北疆北部2次区域性暴雨的中尺度环境场分析

2014-02-13 01:42庄晓翠李健丽李博渊张林梅
沙漠与绿洲气象 2014年6期
关键词:落区中尺度实况

庄晓翠,李健丽,李博渊,张林梅

(1.阿勒泰地区气象局,新疆阿勒泰 836500;2.青河县气象局,新疆青河 836200)

北疆北部2次区域性暴雨的中尺度环境场分析

庄晓翠1,李健丽1,李博渊2,张林梅1

(1.阿勒泰地区气象局,新疆阿勒泰 836500;2.青河县气象局,新疆青河 836200)

利用常规资料、EC细网格和T639模式12 h预报场对2013年夏季发生在北疆北部的2次区域强降水过程中12 h最强降水时段的环境场进行中尺度分析。结果表明,中亚低槽北上强降水落区位于500和700 hPa中尺度气旋的第一、四象限及对流层低层冷槽的右侧,850 hPa切变线附近,地面中尺度高压前部、边界线和切变线附近及干线西侧的重合区域。西西伯利亚低涡型暴雨位于中尺度短波槽前、高空西南急流出口区左侧辐散区,700和850 hPa切变线西侧及干线西南部,850 hPa偏西、偏东及东南3股气流汇合区,地面干线的西部、辐合线东部及切变线附近的重叠区域。中亚低槽北上暴雨天气为非典型暴雨易漏报。用模式12 h预报场制作高空综合图,可提高预报时效,EC细网格优于T639模式。

强降水;中尺度天气分析;落区预报;订正

中尺度天气是指水平尺度几十千米至几百千米,时间尺度几小时到几十小时的天气现象[1],按其性质分为中尺度对流性天气和中尺度稳定性天气。中尺度对流性天气包括雷暴、短时强降雨、冰雹、雷暴大风、龙卷以及下击暴流等[2]。中国气象局规定12 h 50mm以上的短历时暴雨可以作为中尺度对流性天气或强天气进行研究。中尺度对流性天气或强天气都是在一定的大尺度环流背景中,在各种物理条件相互作用下,直接由中尺度天气系统造成的。因此,在业务预报过程中分析中尺度天气系统生成发展的环境条件,判断中尺度对流天气系统发生发展的潜势至关重要。

自20世纪50年代Fujita[3]提出了中尺度分析的概念后,Maddox等[4]利用总结的150个致洪强降水个例归纳了三类典型强对流降水的流型配置;Crisp[5]利用高空和地面观测资料分析中尺度对流系统发生发展的环境场条件,通过对大量个例开展中尺度分析,可以归纳出不同天气如暴雨、雷暴冰雹、暴雪等强天气的典型流型配置。2010年中国气象中心正式出台了《中尺度天气图分析技术规范》。近年来,在暴雨、强对流等预报中越来越重视中尺度天气分析,如许爱华等[6]研究了江西8种强对流天气形势与云型特征;张小玲等[7]研究对流天气的中尺度环境场条件及中尺度天气的高空地面综合图[8];张淑敏等[9]对渭河流域大暴雨天气过程的中尺度云团、雷达回波等中尺度特征进行分析。

新疆虽然为干旱半干旱区,但每年夏季都会出现区域性暴雨、冰雹等中尺度强天气,造成严重的损失。许多气象工作者对新疆的降水进行了大量研究[10-13],在中尺度方面也有不少研究成果,主要集中在多普勒雷达和云图资料的分析研究[14-20],从而为强降水、冰雹等灾害性天气提供了一定的预报依据。由于雷达资料受有效直径影响,探测区的覆盖面积非常有限;占中国面积1/6的新疆现仅有8部多普勒天气雷达;云图资料也受其时效的影响在许多实时预报中很难发挥作用,而中尺度天气分析技术却可以弥补上述资料的不足。

基于上述原因,本文采用中尺度天气分析技术分析2013年6月20—21日和7月16日出现在北疆北部的暴雨过程,揭示有利于暴雨等中尺度系统发生发展的环境场条件,探讨12 h暴量以上强降水落区和强度预报的一些着眼点,寻找能订正数值预报模式输出的强降水落区预报有效办法,为提高短时强降水预报水平提供帮助。

