柳州市空氣污染特征及氣象條件影響分析

賴錫柳 鄒穎俊 張凌云 蘇小玲 藍(lán)求 李宜爽 王藝

摘要 利用廣西2018年環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)日均值和小時(shí)值對柳州市空氣污染程度、污染物濃度季節(jié)變化和日變化特征進(jìn)行分析，結(jié)合同期氣象常規(guī)觀測資料，探討了氣象要素與污染物濃度之間的關(guān)系，并利用NCEP 1°×1°再分析資料，對4個季節(jié)典型空氣污染個例的天氣形勢進(jìn)行分析，以進(jìn)一步了解柳州各季節(jié)空氣污染天氣特征。結(jié)果表明：（1）柳州市首要污染物以PM2.5為主，輕度污染最多，冬季污染最重，且集中在1月和2月;（2）O3濃度變化為“夏高冬低”，主要與日照條件的季節(jié)變化有關(guān)，其余污染物濃度變化為“夏低冬高”，主要與冬季污染物排放量增大、擴(kuò)散條件差、清除作用弱、微量降水日數(shù)多、增濕效果明顯有關(guān);（3）O3濃度日變化為“單峰型”，峰值出現(xiàn)在15：00，其余污染物濃度日變化為“雙峰型”，峰值分別出現(xiàn)在08：00～10：00和22：00～23：00，除O3和SO2外，其余污染物夜間濃度大于早間濃度;（4）PM2.5、PM10、NO2與△P24、T、Rh、P1、V10均呈負(fù)相關(guān);O3與T和V10、SO2與P24、CO與Rh均呈正相關(guān)，與其他幾種氣象要素呈負(fù)相關(guān)。（5）典型個例分析表明，春季高空受偏北氣流控制，低層有反氣旋且風(fēng)場較弱，地面處于變性冷高壓后部;夏季受副熱帶高壓控制，處于臺風(fēng)或低壓外圍并受下沉氣流影響，地面位于低壓帶中;秋季處于副高邊緣，低層受反氣旋影響并受下沉氣流控制，地面位于冷高壓后部;冬季受槽后偏北氣流或平直的西風(fēng)控制，低層受偏西或偏南氣流影響且風(fēng)場較弱，地面受冷高壓控制。這四種天氣形勢下，柳州天氣晴好，無降水或只有弱降水，清除作用不明顯，大氣層相對穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散，易造成污染天氣。

關(guān)鍵詞 空氣污染 ;氣象條件;天氣形勢;柳州

中圖分類號：S716.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）03–0078–06

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人民對生活環(huán)境及身體健康的關(guān)注度日益增強(qiáng)，城市空氣質(zhì)量問題已成為人們?nèi)粘ｊP(guān)注的焦點(diǎn)之一[1-3]。大量學(xué)者對于不同地區(qū)空氣污染的成因及變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，區(qū)域污染物排放、輸送和大氣擴(kuò)散條件是影響城市空氣質(zhì)量的重要因子，而氣象要素及天氣形勢對空氣污染的嚴(yán)重程度及持續(xù)時(shí)間等起到較為關(guān)鍵的作用[4-10]。楊雪玲等[11]的研究表明，河谷地形氣溫和風(fēng)速是影響污染物擴(kuò)散的重要因子;林巧美等[12]的研究表明，揭陽市PM2.5和PM10濃度與風(fēng)速和相對濕度呈負(fù)相關(guān)，降水有明顯的凈化作用，在地面形勢為低壓槽、脊后槽前、變性高壓脊等，850 hPa為變性脊或低壓槽，或受臺風(fēng)外圍下沉氣流控制時(shí)，容易產(chǎn)生高濃度天氣;周晗等[13]的研究表明，風(fēng)速和降水對污染物濃度的影響較大，且出現(xiàn)污染的主要原因是受大氣中逆溫的影響;劉燁焜等[14]的研究表明，烏蘭察布市PM2.5污染多發(fā)生在冷高壓控制的情況下;吳洋[15]等對天津市津南區(qū)一次持續(xù)污染天氣進(jìn)行分析，結(jié)果表明高相對濕度、低風(fēng)速和較低的混合層高度是造成該次污染天氣過程的主要?dú)庀笠?鄧欣柔等[16]對長江三角洲3次典型霾污染過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明，3次過程期間長三角地區(qū)維持較穩(wěn)定的地表溫度、較高的相對濕度和較小的風(fēng)速值;陳鶴等[17]對湖南一次典型污染天氣過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，連續(xù)晴好天氣背景下長江中下游區(qū)域生物質(zhì)燃燒造成的煙塵顆粒物排放，以及不利于污染物擴(kuò)散清除的氣象條件是這次持續(xù)性污染天氣過程的主要原因。以上研究表明，氣象條件對污染物濃度的變化有重要作用。研究氣象條件與污染物濃度之間的關(guān)系特征，有助于認(rèn)識空氣污染的形成機(jī)制，為環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)提供經(jīng)驗(yàn)和方法。

