李雅潔，李德琳，徐 峰，柴博語，韓利國，陳思奇，楊金藝，張韶晶

索馬里急流和南亞高壓對印度夏季風爆發(fā)的協(xié)同作用

李雅潔，李德琳，徐 峰，柴博語，韓利國，陳思奇，楊金藝，張韶晶

（1. 廣東海洋大學海洋與氣象學院 // 2. 廣東海洋大學南海海洋氣象研究院，廣東 湛江 524088）

【目的】探討索馬里急流和南亞高壓對印度夏季風 (Indian Summer Monsoon，ISM)爆發(fā)產(chǎn)生的協(xié)同作用。【方法】基于ECMWF歐洲中期天氣預報中心第五代再分析資料（ERA5）提供的逐日數(shù)據(jù)，結合印度氣象局對ISM爆發(fā)日期（即印度次大陸最南端的喀拉拉邦降水驟升的日期）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用功率譜分析、偏相關分析和滑動相關等統(tǒng)計學方法，分析索馬里急流和南亞高壓對ISM爆發(fā)的協(xié)同作用?！窘Y果】ISM爆發(fā)前1候至當候，印度地區(qū)對流層高層南亞高壓的范圍和強度不斷擴大，同時對流層低層索馬里急流的強度和范圍不斷增強，使阿拉伯海地區(qū)的西南氣流不斷增強，將阿拉伯海地區(qū)大量水汽輸送至印度大陸，在這樣有利的條件下，印度南部降水量劇增，ISM爆發(fā)；當5月下旬的南亞高壓、索馬里急流以及阿拉伯海地區(qū)水汽通量和氣旋性環(huán)流均顯著偏強時，ISM會提前爆發(fā)，降水也會異常偏多?！窘Y論】ISM爆發(fā)日期受到索馬里急流和南亞高壓兩者協(xié)同作用的影響，而并非單獨受到某個系統(tǒng)的影響。

印度夏季風；索馬里急流；南亞高壓；協(xié)同作用

印度夏季風(Indian Summer Monsoon，ISM)是亞洲夏季風系統(tǒng)的重要組成部分之一，是印度地區(qū)主要水源供應渠道，其帶來的降水占據(jù)印度全年總降水量的78.2%，維持著印度人民的基本需求[1-3]，而ISM爆發(fā)也是印度地區(qū)雨季開始的重要標志[4]。ISM爆發(fā)及過程引發(fā)了專家學者們的大量關注，如Rai等[5]通過研究索馬里急流異常位渦對ISM不同階段產(chǎn)生的影響，指出索馬里急流位渦異常的空間結構在ISM活躍期和間歇期的變化很大。Jain等[6]也指出ISM降水量的增加可以從索馬里急流將阿拉伯海的異常增多水汽輸送至亞洲季風區(qū)這一角度解釋；Noska等[7]指出ISM爆發(fā)日期的偏早（晚）與印度地區(qū)降水的偏多（少）密切相關，而Wang等[8]定義了表征ISM爆發(fā)日期的指數(shù)OCI(Onset Circulation Index)，并指出通該過指數(shù)求出的爆發(fā)日期與真實爆發(fā)日期之間有顯著相關關系，為數(shù)值模式對ISM爆發(fā)日期的預測提供新思路。與此同時，隨著數(shù)值模式發(fā)展，ISM爆發(fā)日期預測的準確性也在不斷提高[9-12]。因此，ISM爆發(fā)日期的影響因素是學術界持續(xù)關注的重點。

吳國雄等[1,13]指出，南亞高壓的抽吸作用是誘發(fā)阿拉伯海擾動強烈發(fā)展和導致ISM爆發(fā)的重要的原因。而南亞高壓是夏季出現(xiàn)在青藏高原以及鄰近地區(qū)上空對流層上部的大型高壓系統(tǒng)，其本身對我國甚至是東亞地區(qū)的大氣環(huán)流會產(chǎn)生顯著的影響[14-23]。而Prasad、Raju等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)，在季風爆發(fā)之前，索馬里急流就早已建立，且隨著季風爆發(fā)，不斷加強并向印度西海岸延伸，最終在阿拉伯海上空形成了低空急流，為季風爆發(fā)提供了有利條件。Joseph等[26]則進一步歸納出季風在印度爆發(fā)所需要的兩個主要條件：（1）阿拉伯海地區(qū)需要有天氣尺度或者中尺度的瞬時擾動的發(fā)展為其提供充足水汽條件；（2）阿拉伯海地區(qū)的風速要迅速增加。

