曹兴，万瑜，胡双全，陆辉，贾健

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐830002；2.吐鲁番地区气象局，新疆吐鲁番838000；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002）

干旱条件下吐鲁番盆地相对湿润指数变化特征分析

曹兴1，万瑜1，胡双全2，陆辉3，贾健1

（1.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐830002；2.吐鲁番地区气象局，新疆吐鲁番838000；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002）

利用干旱条件下的吐鲁番盆地1981—2010年的逐月降水、气温资料，通过Thornthwaite方法计算潜在蒸散量确定气候相对湿润指数，并分析其时空变化特征；同时应用小波分析及Mann-Kendall法，对相对湿润指数进行突变和周期分析，结果表明：近30 a来，降水量呈非显著性的减少趋势，气温增暖趋势明显，倾向率为0.53℃·（10 a）-1；在气候变暖的背景下，潜在蒸散量呈波动增加趋势，空间分布差异显著（P<0.05）；相对湿润指数呈较弱的减小态势，气候总体趋于干旱化，表现为：鄯善最强，吐鲁番次之，托克逊相对较弱；相对湿润指数未出现显著的转折年份和突变时间区域；周期变化表现为较强的对称性，4～5 a的变化周期一致性较好。研究区域内气温升高，降水减少，是导致气候干旱化趋势得以维持和加剧的重要因素。

干旱；吐鲁番；湿润指数；时空变化

近年来在气候异常的背景下，干旱灾害频繁发生，许多学者对中国的干湿状况进行过研究探讨。如杨建平[1]等研究认为20世纪60—70年代中国干湿气候存在一次突变，由较湿润变为干旱，但各地干旱程度不同，干湿气候界限波动与气候的干湿变化具有显著的年代际特征；钱正安等[2]研究认为在所有的气候异常中，干旱发生频率最高；魏凤英[3]等以降水量为主，兼顾底墒及蒸发状况,对华北地区春、夏季干旱指数的变化特征进行了研究；程国栋等[4]、汤奇成等[5]研究表明西北地区呈现干旱化加剧趋势，并与气温持续升高密切相关。李剑锋等[6]、马柱国等[7]分别采用降水指数、地表湿润指数作为干旱指标研究了新疆、北方干旱区的干旱的演变特征。此外，唐小萍等[8]、王升等[9]分别研究了气候变化下雅鲁藏布江中游、黄土高原的潜在蒸散量变化特征。相关人员利用不同的干旱指数对不同区域的干旱特征进行了研究，得出许多有意义的结论，为西北地区气候干旱化的研究提供了参考和借鉴，研究多从宏观角度进行分析，但气候变化具有区域性差异，因此研究小区域气候干旱化及其演变特征同样十分必要。

吐鲁番位于新疆维吾尔自治区天山东部山间盆地，地理位置为41°12′～43°40′N，87°16′～91°55′E之间，海拔-154～4 000 m，地势北高南低，日照充足，热量丰富，无霜期长，大风频繁，气温日较差大，年平均气温13.9℃，年降水量仅有16.4 mm，而蒸发量则高达3 000 mm以上，属典型的大陆性暖温带干旱荒漠气候。近年来，由于干旱条件下吐鲁番盆地气候的干旱化趋势加剧，促进了荒漠化的形成和发展。吐鲁番盆地特殊的地形、地势形成了与周边区域迥然相异的气候。个别学者对该地区气候变化趋势已有一些研究[10-12]，但有关该区域近30 a降水量、气温等气象要素的变化趋势，尤其是对生态环境和工农业生产具有重要指示意义的能综合体现温、湿气候条件和水分收支平衡特征的潜在蒸散量和相对湿润指数的变化，目前还少见研究。因此加强对该盆地气候干湿状况的研究，对应对干旱化加剧态势具有重要的指导意义。

分析吐鲁番盆地的相对湿润指数的时空变化特征，揭示在增暖背景下该盆地气候干旱化的特征及区域差异，将有利于认识气候环境现状与过去的差异，为探索该盆地干旱环境的变化规律、进行未来气候干旱变化研究提供科学基础，以期更好地揭示在气候增暖背景下干旱的区域性差异，为新疆干旱区精细化的区域气候变化研究提供参考。

