陕西MCC特征分析及预报与减灾对策研究

侯建忠，陈小婷，乔　剑，郭大梅，胡　皓

(陕西省气象台，陕西 西安 710015)



陕西MCC特征分析及预报与减灾对策研究

侯建忠，陈小婷，乔剑，郭大梅，胡皓

(陕西省气象台，陕西 西安 710015)

摘要:运用卫星云图、常规观测资料对发生在陕西的中尺度对流复合体(MCC)的环流形势、水汽输送等特征进行分析。结果表明：陕南出现的MCC约占全省总数的80%，多形成于傍晚至凌晨。陕西出现MCC时，200 hPa有着相似的环流形势，均出现在南压高压的东北侧、副热带高压西北侧边缘偏南暖湿气流区域；对流层中低层，甘南-四川东部地区都有低涡或切变配合；地面图上四川东部及陕西南部多为稳定少动的热低压，影响MCC的冷平流多经甘肃东部入侵陕西境内，增强了对流中低层的低涡斜压性进而触发对流。云图特征显示：陕西MCC以对流单体发展加强形成的居多，这类MCC多出现在陕南强降水过程中，具有稳定少动、北伸不明显的特征；也有对流云团合并、冷锋云前部暖区新生对流云团发展加强形成的MCC，该类MCC北伸、东移相对明显。云顶亮温(TBB)显示：陕西MCC的强降水出现在TBB梯度最大一侧，最大小时降雨量与TBB的最低时段对应较好。上述特征对研究陕西致洪暴雨的预报、预警及防灾减灾服务具有很好的借鉴作用。

关键词:陕西；MCC；甘南低涡；高空反气旋环流；地面冷锋；云顶亮温(TBB)；预防提示

陕西地处青藏高原东北侧，秦岭横贯东西，地形复杂，是我国季风降雨向内陆急剧骤减的过渡带，加之该地地形地貌特征多样，下垫面性质复杂，区域内暴雨天气发生频率高，且不同地域的降水情况存在明显差异。一旦发生暴雨往往会引发山洪、泥石流、滑坡、塌方等，以至多次出现局部毁灭性灾害，对这一地区暴雨的研究显得十分重要。

研究表明：中尺度对流系统是暴雨的直接制造者,致洪暴雨往往由于中尺度对流系统持续影响而形成，而MCC又是中尺度对流系统中范围最大、最强的降水系统，它也是我国夏季暴雨和洪涝灾害的主要天气系统之一[1-6]。陕西也不例外，特别是21世纪以来，在历史罕见且造成重大灾害的洪涝事件中，MCC都扮演了重要的角色，不少重大暴雨灾害事件都是由MCC直接造成的[7-9]，可见对陕西MCC特征分析及预报、监测和预警是防灾、减灾关键的一环。

气象工作者虽对MCC做了许多研究工作，取得了不少成果，但就陕西而言，多偏重于个例分析，系统性研究陕西MCC特征和预报的较少，有必要对其气候规律、生成环境场等方面进行系统分析和研究，这对该地区防灾减灾具有十分重要的意义。

1资料与方法

本文利用近10年(2005-2014年)国家气象卫星中心提供的FY-2卫星逐时云图和云顶亮温TBB资料，依照MCC的标准[10]，对发生在陕北、关中和陕南不同地域的暴雨过程及致灾情况进行对比分析，筛选陕西的MCC个例，从时空分布、环流场、物理因子和预报预警对策等方面进行分析研究，为今后陕西地区MCC 致洪暴雨的预报、预警及防灾减灾服务提供客观科学的参考依据。

2陕西MCC的时空特征及致灾概况

通过对10年的FY-2逐时卫星资料云图及陕西相关降水资料对比分析发现，陕西省满足MCC条件的个例共有14个，大约年均为1.4个，主要集中在2005-2013年，其中2005、2006、2007、2011、2012和2013年均为2次，2009、2010年各有1次，2008年、2014年未出现。月分布特征：6月1次，7月10次，8月3次。日变化特征：MCC生成、成熟在后半夜至凌晨7次，凌晨至中午2次，傍晚至凌晨5次。就地域而言，陕北1次，关中2次，陕南11次，可见陕南MCC是关注重点，本文不对陕北MCC做重点分析。陕北、关中的3次MCC均出现在8月份，且发生、加强在傍晚至凌晨，而陕南的MCC后半夜发生、加强和成熟占绝大多数，这一结论与陕西大暴雨发生的时段相一致[11]。