1 资料选取和天气实况

1.1 资料选取

应用北疆北部区域自动站逐时降水量资料、常规观测资料,高空及地面实况资料,EC细网格、T639模式数值预报产品,采用中尺度分析技术,研究2013年夏季出现在北疆北部2次区域性暴雨过程的中尺度环境场特征。

中国气象局规定日降水量24 h达到50mm以上即为暴雨。新疆属干旱半干旱区,根据该区的暴雨灾害记录、暴雨特点以及河川与下垫面渗透力情况,新疆暴雨标准按气发〔2004〕45号《新疆降水量级标准(修订版)》定义为日降水量≥24.1mm。本文按规定及中国气象局的评分办法,研究12 h 24mm以上强降水的中尺度天气环境场特征。

1.2 暴雨过程概况

2013年6月20—21日(过程A)受中亚低槽北上加强的影响,北疆大部分地方出现了小雨,伊犁河谷、北疆沿天山一带、阿勒泰地区的部分地方出现了大雨或暴雨,其中北疆北部出现了历史少见的暴雨天气。该地区过程降水量全区为小到中量以上的降雨,14个站(包括区域自动站,下同)达暴量以上,暴雨中心出现在青河县沙尔巴斯套村85.0mm,另外,富蕴飞机场62.1mm、青河县57.4mm、塔克什肯口岸52.8mm也达大暴雨(图1a)。青河县测站21日降水量41.4mm,突破历年同期极值,受灾严重。强降水时段主要出现在20日20:00—21日08:00(BT)(图2a),12 h降雨量达暴雨站数与过程相同。

2013年7月15—16日(过程B),受西西伯利亚低涡底部分裂短波槽东移的影响,北疆北部出现区域性暴雨,其中有8个站(包括区域自动站)为暴雨以上,暴雨中心位于青河县沙尔巴斯套站,累计雨量达61.8mm,富蕴县的库尔特乡苏普特村49mm也为大暴雨(图1b)。降水主要集中在7月16日08: 00—20:00(BT)(图2b),损失严重。12 h雨量达暴雨站数基本与过程相同。

图1 2013年6月20—21日(a)、7月15—16日(b)累计降水量分布图

2 环流形势

2.1 100hPa大尺度环流特征

2次暴雨过程前3d,100 hPa南亚高压为明显的双体型,两个中心分别位于里、黑海的南部和青藏高原东部上空,有利于水汽在北疆北部一带聚集;副热带大槽位于75°E附近,此时南疆西部大降水开始。6月19日20时和7月15日08:00 BT,南亚高压双体型开始减弱,南疆西部大降水结束,北疆地区大降水开始。北疆北部大降水期间南亚高压变为单体型,中心在青藏高原上空震荡,这与南疆大降水不同[16]。

2.2 500hPa大尺度环流特征及影响系统

图2 2013年6月21日20:00—08:00BT(a)和7月16日08:00—20:00BT(b)12 h降水量分布图

过程A:500 hPa上,6月18日08:00 BT,欧亚范围内为两槽两脊控制,里咸海高压脊北伸到70°N附近,蒙古到中西伯利亚高压脊北伸到70°N以北,形成阻高。下游高压脊比上游高压脊强盛,这是新疆大降水的典型形势;中亚低槽南伸到20°N附近,有利于槽前偏南气流将低纬的水汽输送到新疆地区。18日20:00—19日08:00 BT,低槽北收,中心位于西西伯利亚,该区处于槽前西南气流。19日20:00 BT,下游高压脊线逆时针摆动,迫使该地区处于槽前偏东气流影响。20日08:00 BT,北疆地区处于中亚低槽的东北和东南象限,强降水开始;20日20:00 BT该低槽略北上,北疆北部处于低压环流的偏东气流中,降水加强,到21日08:00 BT,低压环流有个加强过程,是21日降水较强的原因之一。

过程B:7月13日20:00 BT,欧亚范围内为纬向环流,中高纬多槽脊系统,中低纬为纬向锋区,其上多波动,欧洲、西西伯利亚为脊,其中后者相对较强;乌山、贝湖为明显低涡区。随着槽脊系统的演变,到15日20:00 BT西西伯利亚脊向东北方向发展、增强,分别在其上下游的西西伯利亚和贝加尔湖形成切断低涡,并在萨彦岭地区部分气旋性接通,其底部分裂短波槽影响北疆北部,造成强降水天气。

