jìn)行了分析總結(jié),得出:寧波新一代多普勒雷達(dá)反射率回波出現(xiàn)弱窄帶回波時(shí),對(duì)應(yīng)邊界層輻合線海風(fēng)鋒,在有利天氣形勢(shì)背景下易誘發(fā)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展。此次強(qiáng)雷雨過(guò)程是在有利天氣背景條件下發(fā)生的,強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在局地層結(jié)不穩(wěn)定和較好的水汽條件下;利用中尺度WRF模式輸出資料進(jìn)行分析看到,海風(fēng)鋒的鋒生造成的地轉(zhuǎn)強(qiáng)迫促使次級(jí)環(huán)流加強(qiáng),在東西風(fēng)輻合線西側(cè)有垂直上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn);海風(fēng)鋒本身有一輻合抬升區(qū),輻合上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)為雷暴的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件,從而觸發(fā)了該地區(qū)不穩(wěn)定能量的強(qiáng)烈釋放,促使了雷暴的新生發(fā)展。
Micaps;GFS資料;海風(fēng)鋒;中尺度WRF
雷暴是伴有雷擊和閃電的對(duì)流天氣現(xiàn)象,一般伴有陣雨,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)局部的大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。寧波市屬亞熱帶地區(qū),天氣復(fù)雜多變,雷暴等氣象災(zāi)害頻發(fā),給經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸安全和人們的身體健康造成嚴(yán)重威脅。近年來(lái),隨著城市建設(shè)發(fā)展,雷暴的氣候變化規(guī)律越來(lái)越受到大的關(guān)注,加強(qiáng)對(duì)雷暴發(fā)生規(guī)律以及影響雷暴天氣形勢(shì)的研究,對(duì)防雷減災(zāi)、雷電預(yù)警預(yù)報(bào)以及航空飛行安全等都具有重要意義。
海陸風(fēng)是海陸交界處的一種中尺度天氣系統(tǒng),它是由下墊面加熱不均勻而產(chǎn)生的大氣次級(jí)環(huán)流,是沿海地區(qū)特有的天氣系統(tǒng),對(duì)局地天氣和氣候有重要影響,并且這種影響越來(lái)越被氣象工作者所重視。多普勒天氣雷達(dá)經(jīng)常能夠探測(cè)到弱窄帶回波,這些弱窄帶回波一般對(duì)應(yīng)的是邊界層輻合線。在合適的層結(jié)和水汽條件下,這些邊界層輻合線的演變與強(qiáng)對(duì)流天氣的形成,發(fā)展和消亡密切相關(guān)。對(duì)于邊界層輻合線的分析和各種規(guī)律的認(rèn)識(shí)有助于及早做出強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)。國(guó)際上對(duì)海風(fēng)鋒的研究可以追溯到20世紀(jì)初,Jeffreys[1]奠定了海陸風(fēng)定量理論研究的基礎(chǔ),Banta等[2]應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)能夠完整而清晰地捕捉海風(fēng)鋒的三維結(jié)構(gòu)特征。雷達(dá)觀測(cè)的邊界層輻合線對(duì)深厚對(duì)流的觸發(fā)作用已被多個(gè)選自美國(guó)科羅拉多 州東部的實(shí)例證實(shí),Wilson等[3]、Schreiber[4]的論文統(tǒng)計(jì)并給出1984年丹佛和科羅拉多州附近對(duì)流季節(jié)的實(shí)例。Wilson等[5]統(tǒng)計(jì)分析了邊界層輻合線對(duì)雷暴的觸發(fā)規(guī)律。
國(guó)內(nèi)方面:翟國(guó)慶等[6]根據(jù)華東地區(qū)多次典型強(qiáng)對(duì)流天氣的地面風(fēng)場(chǎng)分析和合成結(jié)果,指出強(qiáng)對(duì)流帶的發(fā)生發(fā)展與其前暖區(qū)的中尺度輻合線有密切關(guān)系,往往在其前方有中尺度的輻合中心,也是對(duì)流發(fā)生最為強(qiáng)烈和移動(dòng)變化的突出區(qū)域。
