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第12章高空气压、温度和湿度的测量
我国古代的读书人,从上学之日起,就日诵不辍,一般在几年内就能识记几千个汉字,熟记几百篇文章,写出的诗文也是字斟句酌,琅琅上口,成为满腹经纶的文人。
为什么在现代化教学的今天,我们念了十几年书的高中毕业生甚至大学生,竟提起作文就头疼,写不出像样的文章呢?
吕叔湘先生早在1978年就尖锐地提出:
“中小学语文教学效果差,中学语文毕业生语文水平低,……十几年上课总时数是9160课时,语文是2749课时,恰好是30%,十年的时间,二千七百多课时,用来学本国语文,却是大多数不过关,岂非咄咄怪事!
”寻根究底,其主要原因就是腹中无物。
特别是写议论文,初中水平以上的学生都知道议论文的“三要素”是论点、论据、论证,也通晓议论文的基本结构:
提出问题――分析问题――解决问题,但真正动起笔来就犯难了。
知道“是这样”,就是讲不出“为什么”。
根本原因还是无“米”下“锅”。
于是便翻开作文集锦之类的书大段抄起来,抄人家的名言警句,抄人家的事例,不参考作文书就很难写出像样的文章。
所以,词汇贫乏、内容空洞、千篇一律便成了中学生作文的通病。
要解决这个问题,不能单在布局谋篇等写作技方面下功夫,必须认识到“死记硬背”的重要性,让学生积累足够的“米”。
12.1概述
课本、报刊杂志中的成语、名言警句等俯首皆是,但学生写作文运用到文章中的甚少,即使运用也很难做到恰如其分。
为什么?
还是没有彻底“记死”的缘故。
要解决这个问题,方法很简单,每天花3-5分钟左右的时间记一条成语、一则名言警句即可。
可以写在后黑板的“积累专栏”上每日一换,可以在每天课前的3分钟让学生轮流讲解,也可让学生个人搜集,每天往笔记本上抄写,教师定期检查等等。
这样,一年就可记300多条成语、300多则名言警句,日积月累,终究会成为一笔不小的财富。
这些成语典故“贮藏”在学生脑中,自然会出口成章,写作时便会随心所欲地“提取”出来,使文章增色添辉。
12.1.1定义
一般说来,“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。
杨士勋(唐初学者,四门博士)《春秋谷梁传疏》曰:
“师者教人以不及,故谓师为师资也”。
这儿的“师资”,其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。
《韩非子》也有云:
“今有不才之子……师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。
这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形,但仍说不上是名副其实的“教师”,因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。
下列定义源自WMO(1981;1992),均与使用无线电探空仪进行高空测量有关。
无线电探空仪(Radiosonde):
由气球携带的仪器,装备有用于测量一个或几个气象变量(气压、温度、湿度等)的传感器穿过大气并借助无线电发射机将探测讯号传送给观测站。
无线电探空观测(Radiosondeobservation):
通过无线电探空仪在上空大气中观测气象变量,这些变量通常是气压、温度和湿度。
注:
无线电探空仪可系于一气球下升空或从飞机、火箭上下投(下投探空仪)。
无线电探空站(Radiosondestation):
采用电子学方法观测高空的气压、温度和湿度的测站。
高空观测(Upperairobservation):
在自由大气中以直接或间接方式进行的气象观测。
高空站、高空天气站、探空站(Upperairstation,upperairsynopticstation,aerologicalstation):
进行高空观测的地面站。