柳州市是廣西的重要工業(yè)城市，空氣污染問題較為突出。2017年柳州市空氣污染發(fā)生天數(shù)為57 d，2018年，在采取嚴(yán)格的管控及治理措施的基礎(chǔ)上，柳州市的空氣污染天數(shù)雖有下降，但仍然有41 d發(fā)生空氣污染，占全年的11.2%，空氣污染防控形勢嚴(yán)峻。因此，研究柳州市的空氣污染和氣象要素、天氣形勢之間的關(guān)系與特征，對柳州市的空氣污染預(yù)報(bào)尤為重要。

該研究選取2018年作為研究年份，利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象常規(guī)觀測資料、NCEP再分析資料等對柳州市的環(huán)境空氣污染程度、PM2.5和O3的濃度頻率、污染物的季節(jié)變化和日變化、氣象要素與污染物濃度的相關(guān)性以及4個季節(jié)典型個例的天氣形勢進(jìn)行分析，力圖進(jìn)一步了解柳州市空氣污染的時(shí)間分布特征及其氣象成因，為空氣污染的預(yù)報(bào)及防控提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

空氣污染數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測的污染物種類為PM2.5、PM10、臭氧8 h（O3）、NO2、SO2、CO等6種;氣象資料為柳州氣象站和沙塘氣象站常規(guī)氣象觀測資料、空氣污染數(shù)據(jù)和氣象觀測資料;時(shí)間為2018年1月1日00：00—12月31日23：00;天氣形勢分析數(shù)據(jù)為NCEP再分析資料。

2 空氣質(zhì)量情況分析

2.1 污染程度分析

2018年廣西10個地市空氣污染天數(shù)在20～30 d，只有來賓市、柳州市、貴港市和桂林市空氣污染天數(shù)在30 d以上。其中，來賓市發(fā)生空氣污染45 d，位居廣西首位，柳州市發(fā)生空氣污染41 d，位居第二。2018年柳州市空氣污染的時(shí)間變化情況見（圖1）。2018年柳州市的空氣污染主要集中在輕度污染，共33 d，占污染天數(shù)的80.5%;其次為中度污染，共7 d，占總污染天數(shù)的17.1%;全年只有1 d重度污染，占總污染天數(shù)的2.4%，出現(xiàn)在2月16日，AQI達(dá)220。從時(shí)間上看，冬季發(fā)生空氣污染的天數(shù)最多，共27 d，占總污染天數(shù)的65.9%，且主要集中在1月和2月;其次為春季且主要集中在3月和4月，占總污染天數(shù)的26.8%;夏季和秋季發(fā)生空氣污染次數(shù)較少，分別為1 d和2 d。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在41 d的污染天氣中，除了7月12日和10月7日首要污染物為臭氧8 h以及4月7日、8日、17日為PM10外，其余均為PM2.5。