1 资料来源和方法

1.1 资料来源

选用吐鲁番盆地3个资料序列较长的气象站（吐鲁番、托克逊、鄯善）1981—2010年的逐月降水、气温实测资料。由于盆地区域面积大，站点分布少，为了较好地反映气候干旱空间分布特征，提高空间插值的准确性，增加了该盆地内的库米什、东坎，及邻近的达坂城、尉犁站点数据。其次，根据新疆气象局制定的季节划分标准[13]，分析冬（11—2月）、春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—10月）四个季节的相对湿润指数变化特征。

表1 研究区及邻近测站地理位置及背景气候

1.2 研究方法

（1）综合考虑了降水和温度变化对水分收支的影响，采用相对湿润指数的方法表征气候的干湿程度。根据文献可知,相对湿润指数值越小，表示气候越干旱，反之气候则越湿润，其表达式为[7]：

式中M为相对湿润指数，P为月降水量（mm），Pe为潜在蒸散量（mm），Pe用Thornthwaite方法计算如下：

（2）S/N突变点检验：为检验气候要素转折是否达到气候突变的标准，对各转折年份计算信噪比，公式如下：

（3）变异系数是反映数据离散程度的绝对值[15]，变异系数的计算公式为：

此外还利用线性趋势法对该盆地降水量、气温、潜在蒸散量变化特征进行分析，利用小波分析法判断干旱时间序列的周期性变化特征，以Mann-Kendall法进行突变分析，并进行信噪比S/N的检验，以确定气候突变发生的时间。

2 结果分析

2.1 近30a年降水量变化特征

吐鲁番盆地深居内陆，降水的多寡直接反映气候干旱的程度，是影响相对湿润指数的重要气象因子。由图1可见，1981—2010年吐鲁番盆地各站年降水量的年际变化波动过程总体相似，其中降水相对较多的鄯善站30 a平均降水量为27.6 mm，吐鲁番站15.3 mm，托克逊站最少，仅为8.1 mm，三站的平均为17.0 mm。吐鲁番盆地年降水量稀少，干旱特征明显，且各站降水量年际间变化明显，波动较大。线性趋势分析表明，吐鲁番盆地各站年降水量总体均呈非显著性的减少趋势，降水量较多的鄯善减少趋势相对明显，倾向率为-2.7 mm/10 a（P=0.41），托克逊为-0.4 mm/10 a（P=0.78），吐鲁番为-0.3 mm/10 a（P=0.85）。吐鲁番盆地特殊的地理环境，使得盆地年降水量不仅远低于我国其它区域的降水量，而且较邻近区域的乌鲁木齐、石河子、哈密等地均偏少；吐鲁番盆地各站近30 a来降水量变化趋势与新疆大部分区域呈现较明显的增多[16]趋势相反，气候干旱化趋势进一步加剧，其成因有待进一步探讨。

由图1可知，吐鲁番盆地各站年降水量变化过程较为复杂，数据离散程度较高，经计算得出3站降水量的变异系数分别为：托克逊81.6%，吐鲁番57.6%，鄯善55.6%。据此分析认为在时间序列上年降水量波动过程变化明显，年际间变化较大，其中托克逊站最为显著，年降水量处在低水平的不稳定状态。从图1可分析出，吐鲁番盆地年降水量负距平的年份多于正距平的年份，且负距平的幅度总体小于正距平的幅度。托克逊20世纪80年代前期降水量总体偏少，90年代总体偏多；吐鲁番80年代偏多，90年代偏少；鄯善80年代偏多，90年代偏少，3站在最近10 a均呈偏少态势。各站在30 a中均出现降水突增的年份，托克逊在1994年正距平幅度最大，为215.7%；鄯善在1998年正偏幅178.0%，吐鲁番在1998年正偏幅118.8%；由以上分析可知，在30 a中，吐鲁番盆地年降水量的突增突减的频率较大，但总体呈减少的态势。