由此可见,过程B与A形势及影响系统截然不同。过程A是中亚低槽北上影响,过程B是西西伯利亚低涡东移,其底部分裂短波槽造成的暴雨天气。

3 中尺度天气分析技术在2次强降水过程中的应用

杨莲梅等[13]对新疆2007年3次典型暴雨的水汽特征进行了详细的分析;张俊兰[14]对南疆冰雹的环流背景、中尺度特征等进行了综合分析;王旭等[15]对新疆中尺度对流系统的统计特征进行了详细的研究;张云惠等[16]从南疆罕见暴雨过程的环流背景、高低空急流的配置、水汽条件、中小尺度特征等方面对暴雨成因进行了研究;从而对暴雨、冰雹的大尺度环流背景、水汽输送、雷达回波、云图等有了较深刻的认识,为暴雨预报提供了一定的参考。但暴雨天气复杂多变,影响因素众多,暴雨发生的落区及强度预报,仍需预报员今后不断总结和凝炼。本文尝试在分析行星尺度环流背景基础上,通过中尺度分析方法分析中尺度环境场对产生暴雨的作用,以期提高暴雨预报的水平。

3.1 中尺度天气系统发展的形势配置与降水落区关系分析

图3是采用中尺度天气分析技术得到的6月20日20:00 BT、7月16日08:00 BT高空地面综合图。由图可知,2013年夏季2次暴雨发生前12 h影响系统有中尺度气旋、中尺度短波槽、切变线、低压环流,但天气系统配置有较大的差异。以下通过中尺度天气分析方法对2次过程12 h 24mm以上强降水落区与天气系统的关系进行讨论。

3.1.1 6月20日20:00至21日08:00 BT强降水时段的中尺度天气分析

图3 2013年6月20日20:00BT(a)、7月16日08:00 BT(b)高空地面综合图(阴影区为强降水落区)

2013年6月20日20 :00至21日08:00 BT在北疆北部出现了较大范围的12 h 24mm以上的强降水(图2a),其中以青河县的沙尔巴斯套最大,达53.9mm为大暴雨。由图3a可见,在6月20日20: 00 BT中尺度天气图上,暴雨发生前12h有利的动力强迫抬升和水汽条件:(1)地面图上阿尔泰山脉的西北部和东北部各有1条辐合线(图3a),呈“人”字型,辐合线所包围区域内有<1hPa的3h正变压区;在富蕴与青河站之间有西北风与西南风的切变线;在阿尔泰山东南部的辐合区内有明显的冷暖气团,冷气团中心达11℃,暖气团中心为19℃,在冷暖气团的过渡区存在边界线;在阿尔泰山北部到东部国境线露点温度梯度为3.5℃/100 km,存在干线;塔城地区东北部有水平尺度<100 km的中尺度高压(1 012 hPa)。暴雨产生在“人”字型辐合线东部、中尺度高压前部、切变线和边界线附近及干线西部的重叠区域。(2)850 hPa阿勒泰站为偏西风与境外的偏南风形成切变线;冷槽位于阿勒泰西部到南部;暴雨产生在冷槽的右侧和切变线附近。(3)700 hPa风场上,阿勒泰中东部区有一长轴为600 km的气旋性环流,在该环流内有水平尺度为100 km的中β尺度气旋(307 dagpm);冷槽位于塔城东北部到阿勒泰南部,暴雨区位于中尺度气旋的第一、四象限及冷槽右侧;(4)500 hPa北疆为低压环流控制,在塔城东北部有一水平尺度为300m的中α尺度气旋(572 dapmg),暴雨产生在该气旋的第一象限。进一步分析表明该700和500 hPa中尺度气旋在6月20日20:00至21日08:00 BT有一加深的过程,动力强迫抬升和水汽辐合加强,使降水量增幅。(5)850~250 hPa暴雨区上空为T-Td≤5℃的饱和湿区,范围较大。

中亚低槽北上造成的强降水落区发生在:对流层整层为饱和湿区,500 hPa中α尺度气旋的第四象限,700 hPa中β尺度气旋的第一、第四象限、对流层低层冷槽的右侧及850 hPa切变线附近,地面中尺度高压前部、边界线和切变线附近及干线西侧的重叠区域。此次暴雨没有高低空急流的配合,属于非典型暴雨过程。

