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一次华南飑线的观测分析和数值模拟研究
研究论文 | 更新时间：2024-01-25
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    • 一次华南飑线的观测分析和数值模拟研究

    • Observation and numerical simulation of a squall line over South China

    • 邹宛彤

      ，  

      李江南

      ，  

      潘心顺

      ，  

      曹正

      ，  
    • 中山大学学报(自然科学版)(中英文)   2024年63卷第1期 页码：24-33

    • DOI：10.13471/j.cnki.acta.snus.2022D013    

      中图分类号： P458.3

    • 纸质出版日期：2024-01-25，

      网络出版日期：2023-12-18，

      收稿日期：2022-01-06，

      录用日期：2022-03-10

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  • 邹宛彤,李江南,潘心顺等.一次华南飑线的观测分析和数值模拟研究[J].中山大学学报(自然科学版)(中英文),2024,63(01):24-33. DOI： 10.13471/j.cnki.acta.snus.2022D013.

    ZOU Wantong,LI Jiangnan,PAN Xinshun,et al.Observation and numerical simulation of a squall line over South China[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2024,63(01):24-33. DOI： 10.13471/j.cnki.acta.snus.2022D013.

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    摘要

    利用多种气象观测资料和高分辨率的数值模拟结果，对2020年5月11日华南地区一次飑线的初生、增强、成熟和衰亡等4个阶段的对流组织特征和模态的演变及机理进行了分析。结果表明：该飑线发生于高空急流入口右侧的高空辐散区，伴随着南支槽的加深东移，低层暖湿平流以及地面的中尺度辐合线为其提供了有利的水汽、热力和抬升触发条件。初始阶段，飑线呈断线型发展，在较大的环境热力条件下具有中到强的对流有效位能和最大的对流抑制。成熟期形成拖尾层状云型飑线，低层风切变和冷池强度逐渐达到平衡状态。在衰亡阶段，飑线的组织模态发生转变，其中环境热力条件是后向新生型对流单体发生的主要原因，且低层不同的水汽和风切变条件也对模态的变异存在一定作用。在华南地区，以断线型模态生成拖尾层状云型模态的飑线所需的对流有效位能更高，且飑线的维持也需要更强的热力条件。对流有效位能、对流抑制能量、粗理查森数、风暴相对螺旋度等在对流单体形成的种类和组织模态方面均有一定的指示意义。

    译

    Abstract

    Based on meteorological observation data and high-resolution numerical simulation results, the evolution and mechanism of convective organization and modes in a squall line over South China on May 11, 2020, were analyzed in four stages: nascent stage, enhanced stage, mature stage, and decay stage. The results show that the squall line occurred in the strong divergence zone of the upper jet stream. With the deepening and eastward moving of the south branch of the trough, the warm and wet advection in the low layer and mesoscale convergence line on the ground provided favorable conditions of water vapor, heat, and uplift triggering. In the nascent stage, the squall developed in a manner of Broken Lines with medium to strong convective available potential energy and maximum convective inhibition, in the environment of the maximum thermal condition. In the mature stage, a trailing stratiform squall was formed, and the low-level wind shear and cold pool intensity gradually reached a balanced state. During the decay stage, the phase mode of the squall line changed, mainly affected by the thermal condition caused Back Building mode convective cells, and also by different water vapor and wind shear conditions in the lower layer. In South China, it requires high convective effective potential energy to generate a squall line of stratiform cloud mode with trailing tail strong thermal conditions to maintain the squall line. The convective available potential energy, convective inhibition, Bulk Richardson number, and storm-relative helicity can indicate the type and structure mode of convective monomer formation.