进一步分析发现，陕南有时会连续两日出现MCC，或者是前一天已出现类似于MCC(未达到MCC标准)的对流云团强降水，次日仍以MCC形式产生强降水，如2005年7月6-7日2 d、2007年7月4-5日2 d、2011年7月5-6日2 d，同时前后两日降水各有特点，其中前1 d暴雨范围小，雨强大，以雷雨为主，次日暴雨范围大，雨强小，以普雨为主，暴雨落区较前1 d明显偏东，有利于雨区和洪峰叠加，易造成严重洪涝灾害。由此可见从MCC分析研究、预报监测角度出发，寻找减少陕西暴雨洪涝及次生灾害方法是提高防灾减灾能力行之有效的手段之一。2005-2014年陕西MCC发生时段，降水特征及灾情概况见表1。

3陕西陕南、关中MCC的环流及地面特征分析

3.1　300 hPa高空环流特征分析

通过对陕南、关中出现(以下称陕西)的13次MCC过程前一时次环流背景分析发现：300 hPa环流图上陕西几乎都是处在闭合南压高压环流的北侧或东北侧，即南压高压脊线的北侧(图略)，常有980 dagpm线配合，在980 dagpm北侧常常存在一支风速≥40～50 m/s的高空急流带，这支高空急流带走了MCC的上升气流，增强高空辐散，

有利于上升运动的维持和加强，而陕西的MCC多形成于此高空急流右侧的强辐散区。进一步分析显示，当MCC出现在陕南时，高空急流带位置相对偏南，一般在28°N附近；当MCC出现在关中时，高空急流带位置相对偏北，约在30°N附近。同时在该急流带南侧纬向风经向切变较明显，即风速的纬向分量随着纬度向南出现迅速递减现象，这样使得陕西MCC恰好处在一个小风速构成的闭合高压环流中心，高空具有强烈辐散。若陕南正好处在该高压环流的东北侧，MCC就会出现在陕南；若关中正好处在该高压环流的东北侧，MCC就会出现在关中。

以2011年7月5日的MCC为例，4日20时南压高压出现加强，已有闭合的980dagpm线配合，四川东部、陕西南部被一小风速构成的闭合高压环流中心控制，高压中心在30°N,105°E附近，陕南正好处在该高压环流的东北侧。5日08时急流明显南压，上述的闭合高压环流北侧风速迅速加大，原来的偏西风由2～4 m/s加强为12 m/s，纬向风经向切变非常明显，高压环流中心位置仍在四川东部、陕南南部一带，这时MCC已达最强时段。

3.2　700 hPa和850 hPa环流特征分析

分析陕西13次MCC出现前一时次700 hPa图(图1a~c)发现：若MCC出现关中、陕南时，有其共同的特征，也有不同之处。当MCC出现在陕南时，在甘南武都一带或四川东部地区有低涡环流或明显切变存在，具体位置在武都附近有一个低压环流存在，环流的中心一般在武都与汉中一带，在低涡或切变的东侧，从孟加拉湾经贵州、重庆西部、四川东部都有明显的偏南或西南急流配合，一般风速为8～12 m/s，一直北伸至陕南；当MCC出现在关中时，低压环流或切变位置偏北，具体位置位于武都、合作和榆中之间或者是在合作与武都、平凉一带，而始于孟加拉湾的偏南或西南急流会越过秦岭，一直延伸到关中MCC发生区域。这一现象或特征与方宗义等[4]研究指出的，中尺度对流系统通常发生在高温高湿的西南风低空急流的最北端和对流层中层短波槽的前方结论相一致。