3.1.2 7月16日08:00—20:00 BT强降水时段的中尺度天气分析

2013年7月16日08 :00—20:00BT北疆北部出现了较大范围的12 h 24mm以上的强降水(图2b),其中以青河县的沙尔巴斯套最大(40.9mm)。从图3b可以看到强降水上空有利的动力强迫抬升和水汽条件:(1)地面图上,阿尔泰山的北部沿山和西部边境各有1条辐合线,呈“人”字型,辐合线处于<1 hPa的3 h正变压区,富蕴到青河站之间有西北风与西南风的切变线;在阿勒泰中东部边境有水平尺度为500 km的中干线。暴雨产生在干线的西部和辐合线东部及切变线附近。(2)700和850 hPa低空西北气流呈逆时针走向,850 hPa阿勒泰站的西北风与哈密到阿勒泰的东南风及境外的偏东风在阿勒泰地区东部形成明显的气流辐合区;冷槽的位置与过程A相似;阿勒泰中部边界有中β尺度干线。(3)500 hPa西西伯利亚为准东西向的横槽,中低纬塔城东部与阿勒泰西南部为水平尺度为400 km的中α尺度短波槽,并配合有冷槽;暴雨产生在中尺度短波槽前西南气流的左侧。(4)暴雨位于200 hPa≥36m/s的高空西南急流轴出口区左侧辐散区。(5)暴雨上空,850~250 hPa T-Td≤5℃的饱和湿舌,范围较大。

西西伯利亚低涡型暴雨位于高空中尺度短波槽前西南气流中,高空西南急流轴左侧辐散区,700和850 hPa切变线西侧及中尺度干线的西南部,850 hPa西北、东南及偏东气流汇合区,地面干线的西部、辐合线东部及切变线附近的重叠区域。

综上所述,A和B暴雨过程相同点:暴雨位于(1)850~250 hPa T-Td≤5℃的饱和湿区。(2)地面图上“人”字型辐合线东部、辐合线和边界线东段附近。不同点:过程A和过程B的中尺度特征具有显著的区别(表1)。

表1 2次暴雨过程的不同点

3.2 数值模式产品在2次区域过程中的应用

3.2.1 EC细网格12 h预报在中尺度环境场分析中的应用

数值模式天气预报已经成为中短期天气预报的基础,经检验00~24 h的预报准确率达90%以上,因此在中尺度天气环境场分析中,应用模式12 h预报场制作中尺度天气高空及地面综合图,具有预报时效早于实况图的优点。因此,使用模式预报并在业务中充分发挥人的主观能动性,是提高短时天气预报时效和准确率的有效途径。为此,将模式12 h预报场高空综合图与实况高空综合图进行对比研究。

对比分析2013年6月20日20:00 BT高空综合图(图3a)和由EC细网格2013年6月20日08: 00 BT 12 h预报场制作的高空综合图(图4a)可知,850、700h Pa温度槽及饱和湿区、700切变线、强降水落区基本一致;850、500 hPa切变线和辐合线及其显著流线、200 hPa显著流线相差约在100 km左右,误差较小。

同样对比分析2013年7月16日08:00 BT高空综合图(图3b)和由EC细网格2013年7月15日20:00 BT 12 h预报制作的高空综合图(图4b)可知,850 hPa切变线相差50 km左右,500 hPa槽线相差100 km左右,850、500、200 hPa主要流线(急流)、850~700 hPa高湿区、强降水落区基本一致,700 hPa温度槽相差100 km,误差较小。850 hPa温度槽相差300 km左右。

由此可知,EC细网格12 h预报制作的高空综合图,温度槽误差不稳定,其它的特征线误差在100 km内,相差较小。因此,在日常预报工作中,应用EC细网格12 h预报场制作高空综合图具有重要的现实意义。

3.2.2 T639 模式12 h在中尺度环境场分析中应用

对比分析2013年6月20日20:00BT高空综合图(图3a)和T639模式2013年6月20日08:00 BT12 h预报制作的高空综合图(图5a)可知,850 hPa流线相差较大,约300~400 km;700 hPa流线相差约100 km;500 hPa流线实况为东南气流,T639模式的是偏东气流,相差较小,但500 hPa西南和200 hPa的偏南气流比较接近,误差较小。850、700 hPa切变线误差较大,500 hPa的槽线相差较小。温度槽相差较大。强降水落区偏南50~100 km。