    译

    关键词

    华南飑线; 数值模拟; 组织模态; 后向新生型

    译

    Keywords

    South China squall line; numerical simulation; organizational mode; Back-Building mode

    译

    飑线是指呈线状、带状或准线状排列的中尺度对流复合系统（MCSs），其过境时通常伴随雷暴大风、短时强降水、冰雹或龙卷等强对流天气（

    Newton，1950）。早期的飑线系统研究可追溯到20世纪中叶，受制于观测资料、计算机及数值模式的发展水平，主要集中在利用观测资料对飑线系统的天气尺度或中尺度的分析。根据动力机制不同，飑线可分为中纬度引导层型和热带传播型两类，其主要的区别在于热带传播型不具有引导层，并且需要分对流区和层状云区（Moncrieff & Miller，1976；Moncrieff，1978；Houze，1977；Ogura & Liou，1980）。20世纪80年代以后，随着雷达和卫星等遥感资料的增多、常规观测资料不断加密，飑线的结构特征、演变方式、飑中系统有了更深入、全面的认识（Johnson & Hamilton，1988）。Bluestein & Jain（1985）总结了飑线形成分为断线型、后部新生型、碎块型和嵌入层状云型4类，不同类型发生在不同的粗理查森数和不同强度垂直风切变的环境下。Rasmussen & Rutledge（1993）指出雷达回波结构的演变分为初生、增强、成熟和消散4个阶段，而各个阶段的演变与运动学结构的变化密切相关。随着计算机能力的提高和数值模式的快速发展，飑线发生发展的动热力机制也有了明显的进展。Rotunno et al.（1988）提出飑线发展传播的“RKW理论”，认为近地面冷池和低层环境垂直风切变相互作用是飑线发展维持最为重要的热动力机制，并不断得到发展和完善（Weisman，1992，1993）。随着物理机制和结构演变的研究不断加深，对两个领域的研究均有明显进展。Parker & Johnson（2000）将飑线演变过程分为了拖尾层云型、前部层云型和平行层云型3类。
    译

    我国早期对飑线的研究主要采用了统计分析方法。比如，

    丁一汇等（1992）通过对18条飑线的统计分析，将我国飑线发展的天气形势分为槽后型、槽前型、高后型和台风倒槽或东风波型4种 。随着研究的不断深入，后期对我国不同地区的飑线进行了更细致的特征统计研究，如Meng et al.（2013）对我国东部飑线进行了统计分析，将我国飑线主要消散的方式分为了反向断线型、收缩型及反向碎块型，填补了飑线演变过程消亡阶段的演变方式分类研究的空白。方翀等（2017）对2012—2015年华南20次典型飑线的统计研究发现，华南地区西风带飑线出现在春季和初夏，并指出雷暴高压的持续加强、扩大及相应冷池的扩大导致西风带飑线的不断加强发展 。在中尺度结构特征和形态学特征方面，国内也有大量研究成果。如陈涛等（2013）通过对华北飑线个例的研究，发现冷池边界扩展速度与低层风垂直切变大致相当。李娜等（2013）研究分析华东地区的一次后向新生型飑线个例，发现对流线上的后向新生是动力和热力过程共同作用的结果 。张哲等（2018）通过对辽东湾的一次飑线个例的多尺度研究，发现一条飑线在不同区域的组织形态发展演变受局地环境条件的影响。李文娟等（2021）在江南-华南一次强飑线研究中，发现飑线后部暖区的加强持续表现为飑线弓状形态的形成并维持。随着高分辨率数值模式的发展，关于飑线对流模态方面的研究主要集中在成熟阶段的模态分析或成熟阶段的模态变异（康兆平等，2017；孙虎林等，2011），但利用高分辨率数值模式结果对华南地区的飑线过程中各个阶段的模态分析及衰亡阶段的模态转变研究还较少，并将中尺度动热力机制的发展和各阶段模态结合的全面分析更少。
    译

    2020年5月11日午后至夜间，广东发生一次强飑线天气。该飑线在广东北部生成，随后逐渐东移南压，带来了局地强降水和闪电活动，此次飑线过程对机场运营造成了很大影响，广州白云国际机场约1 h、深圳宝安国际机场约2 h无飞机起降，共有超30架次航班备降，严重影响了当日广深两机场的航班正常率。本文利用地面常规观测资料、广东省雷达拼图、广州S波段雷达和FNL水平分辨率为0.25°×0.25°的再分析资料分析，分析了此次飑线不同阶段的演变过程，同时利用中尺度WRF模式输出的高分辨率时空资料，分析了其不同阶段特征及对流组织过程的变化机制。