表1　2005-2014年陕西MCC发生时段、降水特征及灾情概况

注：甘南切变、低涡，指武都一带有切变、低涡；甘陕指甘肃东部与陕西宝鸡地区；关北指陕北南部与关中北部地区。

图1　700 hPa(a,b,c)和850 hPa(d,e,f)高空形势图

在850 hPa图上(图1d~f)，MCC发生的前一时次，除从孟加拉湾经贵州、重庆西部、四川东部为明显的偏南气流或偏东南配合外，在秦岭南侧的汉江河谷地带或关中南部地带无一例外吹的都是偏东风或偏东东南风，所不同的是在风速大小上存在差异；陕南或关中偏东气流的风速一般在2～6 m/s，一直吹向MCC所发生的区域，为MCC的生成、发展提供了低层辐合、抬升条件。当偏东风较强时，MCC发生的位置就会相应偏西，陕西境内降水偏弱。如2013年6月20日陕南西部MCC、2013年7月21日陕南西部MCC、2012年7月7日陕南西部MCC生成时，汉中、安康的偏东风达到6～10 m/s，使陕南强降水落区偏西，甚至强降水中心出现在甘肃武都境内，陕南西部虽有强降水却未有区域性暴雨出现。以上分析表明关注850 hPa偏东气流强弱对预报MCC出现的区域及强降水中心落区有较好的指示意义，也能为陕西防御暴雨灾害和减灾服务提供客观科学的气象参考依据。

3.3　地面特征分析

分析MCC个例地面环境场发现，陕西多数MCC的生成、发展有同于华北平原的MCC的地方，位于冷锋前的暖区中[5]或有明显冷锋配合[7]。大多数MCC过程中四川及陕南一带为一闭合低压中心或低压区，而MCC出现在陕南或关中地区时存在一定差异。当MCC出现在关中地区时，地面环境场上虽有冷锋配合，但冷空气主体活动在关中境内，冷空气移动路径一条是从甘肃东部的西北路南下，如2007年8月8日发生在关中的MCC(图2a)，另外一条是从陕西东侧经山西进入陕西境内，如2006年8月14日发生在关中的MCC(见图2b)。当MCC出现在陕南地区时，地面环境场上四川闭合低压中心东西向特征明显，同时等压线密集、气压梯度较大，地面图上也有冷锋配合，冷空气主体多在甘肃中东部，一般从甘肃甘南一带南压或南移，经过武都进入陕南西部的汉中附近，如2011年7月4日发生在陕南的MCC(图2c)，可见关注地面冷空气及冷锋的移动路径对陕西MCC发生、发展及出现的地域十分关键。

已有研究表明[12-13]，当冷空气从武都涡的西北部侵入时，使得从而武都涡区斜压性加强，也促使武都低涡快速发展，激发MCC加强、发展。这类MCC前期多有较强偏西南暖湿气流输送，其低涡东侧存在明显的偏南或东南暖平流输送，降水具有强对流特征，多有雷雨相伴，短时雨强明显偏大，强降水区域相对偏小，如：2011年7月5日发生在陕南的MCC，南郑县07时1 h降水达50.6 mm。这种形势的MCC稳定少动、移动性较小。陕南生成的MCC也有冷空气是通过高后形势入侵，即冷空气从关中东部、河南西部或湖北西部进入陕西南部、四川东部。这类MCC普雨型降水特征明显，降水区域相对偏大一些，短时雨强较前一类要小，MCC北伸特征明显。如：2013年7月22日发生在陕南的MCC，商南县07时1h降水约为31.6 mm。

由上述地面环境场分析可见，正是由于高空大气增温、增湿，即在对流中低层从孟加拉湾或南海有明显的暖湿气流输送，致使地面气压出现迅速降低或维持，使得四川及陕南一带基本为一闭合的低压中心或低压区，表明陕西MCC时前期能量和水汽的积聚持续而显著，可见MCC前期或事先关注地面热低压位置和冷锋移动路径对暴雨落区预报具有一定指示意义。

图2　陕西发生MCC时的地面形势图

图3　水汽通量散度图 (单位: 10 - 7 g·s -1·hPa-1·cm-2)

4陕西MCC的水汽输送特征分析

水汽是产生区域性暴雨的重要条件，尤其对内陆地区来讲，由MCC所引发的暴雨更是如此，因为MCC对水汽条件要求较高，一般MCC都是发生在高湿、高温环境场中。分析陕西MCC所引发的暴雨水汽场的情况(图略)发现，其水汽的水平输送主要集中在对流层中低层的850～700 hPa。通过850～700 hPa的偏南暖湿气流将水汽输送至暴雨区上空，低层暖湿气流输送进一步增加了MCC区域大气不稳定度，为MCC所引发的暴雨提供了充足的、源源不断的水汽和能量[3]。文中选择既能代表水汽输送又可反映大气低层辐合状况的水汽通量散度来做分析。