寧波東臨東海,北靠杭州灣,夏天午后由于明顯熱力差異,海陸風(fēng)是經(jīng)常能被多普勒雷達(dá)探測(cè)到的邊界層輻合線,也是主要影響寧波夏季產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣的中尺度系統(tǒng)之一。海陸風(fēng)是由于海陸熱力差異引起的白天由海上向內(nèi)陸吹、夜間由內(nèi)陸向海上吹的距海岸線幾十千米的中小尺度熱力環(huán)流。在炎熱的夏季,當(dāng)海風(fēng)入侵內(nèi)陸時(shí),會(huì)引起沿海內(nèi)陸地區(qū)氣溫下降、濕度增加,海風(fēng)鋒對(duì)雷暴有觸發(fā)和加強(qiáng)的作用。因此對(duì)海陸風(fēng)的研究不但對(duì)掌握本地夏季對(duì)流天氣形成有重要作用,而且對(duì)臨近預(yù)報(bào)也有較好指導(dǎo)意義。同時(shí),研究并掌握海陸風(fēng)對(duì)雷暴發(fā)生發(fā)展的作用規(guī)律,對(duì)寧波本地的防災(zāi)抗災(zāi)有重要意義。
首先利用常規(guī)氣象資料,地面自動(dòng)站加密資料,等分析此次雷暴的天氣形勢(shì)特點(diǎn),再借助GFS 0.5°×0.5°再分析資料對(duì)影響此次雷暴天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展進(jìn)行物理量診斷,緊接著借助新一代多普勒天氣雷達(dá)資料和地面自動(dòng)站加密資料直觀分析海陸風(fēng)的二維表現(xiàn)形式,最后使用中尺度WRF模式輸出資料進(jìn)一步剖析海風(fēng)鋒對(duì)強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)作用。
2.1天氣形勢(shì)背景
高層200hPa上(圖1a),冷渦中心位置處在我國(guó)東北地區(qū),華東中北部為槽前西南氣流之中;華東中南部為平直西風(fēng)氣流以及大陸高壓頂部。500 hPa圖上(圖1b),副高加強(qiáng)向內(nèi)陸伸展至80°E并成東西帶狀分布,副高脊線北抬越過(guò)25 °N。寧波市剛好處在東北冷渦槽前和副高北側(cè)之間。高空急流軸位于華東蘇皖北部以及魯南,寧波市處在高空急流軸南側(cè)。中低層700 hPa,850 hPa圖上(圖1c,1d),低渦處在華東蘇皖位置,隨著高空東北冷渦不斷東移南壓。低空急流軸位于華東中部,給寧波輸出充沛水汽,為接下來(lái)的強(qiáng)雷雨過(guò)程提供充足能量和水汽供應(yīng)。
(a)~(d)200 hPa至低層850 hPa的水平風(fēng)場(chǎng)(矢線),溫度場(chǎng)(虛線),位勢(shì)高度(黑實(shí)線)圖1 2014年9月2日06UTC寧波市強(qiáng)雷雨期間對(duì)流層高低空環(huán)流場(chǎng)的配置
2014年9月2日寧波市雷雨分為兩個(gè)過(guò)程,第一次過(guò)程是大形勢(shì)背景下海陸風(fēng)誘發(fā)的局地強(qiáng)對(duì)流;第二次過(guò)程是槽線東移時(shí)的颮線影響過(guò)程。但第二次颮線移至寧波時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱,影響較第一次過(guò)程小得多。本文著重分析海陸風(fēng)誘發(fā)的局地強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。
圖2 2014年9月2日午后強(qiáng)雷雨發(fā)生前寧波市多普勒雷達(dá)反射率
連續(xù)跟蹤觀測(cè)9月2日中午到下午寧波新一代天氣雷達(dá)1.5°仰角基本反射率產(chǎn)品因子可以看到,05:40(世界時(shí),下同)在寧波東北北侖方向有一條窄帶回波(圖2a),這是邊界層輻合線海風(fēng)鋒在多普勒雷達(dá)上的明顯體現(xiàn)。海風(fēng)鋒走向大致和北侖鎮(zhèn)海一帶海岸線平行,回波強(qiáng)度大約15~20 dBz,長(zhǎng)度大約為50 km,并以20 km/h左右速度向西南方向推進(jìn)。06:25已經(jīng)推進(jìn)到內(nèi)陸的鄞州區(qū)等地(圖2b),并不斷繼續(xù)向內(nèi)陸伸展。同時(shí)在07:05寧波市東南象山、寧海等地也有一條弱窄帶回波生成緩慢向內(nèi)陸發(fā)展移動(dòng)(圖2c),這也是寧波東南沿海邊界層輻合線海風(fēng)鋒在多普勒雷達(dá)上的體現(xiàn)。兩條海風(fēng)鋒向內(nèi)陸推進(jìn)過(guò)程中匯聚于內(nèi)陸鄞州區(qū),形成輻合區(qū),使得鄞州區(qū)局地輻合加強(qiáng)(圖2d)。盧煥珍(2012)等[7]研究海風(fēng)鋒導(dǎo)致雷暴生成和加強(qiáng)規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn),海風(fēng)鋒在向內(nèi)陸推進(jìn)過(guò)程中如遇環(huán)境場(chǎng)不穩(wěn)定,沿海風(fēng)鋒或附近突然有雷暴出發(fā)并逐漸發(fā)展加強(qiáng)。