1961—2010年我国冷空气的活动特征

周琳,孙照渤

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.民航宁波空管站气象台,浙江 宁波 315154)



1961—2010年我国冷空气的活动特征

周琳1,2,孙照渤1

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.民航宁波空管站气象台,浙江 宁波 315154)

摘要：利用1960—2010年我国384站逐日温度资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了我国冷空气活动的频次、强度等特征。结果表明:我国单站冷空气呈北多南少、北强南弱的分布特征。按冷空气活动路径,北方分成3个区,它们在11月频次最多;南方以25°N为界分成2个区,它们在12月、1月频次较多,在年际尺度上该2区冷空气呈减少、减弱趋势。南北5个区冷空气活动频次的年代际变化不一致,但是各区冷空气活动的强度在20世纪60年代至80年代均呈年代际减弱。全国性冷空气活动频次在20世纪60年代和90年代显著减少,而北方冷空气活动频次的年代际变化不大。当欧亚大陆地面冷高压比正常年偏强(偏弱)、我国大部分地区温度比正常年偏低(偏高)、高层500 hPa东亚大槽比正常年偏强(偏弱)时,当年冷空气活动的频次偏多(偏少)。

关键词：冷空气活动;频次;强度;区域特征

0引言

冷空气过程(包括寒潮、强冷空气和中等冷空气)是冬半年影响我国最主要的灾害性天气。它不仅会导致人体免疫功能下降、引发呼吸疾病,同时对农业、牧业等造成破坏(刘传凤,1990)。因此,加强对其规律的认识,并进一步做出较为准确的短期气候预测对减少国民经济的损失有着重要意义。

早期研究确定了影响我国的冷空气源地(陶诗言,1957)和寒潮入侵我国的四条路径(李宪之,1955),并总结了寒潮的统计特征(Ding and Krishnamurti,1987;丁一汇,1990)、寒潮的成因及预报等(Lim and Chang,1981;章基嘉等,1982;张瑞桂,1988),形成了经典的寒潮理论(丁一汇,2000;朱乾根等,2000)。张培忠和陈光明(1998)、任金声和王秀文(1992)进一步讨论了寒潮过程的物理量特征,丰富了寒潮中期预报方法。仇永康等(1992)、李峰等(2006)分析了冷空气活动的频次和强度特征,指出冷空气的年际变化主要反映在寒潮和强冷空气所代表的强过程。

近年来对冷空气的研究以寒潮为主。多数研究采用降温确定寒潮标准,而Zhang et al.(1997)、Chen et al.(2004)以内陆与沿海地面压力差或风速确定寒潮标准。田秀霞和寿绍文(2013)通过对两次不同寒潮过程的分析,指出等熵位涡的分析可以跟踪寒潮冷空气的活动路径。王遵娅和丁一汇(2006)、钱维宏和张玮玮(2007)、Ding et al.(2009)研究指出,近50 a里全国性寒潮的频次显著减少。伍红雨和杜尧东(2010)、周长春等(2010)、李向红等(2011)、张艳梅等(2010)分别研究了我国华南、四川、广西、贵州地区寒潮的活动特征。对比他们的结论可知,不同地区寒潮频次、强度的变化趋势不完全相同,这与魏凤英(2008)的观点一致。郭冬和孙照渤(2004)、武炳义和黄荣辉(1999)分别指出北太平洋涛动指数、北大西洋涛动指数与我国冬季风的活动密切联系。谭桂容等(2010)进一步指出,北大西洋涛动正异常,对应冷空气活动偏强,是中国1月气温偏低的主要环流因子。唐卫亚和孙照渤(2007)指出,印度洋海温的异常偶极振荡可能会造成东亚大气环流的异常,影响东亚冬季风的活动强度,并引起我国冬季气温的异常变化。任广成等(2009)发现,前期春季北太平洋海温距平场可作为华东冬季异常冷暖年的前兆信号。高庆九等(2012)指出,华北地区的冷冬年,东亚槽偏弱,贝加尔湖脊偏强,对应冷空气活动偏强。

20世纪90年代以后,对冷空气活动的研究,多针对寒潮这样的强过程,而一般冷空气、强冷空气的特征研究多在20世纪80年代中期以前,因此有必要利用较新资料对其作进一步探讨。本文针对1961—2010年的冷空气活动特征展开讨论,丰富以往的研究内容。

