國(guó)外地球同步軌道氣象衛(wèi)星成像觀測(cè)模式發(fā)展分析

張曉虎　陸風(fēng)　竇芳麗　許健民（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

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國(guó)外地球同步軌道氣象衛(wèi)星成像觀測(cè)模式發(fā)展分析

張曉虎陸風(fēng)竇芳麗許健民
（國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

摘要：經(jīng)過多年的發(fā)展，國(guó)外氣象衛(wèi)星從定時(shí)開展全圓盤觀測(cè)逐步發(fā)展到定時(shí)全圓盤觀測(cè)與靈活的區(qū)域觀測(cè)相結(jié)合的靈活機(jī)動(dòng)觀測(cè)模式。定時(shí)全圓盤觀測(cè)主要用于支持大尺度天氣系統(tǒng)追蹤，數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用以及氣候數(shù)據(jù)集建設(shè)；區(qū)域觀測(cè)主要是充分發(fā)揮新一代衛(wèi)星成像儀器時(shí)間空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，開展1000～2000km尺度天氣系統(tǒng)，尤其是中小尺度快速變化的對(duì)流系統(tǒng)和臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)，為天氣分析和預(yù)警服務(wù)。選取有代表性的新一代靜止氣象衛(wèi)星兩類成像儀器，以采用長(zhǎng)線列二維掃描成像機(jī)制的美國(guó)GOES-R成像儀/歐洲MTG成像儀和采用焦平面成像機(jī)制的韓國(guó)氣象海洋衛(wèi)星海洋水色儀作為典型光學(xué)成像類儀器，討論其靈活成像模式，以期為我國(guó)第二代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)的觀測(cè)模式優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：靜止氣象衛(wèi)星，風(fēng)云二號(hào)，風(fēng)云四號(hào)，區(qū)域觀測(cè)，高頻次

0　概述

自1997年發(fā)射第一顆風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星FY-2A至今，我國(guó)共累計(jì)成功發(fā)射7顆風(fēng)云二號(hào)靜止氣象衛(wèi)星，目前在軌運(yùn)行靜止氣象衛(wèi)星有四顆，其中FY-2E/G 兩顆衛(wèi)星承擔(dān)東亞區(qū)域全圓盤定時(shí)觀測(cè)任務(wù)，F(xiàn)Y-2F專門用于區(qū)域觀測(cè)任務(wù)，F(xiàn)Y-2D承擔(dān)在軌備份任務(wù)。由于風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星均采用自旋穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，儀器只能在南北方向進(jìn)行成像區(qū)域調(diào)整。因此，我國(guó)靜止氣象衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)模式采用了FY-2F專門支持區(qū)域3～6分鐘間隔的觀測(cè)，F(xiàn)Y-2G、FY-2E兩顆衛(wèi)星專門用于北半球和全圓盤觀測(cè)的協(xié)同組網(wǎng)觀測(cè)方式。這種組網(wǎng)觀測(cè)模式充分利用了風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星的觀測(cè)資源，實(shí)現(xiàn)了專星專用，區(qū)域觀測(cè)和全球觀測(cè)各自開展，互不沖突。然而，新一代靜止氣象衛(wèi)星壽命設(shè)計(jì)壽命達(dá)到10年，很難在軌部署多顆衛(wèi)星分別承擔(dān)全圓盤觀測(cè)和區(qū)域觀測(cè)任務(wù)，因此要求一顆衛(wèi)星同時(shí)承擔(dān)全圓盤觀測(cè)和區(qū)域觀測(cè)任務(wù)[1-2]。

為了同時(shí)滿足用戶對(duì)全圓盤觀測(cè)和靈活區(qū)域觀測(cè)的要求，國(guó)際上采用了兩種方式滿足用戶需求，第一是充分利用新一代長(zhǎng)線列探測(cè)器技術(shù)突破，將觀測(cè)任務(wù)切割成碎片，將分時(shí)觀測(cè)的碎片拼接成全圓盤云圖和區(qū)域觀測(cè)云圖；第二是充分利用焦平面探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展專門承擔(dān)區(qū)域快速成像的儀器。第一種方式的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)是儀器工作方式的重新設(shè)計(jì)，即從儀器分時(shí)進(jìn)行區(qū)域和全圓盤觀測(cè)，變?yōu)閷^(qū)域和全圓盤觀測(cè)任務(wù)碎片化后穿插實(shí)現(xiàn)，然后通過數(shù)據(jù)拼接實(shí)現(xiàn)滿足用戶需求的區(qū)域和全圓盤觀測(cè)，這需要重新定義儀器工作方式，增加了儀器可靠性的要求和數(shù)據(jù)處理的難度；第二種工作方式的難點(diǎn)主要是儀器研制。