探空(Sounding):
通过由气球、飞机、风筝、滑翔机等携带的仪器测定一个或几个高空气象变量。
本章主要论述无线电探空仪系统。
采用特殊的平台,特殊的设备进行探测,或通过遥感方法进行的间接探测,将在本指南第Ⅱ编有关章中讨论。
无线电探空系统通常用于探测气压、温度和相对湿度。
在大多数业务台站,无线电探空仪器系统也用于高空风探测(见第13章)。
另外有些无线电探空随同大气成分,如臭氧浓度或放射性物质的感应系统一起飞升。
这些附加的探测项目本章不涉及。
12.1.2高空探测中使用的单位
无线电探空仪观测使用的气象变量的测量单位分别是气压用百帕,气温用摄氏度以及相对湿度用百分数。
相对湿度采用水面上的饱和水汽压的百分数,即使在温度低于0℃也是这样。
在高空观测中使用的位势高度单位是标准位势米,定义为0.980665动力米。
在对流层中,位势高度近似等于以米表示的几何高度。
在无线电探空计算中必须采用WMO选定的物理函数和常数的值(WMO,1988b)。
12.1.3气象要求
12.1.3.1用于气象业务的无线电探空资料
温度和相对湿度的高空探测是作为业务天气预报的数值天气预报模式分析初始化中使用的两个基本测量值。
陆地上施放的无线电探空仪提供几乎是实地的温度和相对湿度测量值,而从海洋中远处的岛屿或船舶上施放的无线电探空仪所提供的测值只能覆盖有限洋面。
类似于无线电探空仪的温度垂直分辨率可以由飞机在爬升、下降或不同巡航高度飞行时观测获得,飞机观测通常作为无线电探空仪观测的补充,尤其是对海洋上空。
温度和水汽分布的卫星观测结果的垂直分辨率低于无线电探空仪或飞机观测。
卫星观测在海洋上空和全球那些探空仪和飞机观测结果稀少或缺乏的地区对数值天气预报分析具有重要作用。
温度和水汽场的垂直结构的准确测量,对各种类型的天气预报,特别是区域性和局地性天气预报是极端重要的。
这些测量结果可以指示垂直方向存在的云或雾层的结构,进而温度和水汽场的垂直结构决定了大气的稳定度,从而可预报云量和云状。
有关此类垂直结构的无线电探空仪观测结果的准确度能充分满足大多数用户的要求,但是在云中无线电探空仪对高湿条件下相对湿度产生负的系统误差,假如这种误差不能补偿,则会在数值天气预报分析中产生问题。
对环境污染研究(例如判别大气边界层的厚度)来说,温度和相对湿度垂直结构的高分辨率测量结果是很重要的。
为了预报大气对电磁辐射和声波传播的折射效应,垂直方向的高分辨率也是必需具备的。
民用航空、炮兵和其它弹道学应用,诸如空间飞行器的发射都对给定的不同气压的空气密度(根据无线电探空的温度和相对湿度测量结果导得)测量结果有相应的业务要求。
无线电探空观测结果对高空气候变化的研究是必需的。
因此保存该系统用于各个时期测量的、充分的记录以及相应设备使用的操作或修正程序的变更的全部记录是很重要的。
为了了解事物的来龙去脉,必须建立自从无线电探空仪作为固定观测项目以来,有关无线电探空仪器和观测实施的历史沿革(参阅例如WMO,1993a)。
基于无线电探空仪探测结果的气候研究对无线电探空仪探测结果的系统误差的稳定性的要求极高。
但是在早期的无线电探空仪中有些气象变量,特别是相对湿度和气压的探测结果中的误差实在太高,对无线电探空观测提供的所有高度上的资料不能作为长时期的参照。
因此必须对无线电探空仪的设计不断地进行改进和变革。
而且假如必须广泛地连续使用无线电探空仪进行探测,气象业务方面的经费限制也要求可供消耗的无线电探空仪能维持比较低廉的价格。
因此,考虑到无线电探空仪必须在非常宽的气象条件范围下正常地工作:
气压从1050至5hPa
温度从50至―90℃
相对湿度从1%至100%
而且该系统还必须在大雨、雷暴附近和强积冰的条件下,仍能保持连续地、可靠地工作,这就要求用户对系统测量准确度的要求和无线电探空仪生产厂家对仪器的上述性能之间不得不达成某些妥协。
12.1.3.2卫星和无线电探空仪高空探测结果之间的关系
卫星探测系统不能像无线电探空仪或飞机探测系统那样对大气垂直结构的探测具有相同的准确度和可信度。