同样对比分析2013年7月16日08:00BT高空综合图(图3b)和T639模式2013年7月15日20:00BT 12 h预报制作的高空综合图(图5b)可知,850 hPa流线相差约100 km;700 hPa流线相差大;500 hPa流线范围相差较大,位置相差较小,200 hPa的偏南气流比较接近,误差较小。850、700 hPa切变线(辐合线)相差较大;500 hPa槽线相差300 km。温度槽850、500 hPa相差较大,700 hPa相差较小。强降水落区偏南50~100 km,范围偏小。

图4 EC细网格2013年6月20日08:00BT 12 h预报20时(a)、7月15日20:00BT 12 h预报16日08时(b)高空综合图(阴影区为强降水落区,图例同图3)

图5 T639模式2013年6月20日08:00BT 12 h预报20:00(a)、7月15日20:00BT 12 h预报16日08时(b)高空综合图(阴影区为强降水落区,图例同图3)

由此可见,T639模式12 h预报制作的高空综合图500 hPa西南和200 hPa的偏南气流、强降水落区等特征线误差较小,在100 km以内;其它的误差较大或不稳定。

3.2.3 模式降水量的应用

采用中尺度天气分析方法对2013年6月20日20:00BT、7月16日08:00BT2个时次的实况探空资料和地面资料进行分析,得到强降水预报着眼点,做出未来12 h 24mm以上强降水范围估计,图6b、6d中浅色阴影是12 h 24mm以上降水落区预报。图中数值是EC细网格累计降水量格点预报值。从图6可见,与暴雨实况(图6b、6d中深色阴影)比较,实况12 h 24mm以上均落在采用中尺度分析得到的预报范围里,但预报范围比实况大,预报区域的西北界都比实况的要大,西南界比实况的也要大一些,而东南界范围不稳定。进一步分析表明,浅色阴影区基本上是12 h大雨(12mm以上)落区。由此可见,依据中尺度分析判断强降水落区位置有较好的预报参考价值。

近年来,预报实践表明,EC细网格累计降水模式对新疆的降水有较好的预报能力,其输出的降水预报是业务预报的重要依据之一,但夏季降水强度系统误差常常是实况雨量的2~3个量级,位置偏离误差不确定。图6b是2013年6月19日初始场36 h EC细网格累计降水预报,对比分析图6a和图6b可知,EC细网格12 h强降水预报与实况相比,过程A降水量值预报比实况偏小2个量级,范围比实况偏大,其中西北比西南偏大(图6b),而T639降水量预报为小雨,比实况偏小3个量级。EC细网格6月 20日08时24 h累计降水量预报比实况偏小1个量级,T639则偏小2个量级。图6d是2013年7月14日36 h EC细网格累计降水预报,同样,对比分析图6c与6d的预报值可见,EC细网格降水预报与实况相比,过程B降水量值预报比实况偏小1个量级或基本一致,范围比实况偏大,东南和西北部偏大范围相当,而西南部较小,东北部最小,而T639降水量预报为中到暴雨,比实况偏小1~2个量级,但位置比实况偏南100 km左右。EC细网格和T639模式7月15日08时12 h累计降水量预报均为小雨,比实况偏小3个量级。

由此可见,中尺度分析得到的12 h 24mm以上的强降水边界和量级可以修订模式输出的强降水区预报位置和量级,当模式输出有强降水带位置时,需要订正到其北界限以北。以850~700 hPa温度槽东北的200~300 km的左右为界,可以定为12 h 24mm以上强降水的南界。850 hPa或700 hPa切变线(辐合线)基本为强降水的边界。

基于实况高空图的中尺度天气分析技术对于北疆北部2013年夏季强降水过程中12 h 24mm以上短时强降水发生条件和落区分析是一个有效的方法,有时可用于修正模式对强降水落区和量级预报的误差,特别是对强雨带南界的订正。模式12 h预报场制作的高空综合图,可以提高预报时效。