1　歷史發(fā)展回顧

1.1衛(wèi)星發(fā)展歷程

美國(guó)從1975年10月17日發(fā)射第一顆業(yè)務(wù)地球靜止氣象衛(wèi)星GOES-A到現(xiàn)在的GOES-N已經(jīng)歷兩代衛(wèi)星。美國(guó)從1994年4月13日發(fā)射第二代業(yè)務(wù)地球靜止氣象衛(wèi)星GOES-I－M開始，衛(wèi)星的姿態(tài)控制方式采用三軸穩(wěn)定，觀測(cè)儀器可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的靈活觀測(cè)。美國(guó)新一代業(yè)務(wù)靜止氣象衛(wèi)星GOES-R預(yù)計(jì)2016年秋季發(fā)射。

歐空局（ESA）自1977年11月23日發(fā)射第一代地球靜止氣象衛(wèi)星METEOSAT到現(xiàn)在的MSG（METEOSAT Second generation）經(jīng)歷兩代衛(wèi)星。這兩代衛(wèi)星均采用自旋穩(wěn)定的觀測(cè)方式，其衛(wèi)星儀器工作方式與目前中國(guó)靜止軌道業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星類似。歐洲下一代MTG衛(wèi)星將采用三軸穩(wěn)定方式，支持觀測(cè)儀器的區(qū)域靈活觀測(cè)。目前MTG衛(wèi)星尚處于設(shè)計(jì)階段，從公開文獻(xiàn)調(diào)研得知，其繼承了MSG衛(wèi)星的觀測(cè)模式，建立針對(duì)少數(shù)觀測(cè)通道的高時(shí)間分辨率局地觀測(cè)，以及較低空間分辨率的多通道全球觀測(cè)[3]。

日本自1977年7月14日發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星以來，已經(jīng)歷兩代衛(wèi)星，從日本2005年2月26日成功發(fā)射的第二代氣象衛(wèi)星靜止氣象衛(wèi)星MTSAT開始，日本靜止氣象衛(wèi)星全面采用三軸穩(wěn)定方式工作。2014年日本成功發(fā)射的第三代靜止氣象衛(wèi)星葵花八號(hào)，具有最高500m分辨率、分鐘級(jí)的連續(xù)區(qū)域觀測(cè)能力[4]。

從上述分析可見，國(guó)際靜止軌道氣象衛(wèi)星的工作方式都是從自旋穩(wěn)定向三軸穩(wěn)定發(fā)展，因此首先回顧一下自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定兩種衛(wèi)星工作方式。

自旋穩(wěn)定氣象衛(wèi)星繞自旋軸以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，本身具有較高的角動(dòng)量，在宇宙空間衛(wèi)星的角動(dòng)量近于守恒，因而自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變的指向宇宙空間中的某一點(diǎn)。自旋穩(wěn)定氣象衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸與軌道平面近于垂直，成像儀器安裝在衛(wèi)星側(cè)面，掃描成像是依靠衛(wèi)星的自旋實(shí)現(xiàn)東西向掃描，以及儀器光學(xué)系統(tǒng)在南北向的步進(jìn)來完成的。由于地球在靜止衛(wèi)星高度的視角只有18°，因此衛(wèi)星每自轉(zhuǎn)一周，只有20%的時(shí)間朝向地球，因此儀器觀測(cè)效率不高，很難提高衛(wèi)星觀測(cè)的時(shí)間頻次[2]。

三軸穩(wěn)定衛(wèi)星是在相互垂直的的三個(gè)軸都進(jìn)行姿態(tài)控制，不允許任何一個(gè)軸向產(chǎn)生超出規(guī)定值的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，這樣可以保證在對(duì)地面安裝的成像儀儀器始終對(duì)準(zhǔn)地球，此時(shí)的成像過程是通過星載成像儀的二維掃描（線列掃描）實(shí)現(xiàn)或者指向機(jī)構(gòu)把相機(jī)指向觀測(cè)目標(biāo)（焦平面器件），極大提高對(duì)地觀測(cè)效率。

1.2靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)需求

靜止氣象衛(wèi)星主要的應(yīng)用是為天氣預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)，天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)是大氣環(huán)流和大氣擾動(dòng)變化的時(shí)間、空間尺度。大氣環(huán)流和大氣擾動(dòng)是氣象現(xiàn)象的重要特征，它們不是無序發(fā)生、發(fā)展和衰減的，而是分別具有代表性的時(shí)間和空間尺度。

