成信工中長期天氣預(yù)報課件第6章 大氣環(huán)流變化與長期天氣預(yù)報_第1頁
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第六章大氣環(huán)流變化與長期天氣預(yù)報大氣環(huán)流的變化,是導(dǎo)致天氣氣候變化的直接原因,如旱澇、低溫。長期天氣預(yù)報所研究的都是時空尺度較長的天氣過程,它所對應(yīng)的環(huán)流演變都是大型環(huán)流的演變。大型環(huán)流的描述方法:一類是天氣學(xué)方法,即根據(jù)天氣學(xué)原理,把相似的發(fā)展階段歸納為某一環(huán)流型,優(yōu)點(diǎn)是能綜合考慮與天氣密切相關(guān)的大氣環(huán)流主要成員的特征,不足之處是缺乏客觀定量的標(biāo)準(zhǔn),分型時標(biāo)準(zhǔn)不易掌握。另一類是天氣統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,即計(jì)算一組能描述大氣環(huán)流基本特征的定量指標(biāo),優(yōu)點(diǎn)是能比較定量地描述大氣環(huán)流形勢的基本特征,缺點(diǎn)是由于數(shù)學(xué)上的困難,目前還不能對大氣環(huán)流的各種重要成員作統(tǒng)一的數(shù)學(xué)處理。第一節(jié)大型環(huán)流過程的天氣學(xué)分型基本假定:大氣環(huán)流時空連續(xù)變化的大型環(huán)流過程的總體。環(huán)流型就是大氣環(huán)流連續(xù)發(fā)展過程中的一些相似的發(fā)展階段,而長期天氣趨勢主要是由環(huán)流型發(fā)展演變的特點(diǎn)決定的,長期天氣異常的原因在環(huán)流型的更迭,也就是一個環(huán)流型向另一個環(huán)流型的過渡中發(fā)生異常。因此,研究某一環(huán)流型持續(xù)的長短或出現(xiàn)頻數(shù)的多少以及相互轉(zhuǎn)換規(guī)律,是作長期預(yù)報的基礎(chǔ)。分型的依據(jù):通常按特定區(qū)域來劃分。一、北半球基本環(huán)流型1.兩種基本環(huán)流型:緯向環(huán)流:其基本特征是對流層中部西風(fēng)平直,基本氣流沿緯圈運(yùn)行;經(jīng)向氣壓梯度和溫度梯度很大;急流和行星鋒區(qū)呈緯向分布;熱量和水汽的緯際交換被大大抑制。經(jīng)向環(huán)流:其基本特征是平直的西風(fēng)被破壞,對流層中部在某特定地區(qū)出現(xiàn)準(zhǔn)靜止的長波槽脊;在這些長波槽脊的前部和后部出現(xiàn)方向幾乎相反的緯向溫壓梯度;急流呈經(jīng)向分布;熱量和水器的緯際交換大大加強(qiáng)。分型的基本原則:客觀高度概括反映出環(huán)流形勢的最本質(zhì)的特征。2.具體分型方案的多種多樣,一般要考慮空間和時間來年各個方面。空間上按氣象臺站所在地區(qū),分型的地理范圍可定為亞洲或歐亞范圍或整個北半球;時間上按不同季節(jié)的特點(diǎn)。3.王根蓋姆和吉爾斯提出的天氣學(xué)分型體系:考慮整個北半球中高緯度環(huán)流特征,具體分為:W型(西方型):主要特征為在對流層中盛行自西向東氣流;南北空氣交換弱,南北溫差大;歐洲、大西洋地區(qū)的中部氣壓系統(tǒng)及鋒系都是自西向東傳播。E型(東方型或阻塞切斷型):主要特征為中緯度盛行的西風(fēng)環(huán)流遭到顯著破壞;在歐洲大陸上空形成行星尺度的準(zhǔn)靜止高壓脊和低壓槽;極地冷空氣沿超級地軸(自東北向西南)侵入歐洲,造成中歐地區(qū)寒潮天氣。C型(西歐經(jīng)向型或子午型):主要特征為槽脊的位相恰好與E型相反;冷空氣的主要方向是沿子午線或極地軸(自西北向西南)經(jīng)過歐洲西部南下。4.鮑爾分型(主要表征大天氣形勢和大形勢)(1)天氣形勢概念:操縱天氣性質(zhì)和其演變特點(diǎn)的大氣“基本”狀態(tài)。時間長度平均是5.5天。其主要特征是平流層下部引導(dǎo)氣流方向及其地理位置來分析。實(shí)際上,500hpa和地面氣壓圖來進(jìn)行分析,按變壓中心移動的方向和引導(dǎo)氣流的主要方向,又將幾個大天氣形勢歸并,這就是“大操縱形勢”或大形勢。(2)以歐洲為主和以中歐為主的分型二、我國的環(huán)流分型方法1.分型原則:(1)分型范圍:亞洲、西太平洋、歐洲兼顧,但以亞洲為主,并視具體情況可有伸縮;(2)西風(fēng)帶副熱帶兼顧,冬半年以西風(fēng)帶為主,盛夏以副熱帶為主。(3)各層環(huán)流兼顧,以500hpa長波系統(tǒng)為主;(4)槽脊位置和各支氣流兼顧,以起主要作用的一支引導(dǎo)氣流為主;(5)環(huán)流和天氣兼顧,以環(huán)流為主;(6)兼顧影響我國的各種天氣過程以及各地區(qū)的天氣,但以影響范圍較大的天氣過程及大范圍災(zāi)害天氣為主。2.具體分型:對亞洲及太平洋共劃分出十一種環(huán)流。A.平直小波動型; B.移動性波動型;C.橫槽型; D.一槽一脊型;E.西伯利亞阻高型; F.兩槽一脊型;M.東岸槽型; N.切變型;P.緯向型; Q.經(jīng)向型;R.移動型;缺陷:難以找出各型之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律,但這又是我國所需要的。第二節(jié)大型環(huán)流的定量表征方法目的:環(huán)流分型的客觀化、定量化,避免主觀認(rèn)為性。方法:數(shù)學(xué)模型(微積分、模糊聚類)、設(shè)計(jì)參數(shù),利用計(jì)算機(jī)計(jì)算。一、環(huán)流指數(shù)與指數(shù)循環(huán)1.基本概念西風(fēng)帶大型天氣系統(tǒng)發(fā)展演變的實(shí)際啟示:環(huán)流指數(shù):定量描述大范圍環(huán)流的一種特征量。指數(shù)循環(huán):反映環(huán)流型交替轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律。2.環(huán)流指數(shù)具體簡化為一種特征數(shù)量:分別用西風(fēng)(緯向環(huán)流)指數(shù)和經(jīng)向度(經(jīng)向環(huán)流指數(shù))來表示環(huán)流強(qiáng)度。(1)西風(fēng)(緯向環(huán)流)指數(shù):某緯度范圍地轉(zhuǎn)西風(fēng)分量的平均值。①Rossy的看法:用35o~55oN間的平均西風(fēng)作為描述大型環(huán)流特征的一種指標(biāo)。②地轉(zhuǎn)西風(fēng)分量:式(6.1)③西風(fēng)指數(shù):式(6.2)④實(shí)際上通常只用500hpa計(jì)算(雖染各個等壓面上都可計(jì)算西風(fēng)指數(shù))我國常使用北京20時500hpa等壓面歐亞范圍(0o~150oE,45o~65oN)和亞洲范圍(60o~150oE,45o~65oN)兩個區(qū)域的西風(fēng)指數(shù)。中長期預(yù)報工作中也常用候平均圖或月平均圖來求緯向環(huán)流指數(shù)。(2)經(jīng)向度(經(jīng)向環(huán)流指數(shù)):南北風(fēng)速絕對值之和平均值。①西風(fēng)指數(shù)的缺陷:有時,大槽大脊明顯,但鋒區(qū)強(qiáng),Iz并不減弱;有時,雖平直氣流,但鋒區(qū)弱,Iz卻較小。此時用經(jīng)向度的強(qiáng)弱進(jìn)行修正。②地轉(zhuǎn)風(fēng)南北分量:式(6.3)選定某一緯圈,固定經(jīng)距,………。③經(jīng)向環(huán)流指數(shù):式(6.4)、式(6.5)一般來說,Im增加,經(jīng)向環(huán)流發(fā)展,反之減弱。④Iz與Im聯(lián)系Iz>