綜上，關于ISM爆發(fā)的研究，專家學者大多研究的是其對我國天氣氣候影響，以及青藏高原是如何為其提供有利條件，或更多關注于阿拉伯海地區(qū)的水汽條件和索馬里急流對ISM爆發(fā)的影響，而較少分析兩者對ISM爆發(fā)的協(xié)同作用。然而，ISM的爆發(fā)可能受到的是印度洋地區(qū)的索馬里急流和青藏高原的南亞高壓協(xié)同作用的影響。因此，本研究將探討索馬里急流和南亞高壓對ISM爆發(fā)的協(xié)同作用，以期為異常ISM爆發(fā)日期的預測提供新思路，進而對由極端ISM可能引起的氣象災害進行預防。

1 數(shù)據(jù)來源及指數(shù)定義

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究研究時段均為1979－2019年，使用資料主要有：

1）歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasts, ECMWF）第五代全球大氣再分析資料（ERA5）是同化了衛(wèi)星數(shù)據(jù)、現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品的再分析數(shù)據(jù)，是目前公認的最為先進的再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品之一。本研究使用了ERA5提供的逐日降水、風場、向外長波輻射（Outgoing Long-wave Radiation，簡稱OLR）、位勢高度以及垂直水汽積分數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°。（https://www.ecmwf.int/en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5）。

2）印度氣象局（India Meteorological Depart-ment，IMD）提供的ISM爆發(fā)日期數(shù)據(jù)。(https://mausam.imd.gov.in)。

1.2 指數(shù)定義

1.2.1 南亞高壓強度指數(shù) 本研究采用張瓊等[27]提出的南亞高壓強度指數(shù)(SAHI)表征南亞高壓強度及其變化，即南亞高壓區(qū)域內(nèi)(0－150°E，0－50°N)區(qū)域內(nèi)100 hPa位勢高度上大于16 600 gpm的所有格點上位勢高度值與16 600 gpm之差的總和。

1.2.2 索馬里急流指數(shù) 本研究采用石文靜和肖子牛[28]提出的索馬里急流指數(shù)(SMJI)表征索馬里急流的強度及其變化，即925 hPa上索馬里急流區(qū)(40°E－55°E，10°S－5°N)經(jīng)向風的平均值。

1.2.3 ISM爆發(fā)日期 本研究使用的爆發(fā)日期由IMD提供，IMD給出的ISM爆發(fā)日期定義為印度次大陸最南端的喀拉拉邦（Kerala）降水驟升的日期為爆發(fā)日期[29]。

2 ISM爆發(fā)前后相關物理量變化特征

基于IMD記錄得到的1979－2019年的ISM爆發(fā)日期（圖1）黑色實線可得，ISM爆發(fā)日期會呈現(xiàn)出明顯的年際變化，對其進行7 a滑動平均后得到的是圖中黑色的虛線，同樣可以看出爆發(fā)日期呈現(xiàn)出年代際的變化趨勢。

2.1 降水量、850 hPa風場及100 hPa南亞高壓

根據(jù)ISM逐年的爆發(fā)日期，每年ISM爆發(fā)當天及后4 d記為0候，爆發(fā)前5 d記為-1候，爆發(fā)后5 ～ 10 d記為+1候的方式對時間進行劃分，結合ERA5的數(shù)據(jù)資料對季風爆發(fā)前后降水量、850 hPa風場以及100 hPa南亞高壓的面積變化進行氣候態(tài)的平均。

黑色帶圈實線為ISM爆發(fā)日期時間序列，黑色虛線為7 a滑動平均后的ISM爆發(fā)日期時間序列

ISM爆發(fā)當天及后4 d記為0候，爆發(fā)前5 d記為-1候，爆發(fā)后5 ～ 10 d記為+1候，依此類推；紅色方框為索馬里急流區(qū)，紅色曲線圈出范圍為南亞高壓偏強區(qū)