Orlansky[5]、世界氣象組織大氣科學(xué)委員會(huì)以及日本氣象廳，根據(jù)中尺度分析理論和大量天氣現(xiàn)象，總結(jié)出了大氣環(huán)流和各類擾動(dòng)特征的水平尺度和時(shí)間尺度（表1）。歸納起來，大氣擾動(dòng)通常劃分為天氣尺度（水平尺度為2000km以上，時(shí)間尺度為1日以上至數(shù)日）、中尺度（水平尺度為2～2000km,時(shí)間尺度為幾小時(shí)至一天）以及小尺度（水平尺度為2km以下，時(shí)間尺度為幾十分鐘至幾小時(shí)）。近20年來的研究表明，暴雨、臺(tái)風(fēng)、冰雹、雷雨大風(fēng)、閃電、龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣以及沙塵暴和雪暴等是最為主要的突發(fā)性強(qiáng)災(zāi)害性天氣，它們是在一定的天氣尺度形勢(shì)背景下由中尺度系統(tǒng)直接造成的，也是預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從表1列出的這些中尺度系統(tǒng)的種類以及它們的水平尺度和時(shí)間尺度可以看出，常規(guī)氣象觀測(cè)資料的時(shí)間和空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足捕捉和分析這些系統(tǒng)的要求，從而要想預(yù)報(bào)它們幾乎是不可能的，因此。需要發(fā)展氣象衛(wèi)星，提供高時(shí)空分辨率的觀測(cè)。

1.3靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)模式的發(fā)展

早期靜止氣象衛(wèi)星采用了自旋穩(wěn)定的觀測(cè)模式，衛(wèi)星依靠高速自旋保持姿態(tài)穩(wěn)定[6]。輻射計(jì)光軸垂直于自旋軸，可在一定范圍內(nèi)（±10°）沿南北方向作一維步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，沿東西方向的掃描是隨衛(wèi)星本體自旋實(shí)現(xiàn)，自身無法控制，在一周360北內(nèi)只有20有對(duì)準(zhǔn)地球觀測(cè)成像，掃描效率只有5.6%?？梢赃M(jìn)行區(qū)域觀測(cè)，形成一幅橫貫地球東西的條帶圖像，對(duì)小區(qū)域觀測(cè)遠(yuǎn)不如三軸穩(wěn)定衛(wèi)星靈活迅速。

2020年前后，國(guó)際主要的靜止氣象衛(wèi)星均將進(jìn)入三軸穩(wěn)定的時(shí)代，具備提高觀測(cè)效率的可能。目前美國(guó)GOES-R以及歐洲和日本為代表的新一代氣象衛(wèi)星成像儀采用長(zhǎng)線列二維掃描方式實(shí)現(xiàn)全圓盤觀測(cè)，并兼顧區(qū)域觀測(cè)；而以韓國(guó)氣象海洋衛(wèi)星（COMS-1）為代表的海洋水色儀采用焦平面器件，利用指向機(jī)構(gòu)把相機(jī)指向觀測(cè)目標(biāo)以實(shí)現(xiàn)區(qū)域快速觀測(cè)。上述技術(shù)發(fā)展各有特點(diǎn)，其應(yīng)用目標(biāo)都是提供衛(wèi)星全天24小時(shí)，高頻次高空間分辨率的對(duì)地觀測(cè)。以下分別介紹。

表1　Orlansky[5]的尺度定義及其相應(yīng)的各種大氣擾動(dòng)時(shí)間和水平尺度特征Table 1　Scale definitions and different processes with characteristic time and horizontal scales

1.3.1線掃描儀器應(yīng)用

隨著探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以在靜止衛(wèi)星上應(yīng)用可見光波段近千探元，紅外通道數(shù)百探元的的觀測(cè)器件，這就使得成像儀器東西掃描一次，可以同時(shí)獲取數(shù)百千米廣大區(qū)域的成像（日本葵花八號(hào)一次掃描可以獲取500km寬度的地球影像）。由于具備了如此高效的儀器觀測(cè)能力，在設(shè)計(jì)衛(wèi)星應(yīng)用觀測(cè)模式前，首先凝練出美日新一代靜止氣象衛(wèi)星成像儀的應(yīng)用需求，即區(qū)域觀測(cè)、全圓盤觀測(cè)、凝視觀測(cè)和南北觀測(cè)，表2給出了這四種需求的典型應(yīng)用。