2.2 近30a年平均气温变化特征

温度是计算相对湿润指数的一项重要参数，随着全球气候的变暖，吐鲁番盆地气温也呈现增温的趋势（图2），其中吐鲁番1981—2010年的年平均气温最高，为15.1℃，托克逊站次之，为14.5℃，鄯善最低为12.2℃，3站平均为14.0℃，近30 a来各站年平均气温的年际波动变化过程较一致，且总体的变化态势均为“变暖”。这表明全球变暖的大背景和大尺度的天气、气候变化是影响该盆地气温的主要因素。线性趋势分析表明，近30 a来，托克逊、吐鲁番、鄯善气温变化倾向率分别为0.53、0.57、0.50℃/ 10 a（P<0.01），3站平均气温倾向率为0.53℃/10 a，这一研究结果与新疆的气温变化趋势相一致[16]，但显著大于全国近40 a来增温速率0.04℃/10 a，30 a来吐鲁番盆地年平均气温已经升高了1.6℃。

图1 吐鲁番盆地降水量距平的年际趋势变化

图2 吐鲁番盆地各站温度距平的年际趋势变化

由图2可知，在时间序列上1997年之前，各站总体上趋于负距平状态，其中吐鲁番负距平状态明显；随后气温上升趋势增强，由负转正；气温升高主要体现在1997年后，各站气温基本上都处在正距平状态，均值较1997年前升温0.8～1.0℃，吐鲁番升温幅度明显，鄯善最小；对年平均气温的变异系数分析认为，各站的变异系数为4.5%（P<0.05）左右，数据离散程度较小，在时间序列上变化波动性不强，表明各站年平均气温呈现较稳定式的上升趋势，这与该盆地的降水量变化态势存在明显的差异。

2.3 近30a潜在蒸散量变化特征

近30 a来吐鲁番盆地气候发生着明显变化（图1、2），潜在蒸散量也必然会随之发生变化，其变化趋势将直接体现气候干湿状况。对研究区内的3个站点的数据分析认为，各站平均潜在蒸散量变化范围为1 258.6～1 441.2 mm，在空间上分布差异显著（P< 0.05），降水相对偏多，气温相对偏低的鄯善，潜在蒸散量最小，托克逊次之，吐鲁番最大。从图3可知，年潜在蒸散量随时间变化呈波动增加趋势（通过了0.05的信度检验），托克逊变化倾向率最大为37.9 mm/10 a、吐鲁番29.4 mm/10 a，鄯善25.2 mm/10 a （P<0.01），3站平均线性倾向率为30.1 mm/10 a（P< 0.01），30 a来年潜在蒸散量增加了90.3 mm。各站在时间序列上变化趋势较一致，基本上保持同增同减的过程，在20世纪80年代、90年代中前期，表现为一个先减后增的过程，在1985—1992年间为相对稳定的波动过程，90年代后期开始波动的上升态势；在1997年前各站年潜在蒸散量总体低于均值，1997年后年平均气温开始上升，潜在蒸散量由负距平转正，之后随升温作用，年潜在蒸散量增大，高于历年均值；1997年后平均潜在蒸散量较历年值，托克逊增幅8.2%，吐鲁番6.6%，鄯善5.8%。由以上分析可知，在年降水量稀少的吐鲁番盆地，气温的变化与潜在蒸散量关系密切，进一步的分析认为，各站两者相关系数为0.83～0.88（P<0.01），存在极显著的正相关性，气温对潜在蒸散量的变化有着关键性的作用。