Im尤其冬季Iz>>

Im判斷:比較經(jīng)緯向環(huán)流指數(shù)距平百份率………….3.指數(shù)循環(huán)含義:指環(huán)流指數(shù)的一種變化特征。(1)指數(shù)循環(huán)的一般特征中緯度,當(dāng)緯向環(huán)流盛行時,西風(fēng)強(qiáng)大,稱高值數(shù)環(huán)流;當(dāng)經(jīng)向環(huán)流盛行時,西風(fēng)減弱,稱低指數(shù)環(huán)流。指數(shù)循環(huán):基本解釋:大氣環(huán)流中期變化主要表現(xiàn)西風(fēng)高、低指數(shù)交替、循環(huán)往復(fù)的變化過程。其周期短的為2周,長的為8周。急流角度的理解:西風(fēng)急流向南擴(kuò)張和向北收縮的過程。急流向南擴(kuò)張時,常伴隨著長波槽的發(fā)展加深,西風(fēng)指數(shù)減?。患绷飨虮笔湛s時,常伴隨著長波系統(tǒng)減弱,西風(fēng)指數(shù)增大。急流南移方式是急流連續(xù)向南移的過程。急流北移方式是南移的急流消失,在高緯度又重新生成一支急流,然后這支新生的急流又向南移。因?yàn)楦呔暥刃律绷鞯某霈F(xiàn)及其活動預(yù)示著大型環(huán)流過程可能發(fā)生轉(zhuǎn)折。指數(shù)長期變化的理解:候平均圖或月平均圖的西風(fēng)指數(shù)變化。(圖6.2P73)

月平均的Iz:年變化十分明顯,冬高夏低,春秋過渡。呈非周期變化。 候平均的Iz

:以月平均的Iz為背景,呈周期變化。 每日的Iz:以候平均Iz為背景。從每個季節(jié)看,冬季指數(shù)循環(huán)的周期長一些,高低指數(shù)之間變化的幅度也大一些,循環(huán)也明顯一些。夏季相反。計(jì)算表明,一個循環(huán)的平均長度為5.5候,最長為9候,最短為4候。反映指數(shù)變化的持續(xù)性特點(diǎn)。(2)指數(shù)循環(huán)各階段的天氣學(xué)特征四個基本階段,均有一定環(huán)流特點(diǎn)。①高指數(shù)期②指數(shù)減弱期③低指數(shù)期④指數(shù)增強(qiáng)期 總體上看,指數(shù)循環(huán)反映中緯度西風(fēng)風(fēng)力變化的循環(huán)性質(zhì),與這一循環(huán)的不同階段相聯(lián)系的是大氣環(huán)流發(fā)展的一定階段,后者則對應(yīng)著大型天氣過程。二、大氣活動中心特征量及其效能分析注意:某些大氣活動中心特征的變化。1.副高特征量副高特點(diǎn):永久性系統(tǒng),有形狀、面積,可分為幾個單體。日、候、旬、月平均圖,甚至年平均圖上均可見,幾乎在各層都有反映。(1)副高特征量(5種)①面積指數(shù):10oN以北、110o~180oE范圍內(nèi)大于或等于588的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)。②強(qiáng)度指數(shù):上述范圍內(nèi)格點(diǎn)高度值編碼值(如588為1,589為2…