当前的卫星对温度和水汽的探测系统,常采用观测来自二氧化碳或水汽在红外发射的向上辐射,或者氧或水汽在微波频段发射的向上辐射(见第Ⅱ编第8章),经由卫星频道观测的辐射是由大气中一定高度范围内的大气辐射组成的,此范围取决于在相应频段处垂直方向发射气体的分布和大气吸收。
卫星温度频段接收的大多数辐射来自接近于至少10km厚气层的平均气层温度,观测的温度频道的辐射的高度分布(权重函数)将在一定程度上随地理位置而变化。
这是因为大气的辐射传输性质稍微与其温度有关。
发射气体的浓度也稍微与地理位置和云有关,气溶胶和火山灰也会改变辐射热交换。
因此,基本的卫星温度探测的观测结果提供了在垂直方向相当厚气层的较好的水平分辨率和全球范围的空间覆盖,但是在任意给定地理位置的上空,难于详细测定所探测的垂直方向大气发射的准确分布。
在对流层中,卫星水汽频段观测到的大多数辐射源自4或5km厚的大气层次。
大气层中气压对所观测的辐射的贡献,相应于水汽频段随位置变化的程度远大于相应的温度频段。
这是因为观测气层厚度和中心气压强烈地取决于其中垂直方向的水汽分布。
例如当对流层上层很干燥时,在给定的水汽频段,所观测的层次将是最低的。
水汽频段所观测的辐射决定于水汽的温度,故垂直方向的水汽分布只有在具有合适的垂直温度结构的情况下才能导出。
故此为了在数值天气预报模式使用卫星探测信息,必须配合其它观测系统,主要是无线电探空仪和飞机探测的信息。
在一给定位置这种信息可包含在对其垂直结构的初值估算中,从预报模式场导出或通过基于无线电探空测量结果的地理位置或气团类型的典型值找出其可能的垂直结构分类。
另外无线电探空仪测量结果可用于对不同卫星观测值,或同一给定卫星频段不同视角的观测值的交叉参照。
此类比对可直接参照无线电探空观测结果或通过无线电探空观测结果对数值预报场的垂直结构的影响间接地进行。
因而,无线电探空仪和卫星探测系统是互为补充的两个观测系统。
当一并使用时可以作为更可信的全球观测系统。
12.1.3.3无线电探空仪探测的最大高度
无线电探空仪观测通常要求测量高度约达35km。
但是世界范围内许多探空观测的高度达不到25km以上,因为探空仪向上升至最低气压必须使用较高价格的气球和气体。
在许多无线电探空系统中,温度误差在低气压下迅速增大,故有些通用的无线电探空系统不适合在低气压条件下进行观测。
在飞升中由于传感器受污染问题以及在低温和低气压下传感器反应时间常数太长,都限制了无线电探空仪对对流层相对湿度测量的可用性。
12.1.3.4准确度要求
本节和下一节概述无线电探空仪的准确度要求,并将它们同业务性能进行比较。
有关性能和误差源的详细讨论放在后面几节。
无线电探空仪观测结果的准确度要求已综合成表,列于第一章附录1.C中*,附录12A是对这些要求较详细的实用解说,用于指导日常的操作。
WMO(1970)对仪器系统的性能考虑进行了非常有用的探讨,并已应用于有关系统设计参考。
这些性能都是以观测到的大气变动特征为基础的,有两种限制定义为:
(a)为了各种目的提出超过性能限制的改进措施是不必要的;
(b)为了各种目的低于性能限制,其所获得的资料缺乏任何价值。
对高空风和无线电探空仪的温度、相对湿度和位势高度的测量结果,由WMO(1970)中导出的性能限制列于附录12B的表1至表4。
12.1.3.5温度:
要求和性能
最现代的无线电探空仪系统测量对流层中的温度,其标准误差在0.2和0.5K之间,这种性能通常限于附录12B表2中建议的最佳性能的3倍以内。
不幸的是在热带地区有些无线电探空仪站网仍发现标准误差大于1K的情况。
这些探空站的测量结果已位于附录12B的表2中的性能低限之外,即属于上述缺乏任何价值的一类,可不作考虑。
在气压高于30hPa的平流层中的一些高度上,最现代的无线电探空仪的测量准确度类似于在对流层中的测量准确度。
因此在平流层的这些层次,无线电探空仪的测量误差大约是最佳性能限的2倍。