图3 吐鲁番盆地各站潜在蒸散量的年际变化

2.4 相对湿润指数空间分布差异

利用各站点的1981—2010年相对湿润指数平均值来表征气候干旱的平均状况，各站的相对湿润指数表现为：托克逊最小为-0.99，吐鲁番次之，为-0.97，鄯善为-0.95，根据国家标准《气象干旱等级GB/T20481-2006》[17]，其等级属于特旱等级。由于吐鲁番盆地特殊的地理环境和地形条件，该盆地处在内陆极端干旱条件下，但在空间分布上存在着一定的区域差别。从数据的空间插值分布（图4）可知，该盆地相对湿润指数总体分布特征为：北部大于南部，西部大于东部；吐鲁番盆地西部、北部为高山，又处在中纬度西风带中，而影响本地的天气系统多为偏西、西北或偏北气流，对盆地而言是背风坡，大部分水汽在山前成云致雨，而气流越山后下沉增温，多以大风为主，较少形成降水[18]，从而导致背风坡的吐鲁番、托克逊相对湿润指数较小，气候相对其它区域偏旱；该盆地南部的库鲁克塔格山几乎终年无降水，地表相对较干，裸露的戈壁下垫面对太阳加热响应迅速，地面蒸发强烈，使得气候干旱化程度强于其它区域。而在盆地中部存在一个相对湿润区，相对湿润指数较大，主要是由于该地为吐鲁番盆地的艾丁湖湖区，下垫面的差异使得吐鲁番盆地中部的气候相对湿润状况较好。

图4 吐鲁番盆地相对湿润指数的空间分布

2.5 相对湿润指数的时间变化特征

2.5.1 年代际变化趋势分析

对吐鲁番盆地相对湿润指数的分析有助于了解气候干旱化状况的地域特征。从近30 a相对湿润指数的时间变化特征来（图5）来看，该盆地各站相对湿润指数均有不同程度的减小，呈较弱的减小态势，气候总体趋于干旱化，这是因为各站气温呈增温趋势，蒸发量增大，而年降水量表现为弱的减少趋势，进一步促使相对湿润指数减小，加剧了气候干旱化态势。在时间序列上，年际间指数变化幅度较大，振幅明显，变异系数表现为鄯善>托克逊>吐鲁番，表明在极端干旱条件下，鄯善的近30 a气候干湿年际变化较大，吐鲁番最小。线性趋势分析表明，鄯善倾向率为0.004/10 a（P=0.32）,气候干旱化趋势加剧；吐鲁番为0.003/10 a（P=0.47），托克逊干旱化态势相对较弱，系数为0.001/10 a（P=0.57）。托克逊、吐鲁番、鄯善相对湿润指数最大值分别出现在1994年、1992年、1996年；各站最小值均出现在1982年，这与1982年降水量偏少，气温相对偏高有关。由相对湿润指数计算公式可知，气温和降水量是影响气候干旱的两个重要指标，该盆地的年平均气温与潜在蒸散量波动变化过程较为一致，且呈现稳定的上升趋势；年降水量总体表现为突增突减的波动性过程，变化过程的稳定性弱于气温，导致该盆地相对湿润指数与气温变化过程不尽一致，过程的波动性增强。如在1982—1986年、1992—1996年阶段中，3测站气温和潜在蒸散量均处在相对低值期，而相对湿润指数最大值出现在1992—1996年间，这是年降水量较1982—1986年间相对偏丰沛所致。在1997年后气温和潜在蒸散量表现为较稳定上升态势，但降水量在1997—2001年间表现为波动性增减过程，相对湿润指数亦呈波动性。在2002年后气温较稳定上升、降水量较稳定下降，两要素共同影响下，使得相对湿润指数表现为较明显的减小趋势。由此可见，相对湿润指数的变化过程受气温、降水量两个要素协同影响，该盆地降水量的年际间不稳定性是影响相对湿润指数波动性变化的主要原因，从而导致相对湿润指数开始减小的时间与气温、潜在蒸散量开始升高（增大）的时间存在差异。对于气温、降水量在干旱条件下对相对湿润指数协同影响机制及贡献度分析有待进一步研究。

图5 吐鲁番盆地各站相对湿润指数时间变化特征

从年代上分析，吐鲁番盆地各站相对湿润指数经历了先升后降的变化，即气候由相对干旱到相对湿润，随后又转为干旱加剧的过程。吐鲁番盆地在20世纪90年代气候相对80年代略湿润，进入21世纪前10 a中，相对湿润指数减小趋势最为显著，年降水量多呈负距平状态，气温上升明显，进一步增加了降水偏少对相对湿润指数的贡献，气候干旱化态势进一步加剧。程国栋、汤奇成等的研究表明，由于受升温幅度较大的影响，西北总体呈现干旱化进一步加剧趋势。这说明，吐鲁番盆地气候变干趋势与区域大背景气候变暖有关。单从温度变化对蒸发的影响来考虑,气温升高将使蒸发潜力增大,不利于地表水分的保持,将成为引起和加剧干旱及干旱化趋势的一个重要因素。