2.2 污染物濃度季節(jié)變化特征

2018年柳州各污染物濃度的季節(jié)變化見圖2。PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO濃度均表現(xiàn)出明顯的“夏低冬高”的特點(diǎn)，5種污染物冬季濃度均值分別為59.7 μg/m3、78.2 μg/m3、64.5 μg/m3、20.6 μg/m3、1.119 mg/m3，冬季企業(yè)污染物排放在嚴(yán)格管控和減排措施下，企業(yè)排放源變化量相對穩(wěn)定，但由于冬季較冷，居民燃燒產(chǎn)熱等排放的污染物增多是導(dǎo)致冬季污染物濃度升高的原因之一。冬季混合層高度較低，近地面的污染物容易積聚，導(dǎo)致污染物濃度較高[18]。冬季冷空氣活動較為頻繁，冷空氣導(dǎo)致的風(fēng)力加大將會使擴(kuò)散條件變好，但是在強(qiáng)冷空氣到達(dá)之前，風(fēng)速仍將維持在較小的狀態(tài)，冷空氣從北面滲透影響柳州出現(xiàn)逆溫，容易導(dǎo)致污染物在近低層積聚，難以擴(kuò)散。降雨的清除作用也是緩解空氣污染的重要措施之一[19-20]。2018年柳州冬季無雨日天數(shù)相對于其他季節(jié)較少，共36 d，但是對小雨天氣進(jìn)行細(xì)分時(shí)，發(fā)現(xiàn)冬季0.0 mm

2.3 污染物濃度日變化特征

2018年柳州各污染物濃度的日變化見圖3。PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO濃度的日變化均為“雙峰型”，PM2.5的峰值分別出現(xiàn)在09：00和22：00，NO2的峰值分別出現(xiàn)在08：00和23：00，PM10的峰值分別出現(xiàn)在10：00和23：00，SO2和CO的峰值分別出現(xiàn)在09：00和23：00;除了SO2外，其余4種污染物夜間峰值均高于早間峰值，PM2.5、PM10、NO2、CO濃度夜間峰值分別是早間峰值的1.05、1.08、1.33、1.02倍。污染物早晚雙峰現(xiàn)象一方面與人類活動有關(guān)，從06：00開始，人類活動開始增強(qiáng)，污染物排放量增加，導(dǎo)致早間峰值的出現(xiàn)，傍晚17：00之后，下班高峰期開始，汽車尾氣等排放增大;另一方面，夜間近地層氣溫降低，大氣逐漸趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致夜間污染物濃度升高且維持時(shí)間較長;O3濃度的日變化為明顯的“單峰型”，從08：00開始，O3濃度明顯增大，在15：00達(dá)到峰值。對比NO2濃度日變化可知，在早間由于人類活動的影響，NO2濃度出現(xiàn)小幅度上升，但是在09：00以后濃度迅速下降，對應(yīng)O3濃度迅速增大，呈反相關(guān)關(guān)系。這主要與O3的形成機(jī)制有關(guān)，在09：00后光照條件逐漸變好，導(dǎo)致NOx、VOC等前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，使得O3濃度增大，NO2濃度降低[23-24]。

3 氣象要素與污染物濃度相關(guān)性分析

2018年柳州市5種氣象要素與6種污染物濃度小時(shí)值的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，P24除了與SO2濃度呈正相關(guān)外，與其余污染物濃度呈負(fù)相關(guān)，且與PM2.5、PM10和NO2的負(fù)相關(guān)較明顯;當(dāng)P24明顯增大時(shí)，往往代表有冷性氣團(tuán)過境，會帶來大風(fēng)和降雨等天氣，擴(kuò)散條件將會變好。T除了與O3濃度呈正相關(guān)外，與其他污染物濃度呈負(fù)相關(guān)，其中與SO2、CO負(fù)相關(guān)較明顯，近地面氣溫的變化會影響大氣層結(jié)穩(wěn)定度，近地面溫度升高，大氣層結(jié)則易趨于不穩(wěn)定，熱力因子的影響會導(dǎo)致混合層升高，擴(kuò)散條件變好，因此污染物濃度降低;而氣溫常與日照呈正相關(guān)，日照較強(qiáng)，氣溫升高，光化學(xué)作用增強(qiáng)導(dǎo)致O3濃度升高。Rh、P1除了與CO呈正相關(guān)外，與其余污染物濃度均為負(fù)相關(guān)，且與O3負(fù)相關(guān)最明顯。通過分析可知，Rh與P1呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.135。當(dāng)有降雨發(fā)生，日照變?nèi)?，近地面相對濕度也會隨之增大，而光化學(xué)反應(yīng)減弱，降雨的清除作用將變得明顯，因此污染物濃度降低。V10除了與O3呈弱的正相關(guān)外，與其余污染物濃度均呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速與大氣擴(kuò)散能力密切相關(guān)，風(fēng)速增大，擴(kuò)散條件變好，因此污染物濃度降低[25]。