众所周知，当暴雨区存在水汽通量散度负值区，说明具有很强的水汽辐合，这一点通过MCC过程中的水汽通量散度图可得到很好验证。在陕西13次MCC 暴雨过程中，其水汽通量散度图上均有明显的水汽辐合存在，只是不同的过程之间的强度有所差异。其中850 hPa上水汽通量散度辐合明显的情形有6次(如2007年7月5日、2010年8月1日、2012年7月21日等)，700 hPa水汽通量散度辐合明显的情形有2次(如2012年7月7日等)。对于暴雨范围广、雨强强的MCC 暴雨过程，850、700 hPa两个高度上水汽通量散度辐合均十分明显，这种情况有4次(如2007年8月8日、2009年6月19日、2013年7月21日等)。其中2013年7月22日陕南MCC过程中，7月22日08时700 hPa水汽通量散度图(图3a)可以看出，水汽通量辐合中心出现在四川东北部、陕南及关中地区，中心值为-50×10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1，而在850 hPa图上(图3b)，四川东北部、陕南西部、关中大部为一个水汽通量辐合带，中心值达到-50×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1。需要强调的是这次MCC过程中，陕北也有大范围的强降水出现，使得水汽通量辐合中心较其他个例略显偏北一些，同时也说明对流层中层的水汽通量辐合中心对陕北的大范围降水有一定的指示意义。这种充足的水汽加之强的辐合场配置使陕西中北部产生强降水。

5MCC云团特征分析

卫星云图具有能及时、宏观、直观和高频次地监测强降水云团从一个对流小单体到发生、发展和加强移动整个过程演变的特点，同时还可利用云顶亮温TBB梯度最大一侧来确定暴雨的落区。目前业务运行的卫星云图已可达到每0.5 h一次的时效。

5.1　MCC云团特征及移动规律

通过对陕西13次MCC过程的云图分析发现，多数个例中，MCC主要是由小块状积云团从四川东北部东移发展或合并加强形成的。其中伴随冷锋云系，在东移过程中由冷锋前部暖区新生对流云团发展加强成MCC有4 次(图4a、4b)，这类MCC关中、陕南均可出现，其降水范围大，累计雨量大，如2007年8月8日关中的MCC过程中，有8 站日降水量超过建站以来的极大值；由对流单体发展加强形成的MCC有6次，这类MCC基本出现在陕南地区，它们多在四川东北部由对流单体发展加强形成，即其主体多在大巴山以南加强发展，它们当中有一类相对稳定少动(图4c、4d)，另一类北伸特征相对明显(图4e、4f)；由几个对流云团合并形成的MCC有 3次，基本是发生在秦岭以南的陕南地区，这类合并形成的MCC与上述陕南的后一类MCC特征有一个共同之处，即北伸特点相对明显。通过对其环流分析发现，造成这类MCC北伸特征相对明显的主要原因是在700 hPa图上有明显偏南急流配合，如2009年7月15日、2012年7月7日、2013年6月19日等MCC过程中，其700 hPa图上偏南气流均超过10～12 m/s。另外分析还发现，几乎陕西所有的MCC在接近或处于成熟时期，其云团的云顶多可伸展至对流层高层200 hPa附近，而MCC云团的云砧多数会伸向西南方向，出现这种特征原因是MCC多处在对流层高层的南亚高压东北侧，它是由南亚高压东北侧的偏东北急流引导所致。

进一步对发生在陕南地区的MCC云图归类分析还发现，不少的MCC在加强发展到最强时刻在其的北侧，会有小的对流云团新生，这个新生的对流云团则是陕南或当地强降水的直接制造者(图4d、4f)，如2011年7月5日的MCC过程中，南郑县5日07时 1 h降水50.6 mm。虽然目前对它的生成和形成机制还不能很好地解释，但可以利用雷达回波对其强降水落区进行定位，以确定强降水的灾害区域，使强降水区域能够及时采取应对措施并予以重点防御。