由圖2可以看到，爆發(fā)前期，赤道印度洋地區(qū)南風分量迅速增強，使得索馬里急流強度不斷加強，尤其是其北支的偏西氣流不斷由阿拉伯海吹向印度大陸，在爆發(fā)前1候至爆發(fā)當候，偏西氣流迅速加強，印度西南海岸沿岸的降水也迅速增強，由本圖及圖3可知，南亞高壓在季風爆發(fā)前后呈現(xiàn)持續(xù)增強狀態(tài)，穩(wěn)定位于在南亞高空，其外圍輻散氣流為ISM爆發(fā)期間強烈的持續(xù)性降水提供了有利的高空抽吸作用。

2.2 水汽通量

同樣，對季風爆發(fā)前后水汽通量的變化進行分析（圖4），可以看到爆發(fā)前5候至爆發(fā)前2候，阿拉伯海和印度大陸的水汽均處于穩(wěn)定狀態(tài)，而在爆發(fā)前1候至爆發(fā)當候，輸送的水汽開始迅速增多，為印度大陸提供了充足水汽條件。

填色圖為OLR，箭頭代表200 hPa風場；ISM爆發(fā)當天及后4 d記為0候，爆發(fā)前5 d記為-1候，爆發(fā)后5 ～ 10 d記為+1候，依此類推

2.3 OLR和200 hPa風場

而其對應的對流層高層（圖3），在爆發(fā)前5候至前3候，南亞高壓不斷增強并且持續(xù)控制著孟加拉灣地區(qū)，使其高層有充足輻散氣流，同時，該地區(qū)的OLR值呈現(xiàn)出較小值也就意味著孟加拉灣地區(qū)的對流性活動較強。而在季風爆發(fā)前2候至當候，南亞高壓迅速增強并且高值區(qū)不斷西擴，導致孟加拉灣地區(qū)高層的輻散氣流和強對流區(qū)也開始西擴，強度也同時在不斷增強，為印度地區(qū)產(chǎn)生大量降水提供了有利動力和對流條件。

綜上，ISM爆發(fā)前5候至當候，印度地區(qū)對流層高層南亞高壓范圍和強度不斷擴大，其高層輻散場不斷西擴，輻散氣流不斷增強，有利于對流層中、低層上升運動的發(fā)展。而在爆發(fā)前2候至當候，索馬里急流強度和范圍也迅速增強，使阿拉伯海地區(qū)的西南氣流隨之增強，同時，阿拉伯海地區(qū)水汽大量聚集并輸送至印度大陸。在這樣有利條件下，印度南部降水量劇增，ISM爆發(fā)。

ISM爆發(fā)當天及后4 d記為0候，爆發(fā)前5 d記為-1候，爆發(fā)后5 ～ 10 d記為+1候，依此類推；箭頭代表水汽輸送的方向

2.4 各物理量在ISM爆發(fā)前后的區(qū)域平均

為更加直觀看到各物理量在季風爆發(fā)前后的變化，對其進行區(qū)域的平均（圖5），可以看到阿拉伯海地區(qū)的水汽在爆發(fā)前1候明顯開始迅速增多，尤其在爆發(fā)當候，阿拉伯海地區(qū)水汽大幅增加（圖5(a)）。而索馬里急流的強度在爆發(fā)前1候開始有明顯增強，并持續(xù)保持增強趨勢至爆發(fā)當候，在爆發(fā)當候強度的增加到達最大（圖5(b)）。而南亞高壓在爆發(fā)當候開始有明顯增強，并在爆發(fā)后也維持不斷增長趨勢。印度地區(qū)的850 hPa風速和降水在爆發(fā)前1候開始有明顯增強，并持續(xù)增強趨勢至爆發(fā)后（圖5(c)）。因此，在爆發(fā)前1候至當候，阿拉伯海的水汽、索馬里急流的強度以及南亞高壓的強度均有明顯增長（圖5(d)），為季風爆發(fā)提供有利的前期條件。