)之和。③平均脊線位置:110o~150oE每隔5o的經(jīng)線與副高脊線祆教的緯度值平均。規(guī)定:在110o~150oE范圍內(nèi),只有一個>=588dagpm網(wǎng)格點(diǎn)的孤立副高單體不予考慮;另外在求脊線的平均緯度時,每隔5o的9條經(jīng)線上只有一個緯度讀數(shù)也不予考慮;對只有2~4個緯度讀數(shù)值的平均脊線緯度值加上括號以示區(qū)別。④西伸脊點(diǎn):副高體最西端的經(jīng)度(588線)。規(guī)定:只有一個>=588dagpm的副高體不予考慮;出現(xiàn)兩個副高單體時取偏西的一個;副高在110oE以西(其東伸點(diǎn)>115oE以東)考慮在內(nèi);西伸脊點(diǎn)在90oE以西,均記作<90。⑤北界位置:110o~150oE范圍內(nèi),副高北側(cè)588線與每隔5o的9條經(jīng)線焦點(diǎn)的緯度平均值。(2)副高特征量的效能分析(圖6.3圖6.4表6.1P75)2.東亞槽特征量(10月~次年2月)東亞大槽特點(diǎn):半永久中心,槽強(qiáng)。西風(fēng)帶強(qiáng),偏南,500hpa南北梯度大。(1)東亞槽特征量(2種)①東亞槽位置:500hpa月均高度圖110o~170oE范圍。槽線在35~55N內(nèi)每隔5與緯線香蕉的經(jīng)度值(共有5個)的平均值。有少數(shù)月份平均圖上的東亞槽不很清楚或是明顯橫槽形式,在資料中加括號以示區(qū)別。②東亞槽強(qiáng)度:根據(jù)上述劃出的槽線,在35~55N緯度帶內(nèi)讀出每隔5的每一緯圈上槽線附近的最小的一個高度值,這樣共有5個高度值,然后按下式計(jì)算強(qiáng)度指數(shù):…………..(2)東亞槽特征量的效能分析(圖6.5P77)3.極渦特征量極渦特點(diǎn):永久性中心,影響我國冬半年寒潮。(1)極渦特征量國家中心長期科對極渦的定義是:在北半球500hpa月平均環(huán)流圖上,選取中心高度值最低的一個低渦中心(一般位于極地和高緯地區(qū))定義為極渦中心,然后取此中心所在的經(jīng)度和緯度數(shù)表示極渦中心位置;同時,讀取低渦中心附近的最小的一個高度值作為極渦中心的強(qiáng)度。特別規(guī)定,當(dāng)出現(xiàn)兩個以上的中心值相同的低渦時,選取中心閉合范圍大及中心最小值點(diǎn)數(shù)多的低渦作為極渦中心;當(dāng)出現(xiàn)兩個以上的極渦中,則選取中心所在緯度偏南的一個極渦作為極渦中心。(2)極渦特征量的效能分析特征量本身意義明確,但其變化還有一些特性,如:①極渦位置的季節(jié)性(表6.2P77)②極渦中心強(qiáng)度的季節(jié)變化:由冬到夏是減弱過程,由夏到冬是加強(qiáng)過程。平均最強(qiáng)月份是2月,最弱月份是7月。③極渦中心強(qiáng)度的月際持續(xù)性規(guī)律不明顯。()相關(guān)較大的階段是2~3月、5~6月以及12~1月,而在春季(3~4月、4~5月)以及秋末至冬初(11~12月)月際持續(xù)性是負(fù)相關(guān)且持續(xù)性最差。三、大氣環(huán)流諧波分析及應(yīng)用環(huán)流指數(shù)(經(jīng)緯向分量特征),大氣活動中心特征量的局限:描述局部特征。為了更充分地描述大氣環(huán)流,諧波分析是一種較好的工具。1.諧波分析方法(1)概念:利用富氏級數(shù)把實(shí)際的波動分解成無數(shù)簡諧波之和的方法。把等壓面高度場沿緯圈作富氏展開,求出波數(shù)n=1,2…..等分波的振幅和位相角等特征量,再把波數(shù)1~3或4~5的分波迭加在一起,求出對應(yīng)于超長波或長波的合成高空形勢圖,從而觀察超長波和長波的逐日演變及不同分波的演變特征及差異。此方法稱為諧波分析或波譜分析。