    译

    1 飑线天气过程观测分析

    1.1　飑线发生发展的背景条件

    利用2020年5月11日14：00（北京时，下同）的FNL再分析资料分析飑线发生发展的天气形势。200hPa副热带西风急流位于35°N附近，广东处于其入口右侧的辐散区（图1a）。500 hPa副热带高压脊线处于20°N附近呈带状控制华南沿海及中南半岛，东亚大槽处于建立和加深阶段，青藏高原南侧的南支槽加深，两广北部槽前西南气流较强，风速达12~20 m/s （图1b）。850 hPa冷式切变线位于湖南-贵州中部，广西北部和广东西部及珠三角南部处于850 hPa的水汽通量辐合的大值区，环境温度普遍均在17 ℃以上，前侧的水汽和不稳定能量都有利于强对流天气发生和发展（图1c）。此外，地面两广交接处存在明显的地面辐合线，且对流有效位能均大于1 600 J/kg（图1d）。对流有效位能表征大气静力不稳定程度，与T-log p图的正面积相对应，是被抬升气块的温湿特征和环境大气的温湿分布综合作用的结果（

    郑永光等，2017）。此次飑线发生于高空急流入口，伴随南支槽加深，低层暖湿气流以及地面辐合线为其提供有利的水汽、热力和抬升触发条件。
    译

    fig

    图1  2020年5月11日14：00天气形势

    Fig.1  The weather situation at 14:00, May 11, 2020

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    1.2　飑线生成至成熟阶段的雷达回波特征

    广东省雷达组合反射率较好地反映了飑线发生发展全过程的4个阶段，16：00广东和广西交接的块状对流逐渐发展并有连接成线的趋势（图2a），此为飑线初生阶段。18：00广东河源-清远-肇庆-广西梧州的带状回波逐渐发展且整体向南推进，单体排列相对松散，断线型模态明显，此时飑线处于增强阶段（图2b）。19：30广东境内的飑线在广州-佛山处（图2c），对流单体的结构性相对密实，最大反射率达55 dBZ，但粤东和粤西相对结构较松散，最大反射率也偏弱，此时为飑线成熟阶段。飑线水平尺度达500~600 km，为中-α尺度MCS。在引导气流的作用下，飑线向东南方向移动，强对流云团位于飑线前部，最大雷达反射率45 dBZ，飑线后部是大面积的层状云区等特征均表现为拖尾层状云型飑线。5月11日20：00后，飑线的整体开始逐渐断裂，全面性衰减，进入衰亡期。23：00，飑线以反向碎块型衰亡减弱为3段MCS（图2d）。东段位于粤东，整体衰亡；中段位于珠江口附近，其对流单体传播方式转为后部新生型，具有弓状回波结构；西段位于粤西，MCS与层状云的位置近乎平行，其组织模态与东段特征一致，均变异为平行层状云型。

    译

    fig

    图2  2020年5月11日广东省天气雷达组合反射率拼图

    Fig.2  The composite reflectivity map of weather radar in Guangdong Province on May 11, 2020

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    2 模拟试验设计与结果检验

    模拟试验利用用WRF模式4.1.2版本，Lambert地图投影，并使用三重双向嵌套网格区域，分辨率分别为12、4和1.33 km（图3）。3个模拟区域均采用WSM6云微物理参数化方案、YSU行星边界层方案及RRTM长波和Dudhia短波辐射参数化方案。在模拟区域d01和d02中，采用Kain-Fritsch积云对流参数化方案，而区域d03不采用积云对流参数化方案。初始场资料选用NCEP的6 h一次、1°×1°分辨率的再分析资料。其中，d01模拟时间从2020年5月11日08：00~12日08：00，d02和d03模拟时间均从2020年5月11日14：00~12日00：00。