圖1展示了美國(guó)最新一代GOES-R衛(wèi)星成像儀觀測(cè)模式，其中值得關(guān)注的要點(diǎn)是儀器觀測(cè)時(shí)間的碎片化設(shè)計(jì)，即在全圓盤觀測(cè)（粉色）在周期內(nèi)插入?yún)^(qū)域觀測(cè)（藍(lán)色）和中尺度觀測(cè)（綠色）[7-8]。通過這樣的安排，在15min的一輪觀測(cè)周期內(nèi)區(qū)域觀測(cè)（藍(lán)色為美國(guó)本土區(qū)域，綠色為中尺度天氣系統(tǒng)觀測(cè)），全圓盤觀測(cè)（粉色）的開始時(shí)間均是等時(shí)間間隔的，其時(shí)間特性為，每15min一次全圓盤觀測(cè)，每隔5min一次美國(guó)本土觀測(cè)，每隔半分鐘進(jìn)行一次中尺度小區(qū)域觀測(cè)。 這三種資料均是等時(shí)間間隔，非常有利于預(yù)報(bào)員對(duì)天氣系統(tǒng)的分析，最直觀的應(yīng)用就是云圖動(dòng)畫，同時(shí)也保證了衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)等定量大氣參數(shù)反演對(duì)觀測(cè)等時(shí)間間隔的需要。

表2　國(guó)際新一代靜止氣象衛(wèi)星儀器觀測(cè)的應(yīng)用需求Table 2　Application requirements of next-generation geostationary meteorological satellite instruments

圖1　美國(guó)GOES-R衛(wèi)星成像儀觀測(cè)模式[8]Fig.1　Observation mode of GOES-R Imager[8]

歐洲第三代靜止氣象衛(wèi)星MTG的成像儀定義了兩種觀測(cè)范圍[4]。一種覆蓋地球圓盤（FDC），觀測(cè)重復(fù)周期為10min；另一種為四分之一圓盤，觀測(cè)重復(fù)周期為2.5min，主要用于歐洲地區(qū)的觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)范圍定義了三種觀測(cè)模式：全圓盤觀測(cè)模式、區(qū)域觀測(cè)模式和交錯(cuò)觀測(cè)模式。全圓盤觀測(cè)模式（圖2a）是連續(xù)全圓盤覆蓋觀測(cè)，重復(fù)周期為10min，每個(gè)周期里進(jìn)行1次全圓盤觀測(cè)；區(qū)域觀測(cè)模式（圖2b）是連續(xù)區(qū)域覆蓋觀測(cè)，重復(fù)周期為2.5min，每個(gè)周期里進(jìn)行1次區(qū)域觀測(cè)；交錯(cuò)觀測(cè)模式（圖2c）是全圓盤觀測(cè)和區(qū)域觀測(cè)交錯(cuò)進(jìn)行，重復(fù)周期為15min，每個(gè)周期里先進(jìn)行1次全圓盤觀測(cè)，然后進(jìn)行2次區(qū)域觀測(cè)。

日本已經(jīng)成功發(fā)射的葵花八號(hào)的成像儀與美國(guó)GOES-R衛(wèi)星成像儀類似，從制造GOES-R成像儀的Exelis公司購(gòu)買。其成像儀設(shè)計(jì)與GOES-R相同，由于日本國(guó)土狹小，區(qū)域觀測(cè)所需時(shí)間比較短，因此將觀測(cè)模式定義為每10min一次全圓盤觀測(cè)，每2.5min一次日本本土觀測(cè)，此外還設(shè)計(jì)了地標(biāo)觀測(cè)模式和臺(tái)風(fēng)區(qū)域觀測(cè)模式[5]。

1.3.2焦平面觀測(cè)儀器應(yīng)用

在長(zhǎng)線列掃描為基礎(chǔ)的成像儀器迅速發(fā)展的同時(shí)，基于焦平面器件的相機(jī)也開始在靜止軌道搭載。韓國(guó)在世界上首次成功在靜止衛(wèi)星上搭載了用于觀測(cè)海洋水色的地球同步海洋水色儀（GOCI），選用了e2v公司組裝和篩選的千萬像元規(guī)模的CMOS圖像傳感器，GOCI同時(shí)具備6個(gè)可見光通道和兩個(gè)近紅外通道，儀器安置在一個(gè)二維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，衛(wèi)星仍然采用三軸穩(wěn)定工作方式，保持面向地球，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)靈活調(diào)整成像儀實(shí)現(xiàn)不同觀測(cè)區(qū)域的靈活觀測(cè)。在GOCI成功獲取了區(qū)域500m分辨率圖像的基礎(chǔ)上，韓國(guó)正在發(fā)展新一代海洋水色儀GOCI-2，預(yù)計(jì)將達(dá)到250m的高分辨率，同樣具備可見光和近紅外通道觀測(cè)能力。GOCI-2將同時(shí)具備全圓盤1km觀測(cè)和區(qū)域250m觀測(cè)能力，計(jì)劃新增大氣訂正通道和微光通道。