4 天氣形勢分析

對天氣形勢進(jìn)行診斷分析是預(yù)判天氣的重要方法，研究選取2018年不同季節(jié)4個空氣污染典型個例，對其污染情況和天氣形勢進(jìn)行分析。

4.1 春季

柳州市區(qū)2018年春季共出現(xiàn)空氣污染11 d，其中3月22—24日持續(xù)時(shí)間最長，這3 d AQI分別為137、134和109，首要污染物為PM2.5，因此選擇3月22—24日作為春季個例進(jìn)行分析。3月22日PM2.5濃度維持在較高水平，在23日11：00 PM2.5濃度達(dá)到過程極值126，3 d內(nèi)PM2.5濃度均表現(xiàn)出夜間及上午較高和下午較低的變化規(guī)律（圖4）。在該時(shí)間段內(nèi)，除柳州外，廣西其余地市中只有百色市、北海市、崇左市、桂林市、來賓市和玉林市出現(xiàn)1～2 d的空氣污染，其中北海市、崇左市、玉林市3個南部地市首要污染均為O3，其他3個地市為PM2.5，該時(shí)段內(nèi)柳州市空氣污染持續(xù)時(shí)間最長，影響最為嚴(yán)重。從3 d的天氣形勢平均場上看，500 hPa環(huán)流形勢為一槽一脊，我國東部受槽后偏北氣流控制，西部地區(qū)受高壓脊控制，柳州上空受槽后偏北氣流影響（圖5A、6A、7A）。700 hPa上，華南一帶由弱脊控制，柳州上空受脊后偏南氣流影響，風(fēng)速約為8 m/s，相對濕度為70%～80%;850 hPa上，東南一帶有反氣旋，柳州受其后部的偏南氣流影響，風(fēng)場相對較弱，風(fēng)速約為6 m/s左右，相對濕度為30%～40%;從地面氣壓場上看，地面冷高壓移至東部海面，柳州處于變性冷高壓后部，氣壓梯度較小，受變性冷高后部弱的偏南氣流影響。因此，在春季，當(dāng)柳州中高層為偏北氣流，低層為弱偏南氣流或弱脊控制，地面處于變性冷高壓后部時(shí)，柳州天氣晴好無降水，大氣層相對穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散，容易造成污染天氣。

4.2 夏季

夏季只在7月12日發(fā)生的空氣污染，AQI為124，首要污染物為臭氧8 h，因此選擇這一天作為夏季個例進(jìn)行分析。柳州的O3濃度夜間低白天高，3 d內(nèi)O3濃度均在7：00～8：00開始上升，且在13：00～15：00達(dá)到當(dāng)日峰值，7月11日O3濃度均小于140，7月12日7：00起，O3濃度開始快速增大，在14：00達(dá)到過程極值251，13日恢復(fù)到限值以內(nèi)（圖8）。從7月12日的天氣形勢平均場上看，500 hPa為南高北低的形勢，黃河以南的大部分地區(qū)受副熱帶高壓控制;700 hPa和850 hPa上，南海一帶受臺風(fēng)控制，長江中游下游受低壓控制，柳州處于兩個低壓之間，同時(shí)受到兩個低壓外圍的下沉氣流影響，500 hPa以下垂直速度均為正，其中12日20：00 700 hPa垂直上升速度達(dá)0.6 Pa/s，下沉氣流較強(qiáng)，低層風(fēng)場較弱，風(fēng)速在2～4 m/s;700 hPa和850 hPa相對濕度分別為60%～70%、70%～80%（圖9B、10B、11B）;此時(shí)柳州位于地面低壓帶中。該次空氣污染過程發(fā)生時(shí)無降水;由于受副高控制，光照條件較好，氣溫較高（36℃），易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，造成O3濃度升高。因此，在夏季時(shí)，當(dāng)柳州受副高或受下沉氣流控制時(shí)，天氣晴好，大氣靜穩(wěn)定，無降水，不利于污染物的擴(kuò)散。