1资料与方法

本文集中讨论1961—2010年冬半年(上一年11月至当年3月)的冷空气活动特征。采用中国国家气象中心整编的753个地面观测站逐日平均温度和日最低温度资料(1960年11月1日—2010年3月31日)、美国国家环境预报中心和大气科学研究中心(NCEP/NCAR)提供的500 hPa同期逐日位势高度资料(水平分辨率为2.5°×2.5°)。

台站资料存在两个问题:一是需要逐日连续的温度资料,而部分台站逐日资料存在缺测;二是建国以来,大部分台站都发生迁移,若迁站距离超过一定范围,则影响资料的均一性。因此有必要针对这两个问题剔除瑕疵台站:若逐日温度资料存在缺测,则剔除;若台站的迁移在水平方向上超过10 km或在垂直方向上超过20 m,则剔除。本文实际选用了384个台站,如图1所示。

图1　中国384站的地理分布Fig.1　Geographical distribution of 384 stations in China

本文采用滑动平均方法(魏凤英,1999),以11 a滑动平均结果代表年代际变化。在讨论冷空气活动的长期变化特征时,使用线性回归方法,并利用变量与时间之间的相关系数对变化趋势进行检验。

2单站冷空气定义及其活动特征

2.1　单站冷空气定义

当过程总降温(ΔT)达到6 ℃或6 ℃以上、日最低温度(Tmin)不高于5 ℃,记为一次冷空气过程。综合考虑频次和单次冷空气过程的降温程度,以累计过程降温定义单站冷空气年度强度I=∑Ti,i=1,2,…,n。其中:Ti为第i次冷空气过程降温值;n是本站冷空气频次。

2.2　单站冷空气的活动特征

冷空气活动频次呈现北多南少的分布特征,3个多频次区分别位于新疆北部、锡林浩特附近和吉林东部地区(图2a)。青藏高原东部(西藏北至青海南)、山东至江苏一带是我国中部冷空气活动的多频次区。3个少频次区分别位于四川盆地、云南西部和两广地区,且以云南西部频次最少,两广地区次之。以累计过程降温I表示冷空气强度,可知冷空气的强度分布(图2b)与频次分布基本一致,冷空气多(少)频次地区对应冷空气年度强度强(弱)。其中,新疆北部、锡林浩特附近、吉林东部地区是冷空气年度强度I最强的3个地区,50 a里累计过程降温超过190 ℃/a;四川盆地和华南是冷空气强度最弱的2个地区,累计降温仅为10 ℃/a。

图2　1961—2010年我国384站单站冷空气活动特征　　a.多年平均频次(单位:次/a);b.多年平均强度(单位:℃/a);c.单次冷空气过程的平均降温(单位:℃);d.单次冷空气过程的平均持续时间(单位:d)Fig.2　Activity characteristics of cold air at 384 stations in China from 1961 to 2010　　a.multi-year average frequency(units:times/a);b.multi-year average intensity(units:℃/a);c.average dropping temperature in a cold air process(units:℃);d.average duration in a cold air process(units:d)

我国中部地区(25～40°N)单次冷空气过程的平均降温为8～10 ℃,南方、北方地区的单次冷空气平均降温高于中部地区,降温可达10 ℃以上,且最大值位于广州西南部,降温达到13 ℃(图2c)。除了新疆地区外,北方冷空气平均持续时间短于南方冷空气平均持续时间(图2d),北方冷空气平均持续时间小于3 d,约为2.4～2.7 d,南方冷空气平均持续时间可达3.3～3.6 d。

1961—2010年冬半年逐月累计冷空气频次分布如图3所示。可见:新疆北部、东北地区冷空气频次在12月至次年1月较多,尽管在2月、3月仍是多频次区,但是比前3个月的频次明显减少;青藏高原南部冷空气频次在1月最多,该地冷空气频次先增加,至1月后减少,两广地区冷空气频次的月际变化与其类似;华北至长江中下游地区冷空气频次在12月至次年2月呈西多东少分布,而在11月、3月呈北多南少分布。