圖2　歐洲MTG衛(wèi)星成像儀觀測(cè)模式Fig.2　Observation mode of MTG Imager

2　小結(jié)

風(fēng)云系列衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展了40多年，其中靜止氣象衛(wèi)星系列正在實(shí)現(xiàn)從自旋穩(wěn)定的風(fēng)云二號(hào)向三軸穩(wěn)定的風(fēng)云四號(hào)的升級(jí)換代。近年來，國(guó)際靜止衛(wèi)星應(yīng)用不斷創(chuàng)新，從單純的定時(shí)全圓盤觀測(cè)滿足共性觀測(cè)需求發(fā)展到專項(xiàng)應(yīng)用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，日本和韓國(guó)已經(jīng)演示了技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性，美國(guó)計(jì)劃于2016年發(fā)射的GOES-R也采用這種觀測(cè)應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展思路。展望未來，觀測(cè)應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是氣象衛(wèi)星發(fā)展的方向和目標(biāo)，技術(shù)進(jìn)步首先要滿足行業(yè)應(yīng)用需求，新一代靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)將會(huì)在典型應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星儀器、衛(wèi)星平臺(tái)優(yōu)化技術(shù)上構(gòu)建，以突出典型應(yīng)用，高時(shí)空分辨率、高光譜和高精度為特點(diǎn)的新一代對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，長(zhǎng)線列為代表的首先滿足全圓盤觀測(cè)任務(wù)，同時(shí)兼顧區(qū)域靈活觀測(cè)的儀器和以區(qū)域高時(shí)空分辨率觀測(cè)為主要應(yīng)用需求的焦平面成像儀兩個(gè)技術(shù)體制也將在在較長(zhǎng)時(shí)間平行發(fā)展，以滿足不同產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的個(gè)性化需求。

需要說明的是，目前新技術(shù)發(fā)展迅猛，美國(guó)為主的GOES-R衛(wèi)星成像儀體制（含日本葵花八號(hào)的成像儀）已經(jīng)率先顯示出靈活區(qū)域觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，這種方案選取一臺(tái)儀器同時(shí)兼顧區(qū)域觀測(cè)和全球觀測(cè)，技術(shù)復(fù)雜，其碎片化的觀測(cè)雖然保證了觀測(cè)開始時(shí)間的等間隔，但是對(duì)于間隔一定距離空間的觀測(cè)地點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)間會(huì)有微小的秒級(jí)別的差異。另外一種解決方案是放置兩臺(tái)成像儀器，一臺(tái)側(cè)重高靈敏度多光譜全圓盤應(yīng)用，另外一臺(tái)側(cè)重高時(shí)間分辨率、有限通道的高空間分辨率應(yīng)用。這種解決方案更面向氣象應(yīng)用需求，值得在風(fēng)云四號(hào)后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注。

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Analysis on the Observation Model of Foreign Geostationary Meteorological Satellite

Zhang Xiaohu,Lu Feng,Dou Fangli,Xu Jianmin
(National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081)

Abstract:After years of development,the observation mode of foreign geostationary meteorological satellite was progressively developed from regular full disk to a combination of regular full disk and regional mode.Regular full disk observations used to support tracking of large-scale weather systems,applications of numerical weather prediction and construction of climate data sets,while regional observations used to monitor 1000-2000 km scale weather systems,especially typhoon and rapidly changing small and medium-scale convective systems.Regional observation gives a full play to the new generation of satellite imaging instruments advantage of temporal and spatial resolution in weather analysis and early warning service.In order to provide reference of the observation mode optimization for China's second generation geostationary meteorological satellites(fengyun 4 series),two representative typical optical imaging instruments of new generation geostationary meteorological satellites,linear array two-dimensional scanning imaging instrument of GOES-R(US)& MTG(Europe)and focal plane array ocean color instrument of Korea Meteorological ocean satellite,are selected to discuss its flexible imaging mode.

Keywords:geostationary meteorological satellite,FY-2,FY-4,regional observation,high frequency

通信作者：陸風(fēng)（1973—），Email:lufeng@cma.gov.cn

收稿日期：2015年10月19日；修回日期：2015年12月26日

DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2016.01.020

資助信息：國(guó)家自然科學(xué)基金（41175023）