從天氣形勢(shì)背景介紹中可知,寧波地區(qū)處在一個(gè)不穩(wěn)定的大環(huán)境場(chǎng)中,08:02(圖略),寧波西南山區(qū)生成的弱回波不斷向東北移動(dòng),強(qiáng)度變化緩慢。在08:36(圖3a),在兩條海陸風(fēng)交匯位置,雷暴單體突然發(fā)展加強(qiáng),最強(qiáng)強(qiáng)度達(dá)到50 dBz以上。到了08:58,在海風(fēng)鋒交匯處回波向北不斷發(fā)展過(guò)程中范圍變大,頂高伸展到8~12 km。從09:10(圖3b)開始,西部新的雷暴單體的結(jié)合,在兩條海風(fēng)鋒匯聚區(qū)域形成強(qiáng)度更強(qiáng),范圍更大的超級(jí)雷暴單體,給寧波鄞州區(qū)帶來(lái)將近一個(gè)小時(shí)大暴雨過(guò)程,這與周欽華(1987)等[8]對(duì)浙江沿海海陸風(fēng)環(huán)流研究得出的結(jié)論“海陸風(fēng)造成的地面風(fēng)輻合帶常是浙江沿海地區(qū)大暴雨發(fā)生的地方,在作浙江沿海暴雨預(yù)報(bào)時(shí), 不可忽視海陸風(fēng)環(huán)流的作用”相一致。通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的分析,我們基本可以斷定,9月2號(hào)寧波午后強(qiáng)雷雨過(guò)程是由推進(jìn)到內(nèi)陸的海風(fēng)鋒周圍激發(fā)出的雷暴單體發(fā)展加強(qiáng)引起的。雷暴單體在內(nèi)陸兩條海陸風(fēng)交匯處加強(qiáng)為超級(jí)雷暴單體,進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。
圖3 2014年9月2日午后強(qiáng)雷雨發(fā)生時(shí)寧波市多普勒雷達(dá)反射率
2.2從自動(dòng)站逐時(shí)資料分析海風(fēng)鋒對(duì)強(qiáng)雷雨的觸發(fā)作用
海風(fēng)鋒向內(nèi)陸推進(jìn)過(guò)程中,所到區(qū)域最明顯氣象要素變化就是濕度加大以及溫度降低。從9月2日北侖區(qū)溫壓濕分布圖上(圖4a)可以看出,04UTC之前,由于日變化,溫度不斷升高,濕度不斷降低。04UTC之后,由于海陸熱力差異導(dǎo)致低層海風(fēng)吹向內(nèi)陸,中高層陸風(fēng)吹向海上,形成海風(fēng)鋒。海風(fēng)鋒在向內(nèi)陸推進(jìn)過(guò)程中,北侖區(qū)自04UTC后溫度不斷降低,4個(gè)小時(shí)內(nèi)降溫幅度高達(dá)4 ℃;相對(duì)濕度則由60%不斷上升到85%以上。內(nèi)陸鄞州區(qū)氣象要素變化受海風(fēng)鋒影響尤其明顯(圖4b):06UTC之前,受日變化影響,溫度不斷上升到35 ℃,相對(duì)濕度則維持在較低的60%左右。07UTC之后,隨著海風(fēng)鋒推進(jìn)影響,溫度迅速降低,兩個(gè)小時(shí)內(nèi)溫度降幅高達(dá)8℃;與此相對(duì)應(yīng)的則是相對(duì)濕度的急劇增加,兩小時(shí)內(nèi)由60%左右上升到95%以上。從以上站點(diǎn)氣象要素短時(shí)變化可知,9月2日午后雷雨主要影響系統(tǒng)為邊界層輻合線的海風(fēng)鋒。
圖4 2014年9月2日00UTC至3日00UTC北侖區(qū)(a)和鄞州區(qū)(b)溫壓濕變化分布(圖上對(duì)應(yīng)時(shí)次為北京時(shí))
2.3利用中尺度WRF模式分析海風(fēng)鋒對(duì)強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)作用
文中采用中尺度數(shù)值模式WRF,對(duì)2014年9月2日寧波地區(qū)強(qiáng)雷雨過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模式使用GFS提供的水平分辨率為0.5°×0.5°的再分析資料作為初始場(chǎng)。在模式中采用了雙重嵌套方案(D01,D02),模擬區(qū)域的中心位置為(29°N,121.0°E),粗網(wǎng)格D01格點(diǎn)數(shù)為100×90,格距27 km,細(xì)網(wǎng)格D02格點(diǎn)數(shù)為91×91,格距為9 km。垂直方向?yàn)?0個(gè)層,積分時(shí)間由2014年9月2日00時(shí)(世界時(shí))到2014年9月2日18時(shí),模擬積分時(shí)間長(zhǎng)度為18 h,模式的初始條件和側(cè)邊界條件均采用時(shí)間間隔為6 h,時(shí)間步長(zhǎng)為180 s,每1 h輸出一次模擬結(jié)果。