4 结论

通过对2013年夏季北疆北部2次区域性暴雨的中尺度分析,得到判断短时强降水落区的预报着眼点。

(1)中亚低槽北上造成的强降水落区发生在:500 hPa中尺度气旋的第四象限,700 hPa中尺度气旋的第一、四象限及对流层中低层冷槽的右侧,850hPa切变线附近,地面中尺度高压前部、边界线和切变线附近及干线西侧的重合区域。

图66月21日20:00—08:00BT(图b)和7月16日08:00—20:00BT(d)12 h 24mm以上(深色阴影)降水实况和根据中尺度天气图分析判断的12 h 24mm以上落区(浅色阴影)及EC细网格6月19日24 h(20日20:00)(a)、21日08:00(b),7月16日08:00(c)、20:00(d)累计降水预报

(2)西西伯利亚低涡型暴雨位于中尺度短波槽前西南气流中,高空西南急流出口左侧辐散区,700和850 hPa切变线西侧及干线西南部,850 hPa西北、东南及偏东3股气流汇合区,地面干线的西部、辐合线东部及切变线附近的重叠区域。

(3)对于中尺度低涡造成的暴雨天气为非典型暴雨,在工作中易漏报,应引起注意。

(4)模式12 h预报场可制作的高空综合图,EC细网格优于T639模式。

以上预报着眼点只是针对北疆北部2013年夏季2次区域较明显的暴雨过程,还需要更多的暴雨过程验证和完善。从上述分析可以看到用中尺度天气分析方法可以对强降水落区进行判断,但有较多空报。随着数值预报技术发展,全球模式和区域模式提供的对强降水的预报能力在不断提高,预报员在对数值模式的天气形势、降水、物理量及其演变特征分析的基础上,结合实况探空分析,再利用上述预报着眼点,可能会减少仅用天气图定性分析的空报问题。另一方面,应用模式12 h预报制作高空综合图,可以提高预报时效,并在修正模式对强降水落区预报,特别是对雨带位置和量级误差时有一定的参考价值。上述强降水预报着眼点,也可尝试应用于中期强降水预报落区,以应用于中期强降水预报落区的订正,有待于在今后的工作做进一步的研究。

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Analysis ofmesoscaleambient Field of Two Heavy Rainstorms in Northern Xinjiang

ZHUANG Xiaocui1,LI Jianli1,LI Boyuan2,ZHANG Linmei1
(1.Altaymeteorological Bureau,Altay 836500,China; 2.Qinghemeteorological Bureau,Qinghe 836200,China)

For forecasting the precipitationmore than 24mm in 12 hours,themodel output of precipitation data,which sometimes have large deviation,isan important basis.Based onmesoscaleanalysis technology,using conventional observation data,EC fine grid dataand T639model 12 h forecast field,the 12 hambient field ofmesoscale weather chart of two strongest rainfall period of regional heavy rainfall episodes in North Xinjiang in summer of 2013 wereanalyzed.The results showas follows.Caused by Centralasia trough going up to the north,the rainstorm locatedat the overlaparea of the firstand fourth quadrant ofmesoscale cycloneat 500and 700 hPa,near the shear line on 850 hPa,at themesoscale high pressure front,near the boundary line,the shear lineandat the west side of the dryline.The West Siberia Vortex Rainstorm was in front of themesoscale short wave trough,at the divergence zone on the left of the southwest jet exit,at the west side of the shear lineand to the southwest of the drylineat 700and 850 hPa where the threeair currents from west,eastand southeastat 850hPa converged,and shear line of overlaparea on surface.The rainstorm caused by Centralasia trough going up to north isan typical storm that is easy to be omitted.With 12 h forecast field from themodel,the forecast for time can be improvedand theaccuracy of EC finemesh was better than that of T639model.

strong precipitation;analysis ofmesoscale weather chart;fallingarea forecast; correction

P426

A

1002-0799(2014)06-0023-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.004

2014-01-20;

2014-07-10

新疆气象局科研基金(201314)和中国沙漠气象科学研究基金(Sqj2013008)共同资助。

庄晓翠(1964-),女,高级工程师,从事天气预报和气象服务及其相关的研究工作。Email:zxcxjalt@163.com

庄晓翠,李健丽,李博渊,等.北疆北部2次区域性暴雨的中尺度环境场分析[J].沙漠与绿洲气象,2014,8(6):23-30.

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