結合上述所有分析，結果顯示，在季風爆發(fā)前后，對流層高層始終存在南亞高壓不斷提供大量輻散氣流，并且其范圍不斷向西擴大，為對流層中、低層上升運動的發(fā)展提供了有利條件。而到爆發(fā)前1候，索馬里急流急劇增強，與此同時，水汽大量聚集在阿拉伯海地區(qū)，索馬里急流開始迅速將阿拉伯海的水汽源源不斷輸送至印度大陸。在對流層高層輻散氣流和低層索馬里急流帶來的水汽的共同作用下，季風爆發(fā)前2候，阿拉伯海地區(qū)東南部出現(xiàn)強對流活動中心。并且在爆發(fā)前2候至爆發(fā)前1候期間，該強對流區(qū)逐漸加強并且北抬西伸至印度周圍地區(qū)，在此期間，阿拉伯海地區(qū)水汽開始大幅增多，低空西風氣流明顯增強。在季風爆發(fā)前1候至爆發(fā)當候，索馬里急流、阿拉伯海地區(qū)的水汽通量依舊維持不斷增長的狀態(tài)，與此同時，強對流區(qū)開始由阿拉伯海東南部向印度大陸擴張，最終在各系統(tǒng)配合下，ISM爆發(fā)。而在爆發(fā)當候，索馬里急流依舊顯著增強，印度地區(qū)的對流活動和降水也維持著較強狀態(tài)，16 600 gpm線控制著南亞地區(qū)。在爆發(fā)當候至爆發(fā)后1候，索馬里急流的強度發(fā)生微弱增強，阿拉伯海地區(qū)的水汽通量持續(xù)增多，南亞高壓的強度和范圍也隨之增加，降水也由西南沿海地區(qū)逐漸東擴?？傮w來說，從爆發(fā)當候至爆發(fā)后3候，隨著南亞高壓強度和范圍的逐漸增加，阿拉伯海東南部對流性增強，對流活動中心逐漸北移西進，阿拉伯海的水汽和索馬里急流依舊處于較強狀態(tài)，所以印度地區(qū)的降水和風速仍處于較強狀態(tài)，只不過變化幅度有所減緩。其中，值得注意的是索馬里急流、阿拉伯海地區(qū)的水汽以及阿拉伯海東南部對流性活動是在季風爆發(fā)之前逐漸增強，而后在季風爆發(fā)之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。然而，南亞高壓在季風爆發(fā)之后依舊處于持續(xù)不斷增強的狀態(tài)。

（a）為阿拉伯海水汽通量（kg·m-1·s-1）；（b）為索馬里急流強度（m/s）；（c）為南亞高壓強度（gpm）；（d）為印度大陸降水（mm）以及（e）為印度大陸850 hPa風速（m/s）

3 索馬里急流和南亞高壓對ISM爆發(fā)的協(xié)同作用

3.1 對ISM爆發(fā)早晚的協(xié)同作用

為研究ISM爆發(fā)日期異常的影響因素，選取爆發(fā)偏早、偏晚年進行合成分析。在之前對爆發(fā)日期的計算中可知，ISM爆發(fā)日期的氣候態(tài)為6月1日，計此為0候，以±5 d為標準（圖6），選取了8個爆發(fā)偏早年和9個爆發(fā)偏晚年。

根據(jù)上述結果，記6月第1候為0候，5月最后一候為-1候，對偏早和偏晚年份的高空異常環(huán)流形式之間的差異進行分析，結果如圖7所示。

結果顯示，南亞高壓強度在偏早年與偏晚年之間出現(xiàn)的顯著偏差從-5候一直持續(xù)至0候，并且持續(xù)控制著印度北部地區(qū)（圖7），直方圖（圖8(a)）和剖面圖（圖8(b)）也顯示偏差最大出現(xiàn)在-5候到-4候。然而，綜合可知，對于ISM爆發(fā)偏早和偏晚，南亞高壓強度差異變化最強出現(xiàn)在-1候。換言之，在-1候時，南亞高壓在爆發(fā)偏早年和偏晚年之間的變化會有顯著改變。

實線為較平均爆發(fā)日期偏晚5 d，虛線為較平均爆發(fā)日期偏早5 d

利用上述同樣的方法，由圖9可得，索馬里急流在ISM爆發(fā)偏早年和爆發(fā)偏晚年之間變化最大的時期為-2到-1候，這點也可以在相應的直方圖（圖10a）和剖面圖（圖10b）中得到。進一步，由直方圖可以直觀具體的得到索馬里急流強度在爆發(fā)偏早年和偏晚年之間差異最大出現(xiàn)在-2候，并且爆發(fā)偏早年和偏晚年之差的變化最大也出現(xiàn)在-2候。