WRF模式所選用的物理過(guò)程參數(shù)為:Lin云微物理過(guò)程方案;rrtm長(zhǎng)波輻射方案,Dudhia短波輻射方案,每10 min調(diào)用一次輻射過(guò)程;積云對(duì)流采用Kain-Fritsch方案,每5 min調(diào)用一次。這次數(shù)值模擬中,選擇的物理方案和參數(shù)化過(guò)程如表1。
表1 中尺度WRF模式的物理方案和參數(shù)化過(guò)程
本次模擬的起始時(shí)間是2014年9月02日00時(shí),將WRF模式預(yù)報(bào)的降水量與落區(qū)和降水實(shí)況進(jìn)行對(duì)比分析看到,預(yù)報(bào)的降水量和觀測(cè)實(shí)況大體相同,只是降水落區(qū)位置略有偏北(圖略),模擬的風(fēng)場(chǎng)和海風(fēng)鋒的位置也與實(shí)況基本相同(圖5a、5b)。這說(shuō)明WRF模式輸出的產(chǎn)品資料是可用的,下面我們就用WRF模式模擬的預(yù)報(bào)產(chǎn)品來(lái)分析海風(fēng)鋒對(duì)強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)作用。
圖5 2014年9月2日 04UTC加密自動(dòng)站10 min平均風(fēng)場(chǎng)(a)和中尺度WRF輸出風(fēng)場(chǎng)(b);06UTC中尺度WRF輸出風(fēng)場(chǎng)與比濕疊加(c)和溫度(℃)疊加(d)
從9月2日的模式模擬資料看到,自04UTC開始寧波東北以及東南沿海的海風(fēng)開始加強(qiáng),在低層10m高度上寧波地區(qū)出現(xiàn)兩條中尺度切變線,其中位置偏中部的是東北海風(fēng)與大陸西南風(fēng)的輻合線,另一條為東南沿海的東北風(fēng)—東南風(fēng)輻合線,包括風(fēng)速和風(fēng)向的輻合(圖5b),所經(jīng)之處出現(xiàn)溫度下降、濕度增加,是海風(fēng)鋒生成的典型特征;對(duì)應(yīng)地面風(fēng)場(chǎng)是寧波東北部鎮(zhèn)海北侖一帶沿海以及東南象山沿海的兩條海風(fēng)鋒(圖5a),兩條海風(fēng)峰組成“人”字形。到06UTC,隨著海陸熱力差異加強(qiáng),東北海風(fēng)不斷向內(nèi)陸推進(jìn),東南海風(fēng)也不斷加強(qiáng)向內(nèi)陸推進(jìn),這在低層10m高度上圖上明天可以觀察到。
分析06UTC溫度、比濕分別與地面風(fēng)場(chǎng)的疊加(圖5c、5d)情況可知,東北部海風(fēng)峰后側(cè)以及東南部海風(fēng)峰后側(cè)是下沉氣流造成的濕冷池,前側(cè)則是大陸西南氣流的相對(duì)暖干氣團(tuán),并有一溫度脊存在。低層水汽的供應(yīng)主要靠?jī)蓷l海風(fēng)峰向內(nèi)陸推進(jìn)帶來(lái)的局地相對(duì)濕度的增加。隨著海風(fēng)鋒向內(nèi)陸推進(jìn),07UTC,08UTC比濕與地面風(fēng)場(chǎng)的疊加(圖略)上可以明顯看到濕度不斷增加,這為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展提供充足水汽條件。
沿29.5°N作U-W和假相當(dāng)位溫的垂直剖面圖,03UTC開始低層1000 hPa的122°E~123°E區(qū)域之間有一弱偏東風(fēng)回流(圖略),說(shuō)明此時(shí)海陸熱力差異還較小,海風(fēng)鋒強(qiáng)度不強(qiáng),在新一代多普勒天氣雷達(dá)反射率回波圖上暫時(shí)觀察不到海風(fēng)鋒。宋潔慧(2008)等[9]在分析了寧波沿海地區(qū)多年平均的各月氣溫,地溫和海溫等資料后得出:寧波沿海低層出現(xiàn)海風(fēng)時(shí),上層為陸風(fēng)或者系統(tǒng)風(fēng);上下層有明顯風(fēng)切變,切變高度最高在600~1000 m左右;到了06UTC(圖略),隨著海陸熱力差異加大,低層海風(fēng)加強(qiáng),海風(fēng)鋒高度加強(qiáng)到925 hPa,這與宋潔慧(2008)得出的結(jié)論相一致。