4.3 秋季

秋季共2 d出現(xiàn)空氣污染，10月7日和11月30日的首要污染物分別為臭氧8 h和PM2.5，其中10月7日環(huán)流形勢與夏季個例較為相似，為了突出秋季空氣污染環(huán)流特征，選擇11月30日作為秋季個例進(jìn)行分析，該日AQI為109。11月30日柳州PM2.5濃度除了在5：00～7：00和15：00～17：00等級為良外，其余時(shí)刻濃度均在75 以上，達(dá)到輕度污染，且在夜間PM2.5濃度有較為明顯的上升（圖9）。從11月30日的天氣形勢平均場上看，500 hPa上貝加爾湖一帶受高壓脊控制，中國北部受偏北氣流控制，南部受偏西氣流影響，副高退至海上，柳州處于副高邊緣;700 hPa和850 hPa上，中國東部及南部海面由反氣旋控制，柳州位于反氣旋西北側(cè)，850 hPa風(fēng)速為6～10 m/s;700 hPa和850 hPa相對濕度均為70%～80%;地面氣壓場上，冷高壓變性東移，柳州位于冷高壓后部，氣壓梯度較均，柳州地區(qū)受天氣靜穩(wěn)，無降水，污染物不易擴(kuò)散，容易出現(xiàn)空氣污染（圖5C、6C、7C）。在該天氣形勢下，廣西只有柳州市和來賓市出現(xiàn)輕度污染，其他地市空氣質(zhì)量均為良，這主要與柳州市為工業(yè)城市，污染物排放大及空氣靜穩(wěn)有關(guān)，而來賓市位于柳州市南部，廣西受冷高壓控制，柳州一帶近地面為北風(fēng)影響，柳州排放污染物的向南輸送對來賓造成一定的影響。

4.4 冬季

冬季共出現(xiàn)空氣污染27 d，首要污染物均為PM2.5，其中2月6日—17日連續(xù)11 d出現(xiàn)輕度至重度污染，其中15日為良，16日為重度污染，其余為輕度污染，持續(xù)時(shí)間最長，且污染較重，因此選擇2月6日—17日作為冬季個例進(jìn)行分析。該次過程AQI在95～200之間。廣西其余地市在該時(shí)間段內(nèi)均出現(xiàn)不同程度的連續(xù)污染情況，而柳州市和來賓市在該時(shí)段內(nèi)污染天數(shù)最多，影響最為嚴(yán)重，且在16日廣西各地市的AQI均出現(xiàn)突增。該次過程前期（6日—14日）PM2.5濃度整體趨勢較為平穩(wěn)，均在100 上下波動，但是在中后期（15—17日）出現(xiàn)較大波動，15日PM2.5濃度明顯降低，而在16日突增至560 ，達(dá)到重度污染（圖10）。由于沙塘氣象站未遷站，風(fēng)速受海拔因素影響較小，因此利用沙塘氣象站及NCEP資料及PM2.5監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)對15日和16日的污染情況進(jìn)行分析。15日廣西西部有暖低壓發(fā)展，受暖低壓影響，柳州一帶風(fēng)速較大，日均風(fēng)速為1.6 m/s，低層湍流擴(kuò)散作用較明顯，利于污染物的擴(kuò)散，因此15日濃度較低;15日20：00后冷空氣滲透至柳州市南部，沙塘氣象站轉(zhuǎn)受北風(fēng)影響，但是地面風(fēng)速較小，夜間出現(xiàn)時(shí)長約為6 h的靜風(fēng)，這種停滯的氣象條件引起近地層污染物累積，導(dǎo)致PM2.5濃度在夜間急劇增大，其中在02：00達(dá)到過程極值（560），為重度污染，在16日07：00之后，冷空氣到達(dá)柳州市區(qū)，地面風(fēng)速增大，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)好，污染物濃度也隨之減?。▓D11）。從2月6日—17日的天氣形勢平均場上看，冬季個例500 hPa環(huán)流形勢為一槽一脊，我國處于槽后脊前，主要受偏北氣流控制，柳州上空受偏西氣流影響（圖5D、6D、7D）。700 hPa華南地區(qū)為偏西氣流影響，風(fēng)速約為12 m/s，相對濕度為10%～20%;850 hPa為偏南風(fēng)，但風(fēng)場較弱，只有4 m/s左右，相對濕度為60%～70%;地面氣壓場上，冷鋒鋒面已入海，柳州處于冷高壓控制中，無較大氣壓梯度，此時(shí)地面只是弱北風(fēng)影響。因此，在冬季當(dāng)柳州受槽后，偏北氣流或較為平直的西風(fēng)控制，低層風(fēng)場較弱，地面氣壓場較為均勻，無較大氣壓梯度，天況較好，無降水或只有微弱降水時(shí)，大氣靜穩(wěn)，清除作用不明顯，易形成空氣污染天氣。