6月第1候記為0，打點區(qū)域為通過95%顯著性檢驗的區(qū)域

6月第1候記為0

在上述對索馬里急流在異常年份的分析過程中發(fā)現(xiàn)，印度大陸降水量在季風爆發(fā)偏早年和偏晚年之間有明顯差異的現(xiàn)象發(fā)生在-3候到-1候（圖9），再結合圖11，可具體得到印度大陸降水量在季風偏早年和偏晚年偏差最大發(fā)生在-2候到-1候。隨后，結合水汽在季風爆發(fā)偏早年和偏晚年的變化情況（圖12-圖13），即在-2候到-1候，阿拉伯海及印度地區(qū)的水汽在季風爆發(fā)偏早年和偏晚年之間的差異最大?？傻茫?2候到-1候不同水汽條件影響下，索馬里急流以及南亞高壓相互配合影響，會使得印度大陸降水量在季風偏早年和偏晚年偏差最大發(fā)生在-2候至-1候期間。結合上述對影響ISM爆發(fā)的各物理量和天氣系統(tǒng)的分析，可知ISM爆發(fā)偏早和偏晚之間差異最大的現(xiàn)象會發(fā)生在5月下旬。

6月第1候記為0，箭頭代表850 hPa風場

所以，若5月下旬的南亞高壓、索馬里急流以及阿拉伯海地區(qū)的水汽通量均顯著的偏強，那么ISM在很大程度上會提前爆發(fā)，其帶來的降水也會異常的偏多。因此，關注5月下旬的南亞高壓、索馬里急流以及阿拉伯海地區(qū)的水汽通量對ISM爆發(fā)日期的預報有著指示性的意義，并由此可對由極端ISM可能引起的氣象災害進行提前規(guī)避。

3.2 對ISM爆發(fā)當候的協(xié)同作用

為更加清晰直觀地得到在ISM爆發(fā)當候索馬里急流和南亞高壓的協(xié)同作用對ISM爆發(fā)日期的影響。分別求1979－2019年ISM爆發(fā)的日期與爆發(fā)前的索馬里急流（圖14(a)）和南亞高壓（圖14(b)）強度之間的相關系數(shù)，結果顯示，兩者均在爆發(fā)前5候與爆發(fā)日期之間呈顯著的正相關關系，并且相關系數(shù)均可通過90%的顯著性檢驗，且結果顯示，爆發(fā)前5候的南亞高壓與ISM爆發(fā)在年際變化中的相關性更好。

6月第1候記為0，箭頭代表水汽輸送方向

記6月第1候為0

（a）為ISM爆發(fā)日期與爆發(fā)前5-0候南亞高壓強度；（b）為ISM爆發(fā)日期與爆發(fā)前5 - 0候索馬里急流強度

隨后，為避免ISM爆發(fā)日期、-5候南亞高壓強度與索馬里急流強度之間相互作用對結果產(chǎn)生影響。對三者兩兩之間進行偏相關分析（圖15），結果顯示，剔除掉-5候南亞高壓的影響，索馬里急流與ISM爆發(fā)日期之間未能呈現(xiàn)顯著正相關關系。而不排除南亞高壓的影響，-5候的索馬里急流強度與ISM爆發(fā)日期之間的正相關性顯著增強，可以很好通過99%的顯著性檢驗。而同樣剔除掉-5候索馬里急流的影響，南亞高壓與ISM爆發(fā)日期之間的正相關系數(shù)雖然可以通過90%的顯著性檢驗，但若不剔除索馬里急流的影響，則南亞高壓強度與ISM爆發(fā)日期之間的正相關系數(shù)會大幅增強，通過高達99%的顯著性檢驗。但-5候的南亞高壓和索馬里急流之間無論是否有ISM爆發(fā)日期的影響，其相關性均不顯著。綜上，可以看出-5候的索馬里急流和南亞高壓之間的協(xié)同作用對ISM爆發(fā)提供了有利的前期條件，且ISM爆發(fā)日期受到索馬里急流和南亞高壓兩者協(xié)同作用的影響。