(2)方法(P79)①數(shù)學(xué)上,富氏級數(shù)表明:任何波動總可以表示成無限多個不同波參數(shù)的簡諧波的迭加?!跉庀笊希瑢⒌葔好娓叨葓鯤分別對某緯圈….的H…展成經(jīng)度…的富氏級數(shù)這表明,任何擾動場是緯向波數(shù)由1到無窮的諧波分量所形成的總數(shù)量。實(shí)際計(jì)算中,…常用有限的n代替,因?yàn)?gt;n的諧波分量的總貢獻(xiàn)很小。對H作諧波分析時,n常取為10或5即可。③實(shí)際計(jì)算方案……………(P79)2.波譜特征參數(shù)的應(yīng)用(1)物理量場分析公式①基本思想及基本公式某種物理量場的諧波分析有兩種途徑:一是直接進(jìn)行空間譜分析,一是借助H、T等要素場的諧波分析結(jié)果,在地轉(zhuǎn)假定下,間接計(jì)算物理量的譜分解。但其中物理量涉及到兩個擾動量的乘積沿緯圈平均的形式—卷積。……(P80)②擾動動能譜(P80)③角動量輸送譜(P80)④感熱輸送(P81)(2)梅雨期旱澇發(fā)生時及其前期環(huán)流特點(diǎn)和波譜特征(P81~83)四、大氣環(huán)流的EOF分析及其應(yīng)用1、EOF分析方法(P85)EOF(experientialorthogonalfanning)氣象要素場分解的特征向量(典型場)由實(shí)際要素場序列本身具有的特征所確定的正交分解分析….(P85)基本思路:氣象場F分解為只與時間或空間有關(guān)的兩部分,與空間有關(guān)的部分………………..2.EOF分析的應(yīng)用(1個例子)資料及格點(diǎn)的取法:1980~1990年,5~7月,500hpa逐日20時網(wǎng)格點(diǎn)實(shí)況資料。在極區(qū)取60oN以北空間點(diǎn)數(shù)共46個。即80N緯圈上只取0o、90oE、180o和90oW四個點(diǎn),75oN、70oN緯圈上取從0o起每隔40o取一點(diǎn),65oN、0oN緯圈上每隔30o取一個點(diǎn)。副熱帶地區(qū)取90o~140oE,20o~45oN范圍5o*10o的網(wǎng)格點(diǎn)共有36個。(1)500hpa極渦的演變特征①第一特征向量(圖6.12aP86)表示5~7月的多年極渦平均狀態(tài)。因此可以把第一特征向量看作基本場。②第二特征向量(圖6.12bP86)表示東西半球不同特征。③第三特征向量(圖6.12cP86)(2)500hpa副高的演變特征前三個特征向量的方差貢獻(xiàn):47.1%。①第一特征向量:所有分量都為正值,中心105o~140oE之間表示5~7月副高的多年平均狀態(tài)。因此可以把第一特征向量看作基本場,而其余特征向量為疊加在其基本場上的擾動。②第二特征向量(圖6.12bP86)它的分布有正有負(fù),零線在31oN附近,零線以北為負(fù)值,以南為正值,這種分布反映了副高位置的南北移動。③第三特征向量(圖6.12cP86)它的分布是以110oE為界線,其東部為負(fù)值,西部為正值,這種分布反映了副高位置的東西擺動。(3)極渦和副高的時間系數(shù)演變特征(圖6.13P87)反映連續(xù)暴雨出現(xiàn)時與特征時間曲線的關(guān)系。第三節(jié)低緯大氣環(huán)流的變化與長期天氣預(yù)報低緯定義:35oN~35oS之間約占地球表面機(jī)的37%。特征:地面熱量平衡的熱量盈余地區(qū),大氣主要從這里取得能量。在長期天氣變化中,非絕熱加熱過程起著重要作用。下面介紹兩種反映地位大氣環(huán)流長期振動的重要現(xiàn)象。一、沃克環(huán)流(WalkerCirculation)1.概念:赤道地區(qū)存在的東西向的環(huán)流圈。中太平洋上升,太平洋東部下沉,地面層為東風(fēng),高層為西風(fēng)。(圖6.14P88)2.特征:①