图3　1961—2010年冬半年逐月累计冷空气频次分布(单位:次)　　a.11月;b.12月;c.1月;d.2月;e.3月Fig.3　Monthly accumulated frequency distribution of cold air activity in winter half year from 1961 to 2010(units:times)　　a.November;b.December;c.January;d.February;e.March

图3表明各站冷空气活动频次的月际变化不同,为此进一步统计各站冬半年(11月至次年3月)冷空气累计活动频次的最多月、最少月(图4)。可见,新疆、东北、内蒙古、华北地区冷空气频次在11月、12月较多,2月、3月频次较少;长江流域冷空气频次在12月最多,长江以南冷空气频次在11月、3月较少,长江以北冷空气频次在2月最少;两广地区冷空气频次在1月最多,而在11月、3月较少。

图4　各站冷空气累计频次的(a)最多月和(b)最少月分布Fig.4　Distribution of months with (a)the most and (b)the least accumulated frequency

3区域冷空气的定义及各区冷空气活动特征

3.1　冷空气分区方案

影响我国的冷空气主要有东路、西路、中路、东路加西路4条路径。我国北方(南、北方以32°N为界)按活动路径划分为3个区,记为1区、2区、3区;我国南方参考单站冷空气累计频次最多月的统计结果(图4a),以25°N为界,划分为2个区,记为4区、5区。在分区的基础上,进一步讨论各区冷空气活动特征。借鉴李峰等(2006)选择28个台站资料划分冷空气过程的思路,本文在384个台站中选择了49个代表台站,尽可能做到这49个台站的空间分布近似均匀,由北向南包括了全国各个省大部分地区(图5)。49个站分别是:

图5　冷空气活动分区示意图(▲表示代表台站)Fig.5　Schematic diagram of zoning of cold air activity(▲ show the representative stations)

1区,黑河、满洲里、博克图、富锦、通河、齐齐哈尔、白城、长春、蛟河、锡林浩特、巴林左旗、锦州、赤峰(13个);

2区,呼和浩特、张家口、唐山、石家庄、延安、临汾、沂水、郑州、商洛(9个);

3区,阿勒泰、塔城、吐鲁番、敦煌、酒泉、阿拉善右旗、阿拉善左旗、都兰、靖远、岷县、西安(11个);

4区,南京、合肥、武汉、五峰、雅安、重庆、衢州、南昌、长沙、贵阳、昆明(11个);

5区,福州、南雄、柳州、玉林、广州(5个站)。

各区冷空气的定义标准是:在连续的数天内,本区代表站中有一半(或一半以上)台站发生了单站冷空气,记为一次本区冷空气过程。冷空气过程的起始时间是本区第一个台站出现单站冷空气过程的第一天,结束时间是本区所有台站都结束冷空气过程的前一天。

以本区m个代表台站年度冷空气活动强度的均值代表本区年度冷空气活动强度I区域,即:I区域=∑Ii/m,i=1,2,…,m。其中,m为代表台站个数。

3.2　各区冷空气活动的特征

11月至次年3月,5个区冷空气活动频次的月际变化如图6所示。可见,1区冷空气活动频次逐月减少,11月最多,2月、3月较少;2区冷空气活动频次在11月最多,在2月最少;3区冷空气频次呈现先减少后增加的逐月变化,11月最多,1月最少,且3月冷空气活动频次与12月相当;4区冷空气活动频次呈现先增加后减少的逐月变化,12月最多,3月最少,11月、1月和2月相差不大;5区冷空气活动频次的呈现先增加后减少逐月变化,12月、1月较多,11月、3月较少,与前4个区比较,5区冷空气活动频次明显较少,即使在1月,也不及4区的一半。

综上所述,北方3个区冷空气活动频次在11月最多,在2、3月较少,而南方2个区冷空气活动频次在12月、1月较多,在11月、3月频次较少。该结论与全国各站冷空气活动频次最多月、最少月的统计结果(图4)对应一致。

图6　1961—2010年各区逐月累计冷空气频次(单位:次)　　a.1区;b.2区;c.3区;d.4区;e.5区Fig.6　Monthly accumulated cold air frequency in each area from 1961 to 2010(units:times)　　a.Area 1;b.Area 2;c.Area 3;d.Area 4;e.Area 5