在气压低于30hPa的各层,对很多类型的无线电探空仪来说,其误差将随气压减低而迅速增大,以致在有关情况下误差增至上述规定的不能再有用的一类。
这种在很低气压条件下无线电探空仪温度测量误差迅速递增,起因于红外辐射和太阳辐射随高度增加而引起温度测量误差以及由温度测量结果而引起的高度误差的迅速增加。
在很低的气压层,即使无线电探空仪中气压测量的相对误差很小,仍将产生大的高度误差,从而影响所报告的温度有大的误差(参见12.1.3.7节)。
12.1.3.6相对湿度
现代无线电探空仪的相对湿度测量结果的误差,至少是附录12B表3中对流边界层以上的对流层建议的对较高相对湿度最佳性能限的2到3倍。
而且无线电探空仪相对湿度测量结果的误差随温度降低而增加。
对有些类型的湿度传感器来说当温度低于―40℃时,其测量结果可超出上述提出的无任何价值的性能限制。
12.1.3.7位势高度
位势高度的误差取决于无线电探空仪的观测结果,不同于按规定的气压层高度或给定的大气温度或相对湿度结构转折点的高度,如对流层顶。
在探空仪飞升中在给定时间位势高度的误差,
(12.1)
其中
是地面气压;
在时间
的真实气压,
是探空仪在时间
时表示的实测气压;
和
分别表示探空仪温度和气压测量中的误差,并作为气压的函数,
是在气压P处的虚温,R和g分别是由WMO(1988b)给定的气体常数和重力加速度值。
对规定的标准气压层,
在高度计算中积分上限的气压不涉及探空仪气压误差,因而在标准气压层位势高度误差就化为
(12.2)
表12.1表示典型大气层中因无线电探空仪传感器误差引起的位势高度误差。
由表可见给定气压的位势高度值可以探测得非常好,方便于规定等压面的天气分析和数值分析。
但是在特性层高度,如对流层顶和其它转折点以及在标准层之间可以计算的层次,可出现大的误差。
表12.1位势高度的误差(m)
(对给定的温度和气压误差,在规定层或其附近标准层
和特性层
的典型误差值,在北半球和南半球各纬度误差值类同)
300hPa
100hPa
30hPa
10hPa
温度误差
,气压误差
标准层和特性层
9
17
26
34
温度误差
,气压误差
25°N
标准层
特性层
3
27
12
72
–2
211
–24
650
50°N夏季
标准层
特性层
3
26
5
72
1
223
–20
680
50°N冬季
标准层
特性层
3
26
5
70
6
213
–4
625
在平流层中大的高度误差归因于气压传感器2—3hPa的测量误差,而且在热带进行的常规测量结果中,高度误差最大,因为在热带的平流层中垂直方向的温度梯度常常很明显。
平流层中臭氧浓度在垂直方向也有明显的梯度,相应的高度误差将引起所有纬度上空臭氧探空仪探测报告中的明显误差。
在天气观测站网中有关等压面高度以最佳性能要求,如附录12B表4所示,取代了对无线电探空仪测量准确度的极端严格的要求。
例如对最现代的无线电探空仪来说,假如其高度误差在对流层中只高于最佳性能的5倍,在平流层中只高于最佳性能一个数量级,则该无线电探空仪的测量性能就属于相当好的。
12.1.4探测方法
本节在一般意义上讨论无线电探空仪的探测方法,在其后的几节中详述仪器使用和探测程序。
12.1.4.1无线电探空仪设计方面的制约
在设计无线电探空仪时必须达成某种协调折衷。
当把传感器无保护地暴露于无线电探空仪顶部上端时,发现温度测量结果是最可靠的,但是这样也导致直接暴露于太阳辐射之下。
在最现代的无线电探空仪中,应用蒙皮加于温度传感器上以使辐射加热作用减到最小,随后在资料处理中还应用软件修正残存的太阳加热作用。
已证明这种装配温度传感器的方法在实践中要比把温度传感器装配在保护通风管中更可靠。
几乎所有的相对湿度传感器都要求保护不受雨淋。
装置的保护外罩或通风管也会成为一个污染源,但是在实践中发现保护相对湿度传感器不受雨或冰的影响,通常要比把它完全暴露于环境空气中更重要。
气压传感器一般装配在内层,以使其在飞升中经受的温度变化最小,也避免与温度和相对湿度传感器的外露要求相冲突。