    译

    fig

    图3  WRF模式模拟范围

    Fig.3  Simulation range of WRF model

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    为了更全面展现飑线模拟的时空结果，本文利用分辨率为4 km的数值模拟结果进行数值模拟结果与实况的对比检验。数值模拟结果中的雷达组合反射率是基于雨、雪和霰的混合比例等效雷达反射率因子，其演变基本重现了此次飑线各阶段的特征，模拟结果与实况相似（图4）。初生时（16：00），辐合线前侧的分散对流的触发特征和纬向尺度均与实况相似（图4a）。增强阶段（18：00），两广中部的飑线形态均有较好地重现（图4b）。成熟阶段（20：00）珠三角北部区域结构密实，最大雷达反射率为55 dBZ，与实况的峰值一致。最强的区域也处于23°N附近，与实际情况符合。同时，粤东和粤西的对流单体也能与实况相对应，总体上模拟的结果再现了飑线的宽度、飑线移动方向的后侧宽广的层状云以及对流单体紧密的组织形态（图4c）。23：00飑线进入衰亡期（图4d），整条飑线断裂分成3个中-β尺度的MCS，分别位于粤东、珠江口、粤西阳江地区。东段和中段的MCS位置和变化趋势均与实况一致，近飑线西段MCS模拟的位置比实况略偏东。总体上，5月11日飑线各个阶段的数值模拟结果与实况相似。

    译

    fig

    图4  2020年5月11日分辨率为4 km的WRF数值模拟的雷达组合反射率

    Fig.4  Radar composite reflectivity of the WRF numerical simulation with a resolution of 4 km on May 11, 2020

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    3 飑线不同阶段的热动力环境场

    利用WRF数值模拟结果对飑线的初生、增强、成熟和衰亡共4个阶段进行全面分析。为了全面展现飑线组织整体的形态，对飑线对流组织形态和动力条件的分析选取分辨率为4 km的WRF数值模拟结果进行资料分析。而热力条件更依赖局地的层结条件，因此选取分辨率为1.33 km的WRF数值模拟结果构建由实况站点及其同一经纬度的格点及其周边最近的8个点的物理量构成的9点平均场，以获得更精细的探空来分析层结条件。

    译

    3.1　初生和增强阶段

    2020年5月11日16：00，飑线在广东中北部地区清远-广州-肇庆-广西梧州等地（23°~24°N，110°~115°E）的地面辐合线上发生发展。飑线的范围区域基本由分散的块状对流组成，随着时间推移，块状对流逐渐发展，结构逐渐紧密，最终形成了飑线（图5a）。广东中部冷池逐渐发展，在飑线前侧的惠州和飑线范围内的肇庆处形成了最强的冷池。但冷池扰动位温最大值约为-3 K，而飑线前侧的扰动位温增加，约为7.5 K，冷池效应相对于环境场偏弱（图5b）。图5c是图5a的黑实线所做的垂直剖面图，此时对流单体中的上升气流呈倾斜形态，45 dBZ雷达反射率回波上升的垂直高度达到了3~6 km。图5d是图5b黑圆点位置的模拟探空，对流有效位能达3 523 J/kg，抬升凝结高度为897 hPa，该数值明显高于东部以断线型生成的飑线统计结果。0~6 km垂直风切变分别为16 m/s，速度矢端图中风矢量方向旋转角度均大于90°，风切变属于中到强等级，有利于形成有组织的对流风暴（

    陈明轩和王迎春，2012）。
    译

    fig

    图5  2020年5月11日16：00初始阶段数值模拟结果

    Fig.5  WRF numerical simulation results of nascent stage at 16：00， May 11, 2020

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    5月11日18：00，增强阶段时飑线的整体形态已基本确定（图6a），长度为500~600 km，宽度为20~40 km的中-α尺度飑线雏形已经形成。在飑线中发展较强MCS后侧的冷池明显加强，扰动位温达-6 K（图6b）。从雷达垂直剖面分布可发现，在增强阶段，单体垂直气流以垂直上升气流为主（图6c箭头所示）。在对流单体中，整体以上升气流为主，对流单体发展到10 km以上呈直立状态。图6b黑点所构成的模拟探空显示，其单点的0~6 km垂直风切变（图6d）约为12 m/s，速度矢端切变角度超过120°，中等强度的垂直风切变对飑线发展和维持具有正面的作用（