索馬里急流強度單位：m/s，南亞高壓強度單位：gpm，偏相關以黑色字體示，相關系數(shù)以紅色字體示

4 結論

本研究利用ERA5再分析的降水、風場、向外長波輻射、位勢高度和垂直水汽積分數(shù)據(jù)，對1979－2019年ISM爆發(fā)前后印度洋和青藏高原地區(qū)的海氣系統(tǒng)變化特征以及索馬里急流和南亞高壓對印度夏季風爆發(fā)的協(xié)同作用進行分析，結果表明：

1）ISM爆發(fā)前1候至當候，印度地區(qū)對流層高層南亞高壓范圍和強度不斷擴大，對流層低層索馬里急流強度和范圍不斷增強，使阿拉伯海地區(qū)的西南氣流不斷增強，將阿拉伯海地區(qū)大量水汽輸送至印度大陸。在這樣有利的條件下，印度南部降水量劇增，ISM爆發(fā)。

2）當5月下旬的南亞高壓、索馬里急流以及阿拉伯海地區(qū)水汽通量和氣旋性環(huán)流異常偏強時，ISM提前爆發(fā)且印度地區(qū)降水也會異常偏多。

3）索馬里急流和南亞高壓兩者協(xié)同作用對ISM爆發(fā)日期影響較大，而非單獨受到某個系統(tǒng)影響。

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Synergistic Effects of the Somali Jet Stream and the South Asia High on Onset of Indian Summer Monsoon

LI Ya-jie, LI De-lin, XU Feng, CHAI Bo-yu, HAN Li-guo，CHEN Si-qi, YANG Jin-yi, ZHANG Shao-jing

（1.,// 2.,524088,）

【Objective】The study is to explore the synergistic effects of the Somali jet stream and the SAH(South Asia High) on the onset of the Indian Summer Monsoon (ISM).【Method】The study is based on the daily data provided by the ERA5 of the ECMWF(European Centre for Medium Range Weather Forecasts) which is combined with the statistics of the ISM onset date (the date of a sharp increase in precipitation in the southernmost Indian subcontinent of Kerala) from the Meteorological Administration of India. Statistical methods such as power spectrum analysis, partial correlation analysis and sliding correlation were used to analyze the synergistic effect of the Somali jet and the South Asian High on the ISM onset.【Result】The scope and intensity of SAH in the upper troposphere over India were continuously expanded during the first week before the ISM onset, and the intensity and scope of Somali jet in the lower troposphere were continuously enhanced, which made the southwest airflow over the Arabian Sea continuously strengthened, and a large amount of water vapor from the Arabian Sea transported to the Indian mainland. Under these favorable conditions, there was a surge in precipitation in southern India and an onset of ISM. When the South Asia High, Somali jet stream and the cyclonic circulation over the Arabian Sea in late May are all significantly stronger, ISM will break out in advance and bring abnormally more precipitation. 【Conclusion】The ISM onset date was influenced by the synergistic effect of the Somali jet stream and the SAH, rather than by a single system.

Indian summer monsoon; Somali Jet Stream; South Asia high; synergistic effect

P426.615

A

1673-9159（2022）01-0067-11

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.01.010

李雅潔，李德琳，徐峰，等. 索馬里急流和南亞高壓對印度夏季風爆發(fā)的協(xié)同作用[J]. 廣東海洋大學學報，2022，42（1）：67-77.

2021-06-10

國家重點研發(fā)計劃（2018YFA0605604）；廣東省重點領域研發(fā)計劃（2020B0101130021）；廣東省基礎與應用基礎研究基金項目（2019A1515111009）；廣東海洋大學科研啟動經(jīng)費資助項目（060302032102）

李雅潔（1997―），女，碩士研究生，研究方向為海洋與氣候變化。E-mail: liyajie@stu.gdou.edu.cn

李德琳（1990―），女，講師，研究方向為海氣相互作用、氣候動力學。E-mail: lidl@gdou.edu.cn

徐峰（1962―），男，教授，從事海洋氣象學科研究。E-mail:xuf@gdou.edu.cn

（責任編輯：劉嶺）