1961—2010年5个区冷空气活动频次的逐年变化如图7所示。可见,它们存在很强的年际振荡。在年际尺度上,南方4区、5区冷空气活动频次呈减少趋势,趋势系数分别为-0.04、-0.033次/a,通过了0.05信度的显著性检验。利用11 a滑动平均对各区冷空气活动频次进行处理,得到各区冷空气活动频次的年代际变化曲线。可见:1区冷空气活动频次经历了减少(1965—1990年)、增加(1991—1995年)、减少(1996—2005年)三个阶段的变化;2区冷空气活动频次年代际变化为逐渐减少;3区冷空气活动频次经历了减少(1965—1980年)、增加(1981—1992年)两个阶段,20世纪90年代以后波动较小;4区冷空气活动频次经历了减少(1965—1975年)、增加(1976—1991年)、减少(1992—2005年)三个阶段的变化,且在20世纪90年代以后冷空气活动频次显著减少;5区冷空气活动频次年代际变化为逐渐减少。

图7　1961—2010年各区冷空气活动频次的变化(单位:次;虚线表示11 a滑动平均)　　a.1区;b.2区;c.3区;d.4区;e.5区Fig.7　Frequency variation of cold air activity in each area from 1961 to 2010(units:times;dashed line represents 11-yr moving average)　　a.Area 1;b.Area 2;c.Area 3;d.Area 4;e.Area 5

由图8可见:除5区外,1966年是50 a里其他4区冷空气活动的最强年;1969年是5区冷空气活动的最强年,1966年仅次于1969年。在年际尺度上,2区、4区、5区冷空气活动强度呈减弱趋势,趋势系数分别为-36.4、-27.5和-30.9 ℃/(100 a),均通过了0.01信度的显著性检验。对冷空气活动强度进行每10 a求平均,可知:在20世纪60年代,各区冷空气活动强度最强;1区和3区冷空气活动强度在20世纪80年代最弱,其他3个区冷空气活动强度在2000—2010年最弱;20世纪60年代至80年代,各区冷空气活动强度均年代际减弱,1区尤其明显;在20世纪90年代,除5区外,其他4个区冷空气活动强度均增强。

图8　1961—2010年各区冷空气活动年度强度的变化(单位:℃;虚线表示每10 a的平均强度)　　a.1区;b.2区;c.3区;d.4区;e.5区Fig.8　Intensity variations of cold air activity in each area from 1961 to 2010(units:℃;dashed line represents the 10-yr average)　　a.Area 1;b.Area 2;c.Area 3;d.Area 4;e.Area 5

4大范围影响冷空气的定义及其频次活动特征

4.1　三种大范围影响冷空气的定义

大范围影响的冷空气包括南方冷空气、北方冷空气和全国性冷空气。它们的定义是:在连续的数天内,当北方3个区中至少有2个区达到区域冷空气标准,且南方2个区没有达到,记为一次北方冷空气过程;当北方3个区没有达到区域冷空气标准,而南方2个区中至少有1个区达到,记为一次南方冷空气过程;当5个区内至少有2个区达到区域冷空气标准,且包括4区,记为一次全国性冷空气过程。

根据上述定义和5个区冷空气活动特征,进一步统计出大范围影响冷空气的活动频次。可知,1961—2010年共发生大范围影响的冷空气431次,其中南方冷空气7次(不再讨论其气候特征),北方冷空气206次,全国性冷空气218次。

4.2　北方、全国性冷空气的频次特征

1961—2010年我国共发生北方冷空气206次,11月最多,3月次之,冷空气频次在11月至次年2月逐月减少,3月增加(图9a)。利用11 a滑动平均对冷空气活动频次进行处理,得到冷空气频次的年代际变化(图9b)。可知:在年代际尺度上,北方冷空气活动频次虽有小的波动,但是没有明显的上升或下降趋势。

图9　1961—2010年北方冷空气逐月累计活动频次(a)以及1961—2010年北方冷空气活动频次的变化(b;单位:次;虚线表示11 a滑动平均)Fig.9　(a)Monthly accumulated frequency of northern cold air activity from 1961 to 2010 and (b)frequency variation of northern cold air activity from 1961 to 2010(units:times;dashed line represents 11-yr moving average)