    陈明轩和王迎春，2012）。
    译

    fig

    图6  2020年5月11日18：00增强阶段数值模拟结果

    Fig.6  WRF numerical simulation results of enhanced stage at 18：00, May 11, 2020

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    3.2　成熟和衰亡阶段

    20：00，飑线发展加强进入成熟阶段，其水平尺度已经达到500~600 km（图7a），冷池的范围和强度又明显增大（图7b），从雷达反射率垂直剖面图（图7c）可以看到，飑线前沿为强烈的对流区，雷达反射率梯度较大，而后侧是宽广的大范围层状云区域，风暴顶高度已经发展到了12 km以上，且飑线单体的水平尺度明显增大。在飑线成熟阶段，单体内有两支有组织的气流：一支为飑线前侧指向飑线后侧上升气流，主要处于3 km以上；另一支则从单体后侧开始，近3 km高度以下，略有下降（图7c流线）。而在飑线前侧（图7a黑点区域）的平均探空图中（图7d），0~6 km垂直风风切变为8 m/s，风切变略有减弱，但0~2 km垂直风切变也为8 m/s，速度矢端切变角度超过90°，低层垂直风风切变加强是成熟的强对流天气维持的有利条件（

    陈明轩和王迎春，2012）。
    译

    fig

    图7  2020年5月11日20：00成熟阶段数值模拟结果

    Fig.7  WRF numerical simulation results of mature stage at 20:00 on May 11, 2020

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    飑线成熟之后，整体进入衰亡阶段，WRF模式的数值模拟结果表明，到23：00，原本中-α尺度，水平尺度长达500 km的飑线呈反向碎块型消散（图8a）。在图8b中，对比A、B两个区域可以发现，MCS_A南侧为南海北部吹向陆面的南风，岸上的扰动位温为负，但海上的扰动位温为正。虽然区域A的对流有效位能仅为473 J/kg（图8c），但持续南风带来暖湿气流和维持不稳定条件，地面增温增湿，为对流发展提供热力条件。而区域B中，地面扰动位温均为负变温（图8b），且0~2 km的低层风切变减弱，并表现为冷平流所体现的逆时针旋转，地面冷空气入侵，对流发展条件被破坏，冷池的强度大于风切变，MCS_B快速衰亡。

    译

    fig

    图8  2020年5月11日23：00衰亡阶段数值模拟结果

    Fig.8  WRF numerical simulation results of mature stage at 20:00 on May 11, 2020

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    4 飑线各阶段组织模态

    4.1　初生到成熟的模态稳定期特征

    本次飑线的形态最初为断线型并逐渐增强，发展至成熟时为拖尾型层状云型飑线。根据分辨率4 km的模拟结果，在5月11日16：00，广东省处于高对流有效位能的环境下（图9a），飑线前侧及西侧较大的对流有效位能值（1 400~2 600 J/kg），且具有大于40 J/kg的对流抑制（图9b），与断线型和拖尾层状云型的模态飑线的条件吻合（Bluestein & Jain，1985；Parker & Johnson，2000），但都高于东部飑线这两种模态的对流有效位能范围（

    Meng et al.，2013）。珠江口北部粤西与两广交界处粗理查森数大于40的区域比较分散（图9c），但整体呈纬向分布且与飑线的纬向分布基本一致，因此此次飑线中整体以多单体风暴为主。广东中部的0~3 km相对风暴螺旋度为30~80 m2/s2（图9d），中等强度的风暴相对螺旋度有利于断线型飑线生成模态的形成。而螺旋度高值中心位于飑线移动方向前方的西南侧及阳江一带，大于150 m2/s2。
    译

    fig

    图9  2020年5月11日16：00 WRF数值模拟物理量结果

    Fig.9  WRF numerical simulation physical quantity results at 16:00 on May 11, 2020