與SO的聯(lián)系:上升支對應(yīng)澳大利亞—印尼附近的低壓系統(tǒng),下沉支對應(yīng)復(fù)活島附近的高壓系統(tǒng)。②與赤道降水帶的聯(lián)系:沃克環(huán)流強(qiáng)使可伸展包括整個赤道太平洋,其東部下沉西部上升,東部的干旱帶在強(qiáng)大下沉氣流控制下控制下也向西擴(kuò)展,故中太平洋降水少;環(huán)流若是緯向環(huán)流收縮,中太平洋轉(zhuǎn)為上升氣流控制,故降水多。③與海水溫度的聯(lián)系:赤道太平洋冷水帶正好是赤道干旱帶,水溫低時干旱帶西伸,降水很少;水溫高時干旱帶收縮,雨量豐沛。3.反沃克環(huán)流:印度洋東部上升、西部下沉的緯向環(huán)流。(圖6.14)Flohn(1975年)提出,并綜合了赤道與低緯的厄爾尼諾現(xiàn)象及一些水文氣象要素去證實(shí)。這就說明不但沃克環(huán)流(澳—印尼低壓區(qū)上升而在副熱帶下沉的經(jīng)向環(huán)流圈)普遍存在,而且各地的變化還有一致性。二、南方濤動(SO)1.概念:澳大利亞—印尼附近的低氣壓和復(fù)活島附近的高氣壓同時增加或減弱,兩地氣壓如蹺蹺板一樣上下振動,稱為SO。周期約為3年。(圖6.15P89)2.特征:

①與WalkerCirculation聯(lián)系:SO氣壓差減?。ㄔ龃螅瑒t信風(fēng)和赤道東西環(huán)流(沃克環(huán)流)就減弱(增強(qiáng))。②SO的兩種狀態(tài):一種相當(dāng)于強(qiáng)SO,即南太平洋氣壓高,赤道太平洋降水少,稱為高干(HD),這時沃克環(huán)流也強(qiáng);另一種相當(dāng)于弱SO,南太平洋氣壓低,赤道太平洋降水多,稱為(LW),這時沃克環(huán)流也弱。

③與海溫關(guān)系密切:它反映了大氣和海洋之間的相互作用?!白詣釉龇边^程和“自動減幅”過程。Bjerknes(1969)“自動增幅”過程:一旦西太平洋海域海水溫度上升,對流和上升運(yùn)動活躍,附近的地面氣壓下降,這支上升氣流在對流層高層流向東部地區(qū),在海面水溫較低的太平洋下沉,促使該地區(qū)的地面氣壓上升。東西地面氣壓差增大使信風(fēng)加強(qiáng),赤道東—西緯向環(huán)流堅(jiān)強(qiáng),東西兩側(cè)海水溫度差異越來越大?!白詣訙p幅”過程:由于某種原因,兩氣團(tuán)的氣壓差減小,信風(fēng)減弱,海面水溫亦變小甚至逆轉(zhuǎn),東太平洋一側(cè)水溫高,西太平洋水溫低,使赤道東西緯向環(huán)流減弱,維持兩個其吞的氣壓差較小的狀態(tài)。3.南方濤動指數(shù)(SOI):Tahiti和Darwin測站規(guī)格化的海平面氣壓距平之間的差。正指數(shù)表示強(qiáng)南太平洋信風(fēng)環(huán)流和赤道東風(fēng)。第四節(jié)大氣低頻變化和遙相關(guān)與長期天氣預(yù)報一、大氣低頻變化1.概念:指時間尺度10天以上的大氣變化。研究意義:其時間尺度與長期預(yù)報所要求的尺度一致,研究大氣低頻變化對進(jìn)一步了解大氣環(huán)流和短期氣候變化,改進(jìn)數(shù)值模擬和中長期數(shù)值預(yù)報,探討較長時期預(yù)報的可能性方面都有極為重要的作用。研究概況:

70年代,用譜分析和濾波技術(shù)。

80年代,遙相關(guān)、球面上Rossby波傳播理論。2.低頻變化的地理分布特征:(圖6.16P60)方差極大區(qū):北大西洋、太平洋和西伯利亞極區(qū),非常接近經(jīng)常發(fā)生阻塞的區(qū)域。方差極大區(qū):低頻濾波方差比帶通濾波方差要大得多,表明前者對總方差的貢獻(xiàn)要比后者大。低頻振蕩不同于斜壓擾動。3.不同時間尺度的大氣低頻振蕩(1)準(zhǔn)兩周振蕩研究表明,準(zhǔn)兩周振蕩是原序列的重要成分。冬季,準(zhǔn)兩周時間尺度的變化表現(xiàn)為指數(shù)循環(huán),可從大氣低頻振的蕩觀點(diǎn)看,指數(shù)循環(huán)是大氣低頻振蕩重要成員。(2)30~50天振蕩季節(jié)內(nèi)變化,特別受到長期預(yù)報的關(guān)注。①熱帶30~50天振蕩這種低頻振蕩周期可以在20~90天之間變化,有50%左右處于40~50天之間。最早注意,該振蕩是向東傳播的,進(jìn)一步研究表明,也有向北和向上傳播的特征。②中高緯30~50天振蕩該現(xiàn)象存在,但需進(jìn)一步研究。4.大氣

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