1961—2010年我国共发生全国性冷空气218次,12月至次年2月全国性冷空气活动频次逐月减少,11月、12月较多,3月最少(图10a)。在年际尺度上,全国性冷空气活动频次呈减少趋势,趋势系数为-0.035次/a,通过了0.01信度的显著性检验。利用11a 滑动平均对冷空气活动频次进行处理,得到冷空气活动频次的年代际变化(图10b)。可知:全国性冷空气活动频次在20世纪60年代最多,冷空气活动频次经历了减少(1965—1975年)、增加(1975—1984年)、减少(1985—2005年)三个阶段的变化。

图10　1961—2010年全国性冷空气逐月累计活动频次(a)以及1961—2010年全国性冷空气活动频次的变化(b;单位:次;虚线表示11 a滑动平均)Fig.10　(a)Monthly accumulated frequency of countrywide cold air activity from 1961 to 2010 and (b)frequency variation of countrywide cold air activity from 1961 to 2010(units:times;dashed line represents 11-yr moving average)

1961—2010年大范围影响的冷空气共发生431次,平均每年8.62次。以冷空气活动频次为10次或10次以上的年份为冷空气活动频次偏多年,6次或6次以下的年份为冷空气活动频次偏少年。1961—2010年,冷空气活动频次偏多年有1966、1971、1978、1982、1987、1991、2004、2010年;偏少年有1973、1975、1984、1995、2000、2003、2005、2007年。由多年平均的500 hPa位势高度场(图11a)可见,中纬地区的亚洲大陆处于东亚大槽的槽后,以西北气流为主,高纬的冷空气沿西北气流南下,引起冷空气过程。在冷空气频次偏多年(图11b),高纬存在一个闭合的气旋性环流,中心位置在新地岛以东的洋面上,即冷空气源地受低压控制,同时中纬地区的东亚大槽比正常年强。进一步比较冷空气频次偏多、偏少年可知:冷空气活动频次偏多年,80°N以南整个欧亚地区500 hPa位势高度为负距平(图11c),这种距平分布反映东亚上空的东亚大槽比正常年强,利于冷空气爆发;冷空气活动频次偏少年,除低纬地区外,500 hPa位势高度距平合成场与偏多年近似相反,70°N以北为负距平,45～70°N、80～140°E为正距平(图11d),这种距平分布反映东亚上空的东亚大槽比正常年弱,不利于冷空气爆发。

图11　1961—2010年多年平均的(a)和冷空气活动频次偏多年平均的(b)500 hPa位势高度场(单位:dagpm)以及冷空气活动频次偏多年(c)和偏少年(d)的500 hPa位势高度距平合成场(单位:gpm)Fig.11　(a)Annual average geopotential height field at 500 hPa from 1961 to 2010 and (b)average geopotential height field in the high cold air frequency years(units:dagpm).Composite geopotential height anomalies at 500 hPa in the (c)high and (d)low cold air frequency years(units:gpm)

由图12可见,冬半年的欧亚大陆中心受冷高压控制,中心位于85～110°E、45～55°N。高压前部有强的冷平流,后部为暖平流。在冷空气频次偏多年(图13a、c),亚洲大陆冷高压比正常年弱,同时中纬度欧亚地区的温度比正常年偏低0.3～1.2 ℃;在冷空气频次偏少年(图13b、d),亚洲大陆冷高压比正常年强,中纬度欧亚地区的地面温度比正常年略高。结合500 hPa位势高度场(图11)可见,当欧亚大陆冷高压比正常年强、我国大部分地区温度比正常年低、500 hPa东亚大槽比正常年强时,冷空气沿槽后的西北气流南下,冷空气爆发,对应当年冷空气频次偏多;当欧亚大陆冷高压比正常年弱、我国大部分地区温度比正常年高、500 hPa东亚大槽比正常年弱时,不利于冷空气持续南下,对应当年冷空气频次偏少。

图12　1961—2010年多年平均的地面气压场(a;单位:hPa)和地面温度场(b;单位:℃)Fig.12　Annual average surface (a)pressure(units:hPa) and (b)temperature(units:℃) fields from 1961 to 2010