在无线电探空仪设计中的其它重要的特性要求是可靠性、坚固性、重量小和体积小。
为了使得无线电探空仪传感器具有较高的采样速率,采用便捷的现代多路传输电子电路也很重要。
若有可能这种速率应高于每2s一次,相应于垂直方向最小取样分离10m距离。
由于无线电探空仪通常只一次使用,或使用不超过几次,故其设计应为低值批量生产,而且对其易于进行校准并具有校准稳定性是很重要的,因为无线电探空仪常常必须能储存较长时间(超过一年)备用。
无线电探空仪应具有传输清晰的讯号达斜距至少200km的地面接收站的功能。
由于无线电探空仪电池的电压随时间和温度而改变,因而无线电探空仪必须设计得能适应电池的变化而不影响其探测准确度或无线电传输频率,不致出现不可接受的漂移。
12.1.4.2无线电探空仪使用的无线电频率
大多数无线电探空仪的无线电传输,广泛采用的频率谱带列如表12.2所示。
它们相应于由国际电信联盟无线电管理(ITU-R)分配的气象设备频带。
表12.2在气象设备频带中无线电探空仪使用的主要频率
无线电频带(MHz)
状况
ITU区域
–5.85
一次的
所有各区
–31.6
一次的
所有各区
注:
在俄罗斯运作的大多数生产和使用的雷达系统的无线电频带中心位于1780MHz。
在给定位置对无线电探空仪操作的无线电频率的实际选择决定于各种因子。
在高空强风常出现的站点。
无线电探空仪的斜距通常很大,而气球高度常很低。
在这种情况下,正常选择使用400MHz频带,因为在400MHz比1680MHz对从无线电探空仪至地面系统比较容易实现较好的通讯联系。
当高空风不很强时,平均来说,频率的选择通常决定于所采用的高空风探测方法(见第13章)。
当选择导航测风设备(NAVAID)进行探测时,采用400MHZ,当选择无线电经纬仪进行探测时,采用1680MHz。
表12.2中所列的频带是同其它部门协同的基础上分配的。
在有些国家的国家无线电通讯管理部门也把部分频带分配给其它用户,并非全部均可用于无线电探空仪探测。
在另一些国家探空站网较密,使用大量的无线电探空仪系统,其对每次无线电探空仪施放所占用的无线电频带宽度和频率漂移均有严格的规定。
任何组织打算施放无线电探空仪,均应检验所用的无线电频率是否适用,而且也应校核不能干扰国家气象部门正常运行的无线电探空仪的探测工作。
当前受政府无线电通讯部门支持的为改进无线电频率的使用效率,正面临着强烈的制约,因而无线电探空仪的运作未来将不得不与更大范围的用户分享规定的频带。
占据大多数可用的气象设备频带谱的宽带无线电探空仪系统,在许多国家将变得行不通了。
若建议在气象设备频带内把卫星在高处或在低处连接至商用资料收集或伺服系统可被接收的情况下,则宽带无线电探空仪系统的运作将在全世界范围内变得行不通了。
因此在大多数国家都应准备为了避免无线电探空仪受到干扰,其发射机和接收机将只能在频带宽远小于1MHz条件下工作。
发射机的稳定性在具有较密无线电探空仪站网的国家必须等于±5kHz,而在其余大多数国家也不能比±300kHz更差。
国家气象服务系统需保持与国家无线电通讯部门的联系,以维持合适的无线电频率分配额,并保证其运作不受干扰。
无线电探空仪的运作,也要求避免干扰资料收集平台(DCP)发射至气象卫星位于401和403MHz之间,来自气象卫星在低处连接位于1690和1700MHz之间和对气象卫星在有限站网位于1670和1690MHz之间两者的指挥以及资料获取(CDA)的运作,当然也要避免后者对无线电探空仪发射的干扰。
12.2无线电探空仪的电子设备
12.2.1一般特征
基本的无线电探空仪设计通常包含3个主要部分:
(a)传感器加上参考器;
(b)电子转换器,用以把传感器和参考器的输出转换为电讯号;
(c)无线电发射机。
在无线电探空测风仪系统(见第13章)中,还配有无线电导航讯号接收和再发射的电子设备,或用于二次雷达的发射机回答器。
无线电探空仪通常要求测量不止一个气象变量。
参考讯号用于补偿传感器输出和发射测距讯号之间转换的不稳定性。