到了07UTC在1000~900 hPa以及122°E~123°E之間形成明顯偏東風(fēng)與偏西風(fēng)的輻合上升區(qū)(圖略),由鋒生動(dòng)力學(xué)可知,鋒生過(guò)程是一個(gè)非地轉(zhuǎn)過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中必然強(qiáng)迫出非地轉(zhuǎn)橫向垂直環(huán)流,07UTC在回流高度西側(cè)1000~800 hPa以及121.5°E附近區(qū)域形成垂直強(qiáng)迫抬升,這是海風(fēng)沖擊暖濕西風(fēng)強(qiáng)迫抬升而形成的,這與尹東屏(2010)等[10]在分析江蘇一次海風(fēng)鋒觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的U-W剖面圖時(shí)發(fā)現(xiàn),海風(fēng)鋒的鋒生造成的地轉(zhuǎn)強(qiáng)迫促使次級(jí)環(huán)流加強(qiáng),在東西風(fēng)輻合線西側(cè)有垂直上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn),海風(fēng)沖擊暖濕西風(fēng)強(qiáng)迫抬升而發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的結(jié)論相一致。
由前面的分析可知,強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前該地存在明顯的層結(jié)不穩(wěn)定,而海風(fēng)鋒向內(nèi)陸的推進(jìn)為雷暴的發(fā)生提供充足水汽,輻合上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)為雷暴的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件,從而觸發(fā)了該地區(qū)不穩(wěn)定能量的強(qiáng)烈釋放,促使了雷暴的新生發(fā)展和加強(qiáng)。分析表明正是海風(fēng)鋒的觸發(fā)才導(dǎo)致了此次局地強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的發(fā)生。而中尺度WRF模式可以很好地模擬出此次過(guò)程中海風(fēng)鋒觸發(fā)雷暴的新生發(fā)展并加強(qiáng)這一現(xiàn)象。
利用地面加密自動(dòng)站資料、寧波新一代天氣雷達(dá)資料、中尺度WRF模式輸出資料對(duì)2014年9月02日發(fā)生在寧波沿海的局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行綜合分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。
1)寧波多普勒雷達(dá)反射率回波出現(xiàn)弱窄帶回波時(shí),對(duì)應(yīng)邊界層輻合線海風(fēng)鋒,在有利天氣形勢(shì)背景易誘發(fā)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展。在9月2日午后強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中,有兩條海風(fēng)峰分別從東北和東南方向向內(nèi)陸推進(jìn),在鄞州區(qū)等形成強(qiáng)輻合區(qū),誘發(fā)雷暴單體加強(qiáng)為超級(jí)單體,帶來(lái)局地雷暴大風(fēng),強(qiáng)雷雨等嚴(yán)重危害飛行安全等的復(fù)雜天氣過(guò)程。
2)此次局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程是在有利天氣背景條件下發(fā)生的,強(qiáng)對(duì)流發(fā)生地存在局地層結(jié)不穩(wěn)定和一定的水汽條件。
3)此次過(guò)程是一次比較典型的由海風(fēng)鋒引起的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程,海風(fēng)鋒本身有一輻合抬升區(qū),區(qū)域內(nèi)有弱對(duì)流存在,當(dāng)海風(fēng)鋒移到局地存在層結(jié)不穩(wěn)定且有一定的水汽的區(qū)域,其抬升區(qū)的輻合上升運(yùn)動(dòng)迅速加強(qiáng),從而觸發(fā)該地區(qū)雷暴的新生和發(fā)展。
4)分析中尺度WRF模式模擬資料看到,海風(fēng)鋒的鋒生造成的地轉(zhuǎn)強(qiáng)迫促使次級(jí)環(huán)流加強(qiáng),在東西風(fēng)輻合線西側(cè)有垂直上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn);海風(fēng)鋒本身有一輻合抬升區(qū),輻合上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)為雷暴的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件,從而觸發(fā)了該地區(qū)不穩(wěn)定能量的強(qiáng)烈釋放,促使了雷暴的新生發(fā)展。
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2016-03-27