图13　冷空气活动频次偏多年(a,c)和偏少年(b,d)地面气压距平合成场(a,b;单位:hPa)和地面温度距平合成场(c,d;单位:℃)Fig.13　Composite surface (a,b)pressure anomalies(units:hPa) and temperature anomalies (units:℃) in the (a,c)high and (b,d)low cold air frequency years

5结论

1)我国单站冷空气呈北多南少、北强南弱的分布特征。3个多频次区分别位于新疆北部、锡林浩特附近以及吉林东部地区;3个少频次区分别位于四川盆地、云南西部以及华南地区。北方各站冷空气频次以11月、12月为多,南方各站冷空气频次以12月、1月为多。南方、北方地区平均降温高于中部地区,南方冷空气持续时间长于北方。

2)按冷空气活动路径,北方分成3个区,该3区11月冷空气频次最多;南方以25°N为界,分成2个区,该2区12月、1月冷空气频次最多。在年际尺度上,南方2个区冷空气活动频次呈减少趋势,强度呈减弱趋势。在年代际尺度上,1965—1975年5个区的冷空气活动频次均逐渐减少,1975年后各区频次变化不同;5个区冷空气活动强度在20世纪60年代最强,60—80年代各区冷空气活动强度均逐渐减弱,90年代起各区强度变化不相同。

3)11月至次年3月,全国性冷空气活动频次逐月减少;北方冷空气活动频次在11月最多,在2月最少。在年际尺度上,1961—2010年全国性冷空气频次呈减少趋势。在年代际尺度上,全国性冷空气活动频次在20世纪60年代和90年代显著减少,北方冷空气活动频次变化不大。

4)当欧亚大陆地面冷高压比正常年强、我国大部分地区温度比正常年低、500 hPa东亚大槽比正常年强时,对应当年冷空气频次偏多;当欧亚大陆地面冷高压比正常年弱、我国大部分地区温度比正常年高、500 hPa东亚大槽比正常年弱时,对应当年冷空气频次偏少。

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(责任编辑：倪东鸿)

Activity characteristics of cold air in China from 1961 to 2010

ZHOU Lin1,2,SUN Zhao-bo1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China; 2.Meteorological Observatory of Ningbo Air Traffic Management Station,Ningbo 315154,China)

Abstract:Based on the daily surface temperature data at 384 stations of China and the NCEP/NCAR daily reanalysis data from 1960 to 2010,this paper analyzes the frequency and intensity characteristics of cold air activity in China.Results show that both frequency and intensity of cold air activity at single station in northern China are higher than those in southern China.Based on the invading routes of cold air,northern China is divided into three subareas,in which the most cold air activity occurs in November,and southern China is divided into two areas by 25°N,in which more cold air occurs in December and January.On the interannual scale,both frequency and intensity of cold air activity decrease.On the interdecadal scale,the frequency variations of cold air activity in the five areas are inconsistent,while the intensity variations weaken from 1960s to 1980s.The frequency of nationwide cold air activity decreases in both 1960s and 1990s,while the interdecadal variation of northern cold air activity frequency is weak.Compared with the normal years,when Eurasia surface cold high pressure strengthens(weakens),surface temperature in most parts of China decreases(increases) and East Asia trough strengthens(weakens) at 500 hPa,the frequency of cold air acitivity is higher(lower) in the corresponding years.

Key words:cold air activity;frequency;intensity;regional characteristics

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130526002

文章编号：1674-7097(2015)03-0342-12

中图分类号：P461

文献标志码：A

通信作者：孙照渤,教授,博士生导师,研究方向为短期气候预测,sunzb@nuist.edu.cn.

基金项目:公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306028);国家自然科学基金资助项目(41075070)；国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB430202);江苏省自然科学基金资助项目(BK20131431);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

收稿日期：2013-05-26；改回日期：2014-07-09

周琳,孙照渤.2015.1961—2010年我国冷空气的活动特征[J].大气科学学报,38(3):342-353.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130526002.

Zhou Lin,Sun Zhao-bo.2015.Activity characteristics of cold air in China from 1961 to 2010[J].Trans Atmos Sci,38(3):342-353.(in Chinese).