5.2　MCC云团云顶亮温特征

运用云顶亮温(TBB)能够有效地揭示、判别MCC发展、加强及成熟期不同阶段，确定MCC的强降水时段和落区。有研究成果表明MCC发展到成熟期往往是影响和造成当地降水最强时刻，强降水落区多位于云顶温度梯度最大一侧。分析陕西的13次MCC过程有同样的结论(表2)。本文以2011年7月5日陕南和2007年8月8日关中出现的MCC过程为例进行具体分析。

表2　陕西部分MCC相关及降水特征

图4　陕西MCC云图特征图例

2011年7月5日夜间，在前期无任何云团的情况下，5日01:00红外云图上显示，四川东部、重庆地区有由小的亮点发展成较大的边界光滑整齐的2个对流云团(图4c)，02：00云团已合并为一个云团，03:00合并云团迅速发展，具有MCC的特征，冷云面积大幅度增加，TBB ≤-52℃的云罩面积约为4×104km2， TBB≤-32℃的云罩面积约为5×104km2，06:00云团强盛发展成为MCC。07:00冷云面积扩展到最大，MCC发展到最强， TBB≤-52℃的云罩面积约为18×104km2， TBB≤-32℃的云罩面积约为22×104km2，椭圆率>0.7，占据四川东北部及陕南汉中部分地区，此时对流发展最为强盛，TBB 等值线在MCC云团东北侧非常密集(即云顶亮温梯度大)(图4d)，而强降水位于TBB 等值线非常密集一侧。在MCC的东北边界还有一个类似小角的新对流单体云团生成，陕南地区的强降水就是由这个小角云团直接造成(这点在汉中雷达回波也得到印证)。南郑县07时1 h降水50.6 mm，汉滨区08时1 h降水44.9 mm， 从08:00开始，MCC云团开始减弱，TBB≤-52℃的冷云区面积大幅度减小，11:00时云团不再具有MCC特征，陕南地区内已无大于10 mm/h的降水。MCC持续长达约7 h。

2007年8月8日21 时，随着锋面东移，原在陇县的一个对流单体与眉县的另一对流云带合并，合并后的MCC云团在原地突然发展为一个TBB ≤ 52 ℃的云罩面积约为19×104km2，中心强度达-72 ℃，西北-东南向的椭圆形云团，TBB 等值线在MCC云团西北侧和东侧非常密集，在MCC 云团的南部比较稀疏,意味着北部将进一步发展加强。22时，云团MCC东扩加强明显，TBB达-74 ℃，云团已发展为成熟期，-32 ℃ 和-52 ℃ 的云罩面积约为11×104km2、51×104km2，已达到MCC标准，乾县22时1 h降水58.4 mm。23 时，云团面积继续增长，中心强度维持-74 ℃，但范围扩大至最大，说明发展到最强时刻，接近成熟阶段，此时云团长轴线转变为东北-西南向(见图4b)，咸阳23时1 h降水63.4 mm。9日00 时，MCC面积达到最大，-32 ℃ 、-52 ℃ 的云罩面积约18×104km2和17×104km2，中心强度仍为-74 ℃，高陵县00时1 h降水92.1 mm，泾河1 h降水66.0 mm，三原1h降水46.0 mm。01 时，MCC 已明显减弱，-72℃ 以下TBB 范围已经消失，中心强度减小到-71℃，但-32℃ 、-52℃ 的云罩面积并未减小，甚至-52 ℃ 的面积还在增大，但强降水却明显减小，仅有蓝田01时1 h降水31.2 mm。02 时，MCC云团减弱更加明显，尤其是北部云团减弱的特别明显，-62 ℃ 的等值线在秦岭北部消失，只出现在秦岭南部，并且分裂为2 个小中心，表明MCC处于消亡时期，关中地区内已无大于10.0 mm/h的降水。MCC持续长达约8 h。

上述两例MCC云图分析显示， MCC达到最强时，也是强降水的最大时刻，强降水位于TBB 等值线非常密集一侧，随后强降水趋于减弱阶段，这一特征对准确预报、监测和预警该类致灾性暴雨落区、时段是非常有效的。也是提高关中、陕南防灾减灾能力的一个关键措施和手段之一。

6结论与防御提示

陕西的MCC约年均1.4个。陕南占1.1次，陕南基本发生在7月份，关中都在8月份。关中的MCC生成加强在傍晚至凌晨，陕南的MCC多在后半夜生成、加强和成熟，可见陕南MCC生成、发展是陕西关注的重点，这一结论与陕西大暴雨发生的时段一致，值得密切关注。特别是对陕南致洪暴雨的预报、预警及防灾减灾服务具有较强的针对性。