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    4.2　模态转变期特征

    飑线于5月11日20：00进入成熟期，其组织形态的强度达到极值，之后进入衰亡期。利用分辨率为4 km的WRF数值模拟结果分析在21：00飑线从成熟进入衰亡期的物理量变化。珠江口沿岸（113°~116°E）的对流有效位能（图10a）仍较大，最大具有2 400 J/kg以上，这也有利于飑线南段在衰亡阶段加强，形成后向新生型MCS的有利条件（

    李娜等，2013），这与Meng et al.（2013）对东部飑线的统计结果相符合。飑线东、西段的对流有效位能为800~1 600 J/kg，整个飑线的前侧对流抑制基本均小于20 J/kg（图10b）。与我国东部地区的飑线（Meng et al.，2013）相比，华南飑线维持对热力条件要求更高。粗理查森数（图10c）在珠江口为40~100，更倾向于多单体风暴；粤东地区大部分为5~15，不利于对流单体风暴的发展；但在粤西地区，粗理查森数为15~40，处于有利于对流单体的发展的区域。风暴相对螺旋度（图10d）的结论类似，珠江口均大于30 m2/s2，珠江口以东是其分布的大值区，最高值大于150 m2/s2；粤东也不大，但并不具备珠江口的大值区，偏小的风暴相对螺旋度不利于风暴的维持；粤西阳江地区整体的风暴相对螺旋度大于80，其大于150 m2/s2的区域也较珠江口大。较强的低层垂直风切变是粤西MCS没有迅速减弱继续维持发展的重要原因。而中部和西部MCS分别在单体新生的组织模态和对流与层状云结构的组织模态上有变异，这是其所在环境动力、热力条件共同作用决定的。
    译

    fig

    图10  2020年5月11日21：00WRF数值模拟物理量结果

    Fig.10  WRF numerical simulation physical quantity results at 21:00, May 11, 2020

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    5 结 论

    本文利用常规观测资料、多普勒雷达资料及高分辨率数值模拟结果，对2020年5月11日的华南一次飑线过程的环境背景场和对流模态特征进行了分析。重点研究了飑线的初生、增强、成熟和衰亡共4个阶段的组织模态和对流组织特征的演变机理，并得出以下主要结论：

    译

    1） 飑线发生在200 hPa急流入口右侧的高层强辐散区、500 hPa南支槽前强西南风区、850 hPa切变线南侧的低层暖湿平流区中水汽辐合散度最大的区域，及地面辐合线上发生发展。

    译

    2） 在初生过程中，飑线以断线型方式对流单体逐个发展，对流单体内主要是上升气流，且垂直方向风向呈顺时针旋转，风向切变大，风速切变中等，最初冷池强度较弱，飑线的发展受到环境热力条件的影响。

    译

    3） 飑线发展至成熟阶段为拖尾型层状云型飑线，低层切变和冷池强度逐渐达到平衡状态，低层大气处于最强的垂直抬升状态，飑线回波直立。通过诊断发现，以断线型的飑线形成的拖尾层状云型飑线发生在有中到强的对流有效位能、较大的对流抑制的较好的热力环境条件下。

    译

    4） 飑线以反向碎块型衰亡，其对流组织模态也随之进入变异期。飑线衰亡是分为3段，衰亡过程中东西两端的对流组织形态由拖尾层状云型转变为平行层状云型。东段快速减弱，中段减弱过程中受地面辐合线和热力环境共同作用，衰亡速度相对较慢，其对流单体生成发展的形式转变为后向新生型，呈弓状并仍维持拖尾层状云型的组织模态。而西段在减弱过程中，线状组织形式转化为块状组织形式。

    译

    5） 通过对飑线组织模态转变过程的环境分析，后向对流新生型对流单体的发生发展主要和近地面热力环境的作用有关，对流有效位能相对较大。而飑线衰亡的过程中，不同区域的低层风切变和环境条件对衰亡的过程均有贡献。

    译

    相较于我国其他地区的飑线统计结果，华南地区以断线型模态生成为拖尾层状云型成熟模态的飑线，所需的对流有效位能数值更高，并且飑线的维持也需要更高的热力条件。对流抑制能量、粗理查森数、风暴相对螺旋度等在对流单体组织模态方面均有一定的指示意义。

    译

    参考文献

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