5 結(jié)論

（1）柳州市發(fā)生空氣污染時(shí)，首要污染物以為PM2.5為主，且以輕度污染居多;冬季空氣污染天數(shù)最多，程度最重，且主要集中在1月和2月。

（2）PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO濃度季節(jié)變化均為“夏低冬高”，主要與冬季污染物排放量增大、大氣靜穩(wěn)、擴(kuò)散條件差、清除作用弱、微量降水日數(shù)多，增濕效果明顯有關(guān);O3濃度季節(jié)變化為“夏高冬低”，主要與夏季日照條件較好有關(guān)，且O3與其前體物NO2季節(jié)濃度均值有反相關(guān)關(guān)系。

（3）PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO濃度日變化均表現(xiàn)為“雙峰型”，早間峰值出現(xiàn)在08：00～10：00，夜間峰值出現(xiàn)在22：00～23：00，主要與污染物排放量增加有關(guān);除SO2和O3外，其余污染物夜間濃度均大于早間濃度，且持續(xù)時(shí)間較長，這主要與夜間近地層氣溫降低，大氣逐漸趨于穩(wěn)定有關(guān)。O3濃度日變化為“單峰型”，08：00開始增大，于15：00達(dá)到峰值，主要與O3的形成機(jī)制有關(guān)，與其前體物NO2日變化濃度均值有反相關(guān)關(guān)系。

（4）PM2.5、PM10、NO2與24 h變壓、氣溫、相對濕度、降雨量、近地面10 m風(fēng)速均呈負(fù)相關(guān);O3與氣溫、近地面10 m風(fēng)速呈正相關(guān)，與其他3個氣象要素呈負(fù)相關(guān);SO2除了與24 h變壓呈正相關(guān)外，與其他4個氣象要素呈負(fù)相關(guān);CO與相對濕度呈正相關(guān)，與24 h變壓、氣溫、近地面10 m風(fēng)呈負(fù)相關(guān)。

（5）典型個例分析表明，春季高空受偏北氣流控制，低層有反氣旋且風(fēng)場較弱，地面處于變性冷高壓后部;夏季受副熱帶高壓控制，處于臺風(fēng)或低壓外圍并受下沉氣流影響，地面位于低壓帶中;秋季處于副高邊緣，低層受反氣旋影響并受下沉氣流控制，地面位于冷高壓后部;冬季受槽后偏北氣流或較為平直的西風(fēng)控制，低層受偏西或偏南氣流影響且風(fēng)場較弱，地面受冷高壓控制。這4種天氣形勢下柳州無降水或只有微弱降水，清除作用不明顯，且大氣層相對穩(wěn)定，污染物不易擴(kuò)散，從而造成污染天氣。

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責(zé)任編輯：黃艷飛