因此在一个预定循环中,要求在各种传感器和参考器之间起开关作用的顺序。
最现代的无线电探空仪采用在典型的一次测量循环时段1和2s内以高速运作的电子开关。
这种取样速率使得在正常上升速率下在高度间隔5和10m之间能取得所有气象变量的样本。
12.2.2无线电探空仪的功率供给
理想的无线电探空仪的电池应具有充足的容量,在温度15℃条件下长达3小时提供所要求的电流,且输出电压不能低于所要求值的5%以上。
而当温度从15℃降至–10℃时,输出电压不应降至低于所要求值的10%以上。
电池应在适用条件下尽可能轻些,并应具有长的储存期。
在其使用后仍具有对环境的安全性。
然而许多现代无线电探空仪已开发在施放期间具有对输出电压较大变化的忍耐力的型号。
因此常使用两种类型的电池,即干电池型和浸水活化型电池。
干电池具有价格低廉,应用广泛的优点,因为它是遍及全球的大批量生产。
但是也具有有限的货架寿命和相对较重的缺点。
在释放电量期间其输出电压的变化比浸水活化电池要大,近年来含锂的干电池还遇到一些储存方面的问题。
浸水活化电池常采用氯化亚铜和硫的混合物,它比干电池轻且能储存较长时间,它们在释放电能期间的电压变化远小于干电池型。
在浸水活化型电池中的化学变化产生内熟,可以缩减热绝缘的需求并有助于稳定施放期间无线电探空仪电子设备的温度。
这类电池不能为满足其他用户而大规模生产,因此常由无线电探空仪生产厂家直接生产。
12.2.3资料传输的方法
12.2.3.1无线电发射机
有各种各样设计的发射机在使用。
固体电路主要用于上限至400MHz,电子管(空腔)振荡器工作在1680MHz。
有些发射机设计采用晶体稳频控制,以保证探测中好的频率稳定性。
当无线电探空仪运作要求较频繁地与其它服务共同使用同一频带时,好的频率稳定性在施放前地面上手持阶段和施放后飞升阶段都变得比较重要。
在400MHz最常用的无线电探空仪类型所具有的发射功率输出约250mW,而在1680MHz,最常用的无线电探空仪类型所具有的发射功率输出约330mW。
发射机的调制随无线电探空仪类型而改变,在以下几节对此作一简要说明。
12.2.3.2变声频型
在这种无线电探空仪中,发射机采用一固定射频讯号,它受一随无线电探空仪传感器和参考器的输出而变化的声频讯号的调制,这种声频调制易被各种传感器控制的电阻、电容或电感来实现。
在许多系统中,附加的参考输入加至多路传输周波上,从而能检测声频调制的稳定性。
在已采用奥米伽导航测风的普通无线电探空仪系统中,使用的讯号频率的声频范围位于7和10kHz之间。
来自基本的气压、温度和相对湿度传感器的调制,具有避开使用再发射奥米伽讯号(10.2kHz,13.6kHz)调制干扰的优点。
进而气压、温度和湿度(PTU)的调制不会产生引起奥米伽讯号讹误的谐波。
采用可变声频型调制的地面系统,要求一个用于规定的无线电探空仪类型的译码系统。
它能识别无线电探空仪的取样周波,并应用无线电探空仪校准信息来计算气象变量。
当由此类无线电探空仪把声频讯号馈入喇叭时,探空仪取样周波产生一可识别的声讯号,能用于监控探空仪飞升期间的通讯质量。
12.2.3.3电码型
在一些国家的站网业务中,仍采用较老的无线电探空仪设计,它将气象传感器的输出转换成莫尔斯电码型讯号。
这种转换是通过每个传感器驱动的接触臂移过一旋转的扇形片或圆盘来实现的,此扇形片或圆盘的运动,当每次与臂接触时产生相应的脉冲电码。
在许多现代无线电探空仪设计中,气象传感器的输出,通过一半导体振荡器或一模拟—数字转化器同仪器内的微处理器连接,此微处理器把传感器的输出转换成数字码,于是通过一调制解调器(例如频率漂移键控作用),将数字信息馈入无线电发射机。
控制比特可加上以便通过接收设备监控传输资料的完整性。
具有这种类型的传输方式,通讯联系比起变声频型调制可在较低信—噪比水平下进行运作。
因此使用2进制
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