环流特征显示: 陕西的MCC多出现在南压高压的东北侧、副热带高压西北侧边缘偏南暖湿气流区域；对流中低层，甘南—四川东部地区都有低涡或切变配合；地面图上四川东部及陕西南部多为稳定少动的热低压。当冷空气主体在关中地区时，应考虑确定关中地区可能出现MCC；当冷空气主体在甘肃，在甘肃甘南一带南压或南移时，考虑陕南地区可能出现MCC。在这种情形下，就应加强短临预报、预警和云图、雷达及加密雨量实况的实时监测，及时与防汛部门协作互动，为当地防汛部门提供精细化的降水强度和落区预报、预警，采取有效的应对措施、积极防御，以减少人民群众财产损失和人员伤亡。

云图特征显示：陕西MCC以对流单体发展加强形成的居多，这类MCC多出现在陕南强降水过程，具有稳定少动，北伸特征不明显；也有对流云团合并和从冷锋云前部暖区新生对流云团发展加强成的，该类MCC北伸、东移相对明显。强降水多发生在MCC的TBB北侧或东北侧边界的等值线密集区，最大小时降雨量与TBB的最低时段对应较好。对于陕南不少的MCC来讲，在加强发展到最强时刻，其东北边界新生的对流单体云团是陕南强降水的直接造成者，这点值得在今后预报中高度重视。运用上述陕西MCC云图特征可以较准确的确定强降水的落区，能为防汛部门提供科学、准确和及时的短临预报。

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MCC Characteristic Analysis and Studies for Forecast and Disaster Reduction Measures in Shaanxi Province

Hou Jianzhong, Chen Xiaoting, Qiao Jian, Guo Damei and Hu Hao

(ShaanxiMeteorologicalObservatory,Xi’an710015,China)

Abstract:Based on satellite cloud images and conventional observation data, the characteristics of the circulation situation and water vapor transportation of the mesoscale convective complex (MCC) in Shaanxi are analyzed. Results show that: MCC occurred in southern Shaanxi accounts for about 80 percent of Shaanxi province’s total, most of them formed in the evening to morning. 200 hPa has similar circulation situation: all MCC appeared on the northeastern side of the high-pressure southward, in the warm and wet flow region on northwest side of subtropical high pressure; In middle and lower troposphere exist vortex or shear from Gannan to eastern Sichuan; On the ground chart, the hot low pressure in eastern Sichuan and southern Shaanxi is more stable. Cold advection which effect MCC go through eastern part of Gansu intrusion Shaanxi Province, and enhance the baroclinicity of low vortex in middle and lower troposphere and triggered convective；Cloud images feature shows: the majority of MCC formed in Shaanxi are developing and strengthened from convective cell, such MCC appeared in southern Shaanxi heavy rainfall process, with stable and less moving, north extension is not obvious characteristics; Another type of MCC is formed by convection clouds merging, developing and strengthened from new born convective cloud cluster in warm area of cold front cloud, such MCC north extension and move towards east obviously; Cloud Top Brightness Temperature (TBB) displayed: the strong precipitation of MCC in Shaanxi is at the maximum side of the TBB gradient, and the maximum hourly rainfall best matches the time of TBB lowest value. Above features are good reference for the study of the flood and rainstorm forecast, early warning and disaster reduction service in Shaanxi.

Key words:Shaanxi province; MCC; Gannan vortex; high-level anticyclone; surface cold front; TBB; prevention tips

作者简介：侯建忠(1960-),男,陕西澄城人，正研级高级工程师,主要从事陕西天气气候预测、陕西暴雨、台风远距离暴雨研究.E-mail: hhoujianzhong@sina.com，hou-988@sohu.com

基金项目：公益科研专项“西北地区复杂地形下雷暴及短时强降水预报预警关键技术研究”(GYHY201306006);中国气象局预报员专项 (CMAYBY2014-069);陕西省气象局2013年重点科研项目(2013Z-1)

收稿日期：2015-06-23修回日期：2015-08-05

中图分类号：P458；X43

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)01-0128-07

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.024