2.5.2 季节变化趋势分析

从表2可以看出，吐鲁番盆地相对湿润指数季节性差异。总体而言，各个季节均处在气候特旱的条件下，但各站在不同季节亦存在一定的差异。托克逊各个季节的相对湿润指数较其它站点偏小，气候干旱；其全年相对湿润指数最小，为-0.99，吐鲁番次之，鄯善最大，气候干旱程度相对较轻。盆地平均相对湿润指数接近-0.98，季节表现为秋季>春季>夏季，这是因为降水量主要集中在夏季，但夏季平均气温高达30.1℃，在干旱气候条件下，降水稀少，较大程度上减弱了降水量对相对湿润指数的贡献；而秋季降水量相对较多，气温较低，气候干旱状况相对较好。从表2可知，吐鲁番盆地各站不同季节的相对湿润指数标准差较小，这是与各站均处在相同的气候干旱大背景下，相对湿润指数处在低水平的差异上。由各季节的趋势系数变化可知，托克逊春、秋季呈弱的负趋势，夏季呈正趋势；而吐鲁番各个季节均呈弱的负趋势；鄯善秋季呈负趋势，春、夏季表现为弱的向气候湿润发展的趋势。由于冬季研究区月平均气温低于0℃，根据文献可用降水量来表征气候干湿状况，托克逊冬季年平均降水量最少，仅为0.72 mm，吐鲁番次之，鄯善最多，为3.4 mm；对冬季降水量变化趋势分析得出，托克逊呈负趋势，趋势系数为-0.11 mm/10 a，吐鲁番、鄯善均呈正的增加趋势，分别为0.40、1.1 mm/10 a。由以上分析可知，该盆地全年总体均呈负态势，这与近30 a来该盆地气温升高使得蒸发潜力增大,不利于地表水分的保持,且降水维持一个弱的负增长趋势，导致气候干旱化趋势得以维持和加剧。

表2 吐鲁番盆地各站相对湿润指数季节变化特征

图6 吐鲁番盆地相对湿润指数Mann-Kendall突变检验

2.5.3 湿润指数的突变特征

为了分析吐鲁番盆地的气候干旱趋势的突变特征，计算3站的相对湿润指数的平均值，利用Mann-Kendall突变检验法来分析其突变点[19]，显著性水平0.05（Uα=±1.96）（图6）。图中UF为按时间顺序计算出的统计量序列，UB为逆时间的统计量序列。若UF>0，则表明序列呈上升趋势，UF<0则表明下降趋势；当超过临界值时，表明上升或下降趋势显著；超过临界线的范围为出现突变的时间区域；若UF和UB相交在临界线内，交点为突变开始时间。结果表明，近30 a来，UF曲线总体表现为先升后降的过程，但未超过临界线，未出现显著性的突变年份。在20世纪80年代中前期始终维持在y=0线以下，表现为波动的下降趋势；对应的时期内，气温偏低，下垫面蒸散小，且降水量低于均值，气候干旱化加剧；80年代后期至2004年UF>0，表明相对湿润指数呈上升趋势，气候偏湿润态势，且这种态势维持了18 a；进入21世纪气温较30 a均值上升0.5℃，降水量较均值减少了1.3 mm，UF上升趋势开始减缓，并在2004年由正转负，气候干旱化趋势加剧。在1982年、2006年，出现UF与UB相交点；通过信噪比检验，其S/N<1，未发生明显的突变，交点的形成可能为降水量的年际间的波动造成的。

2.5.4 湿润指数的周期变化

图7 吐鲁番盆地相对湿润指数连续小波周期分析

近年来小波周期分析法在气候变化研究中得到越来越广泛的应用，为了探讨干旱条件下的吐鲁番盆地相对湿润指数的年际周期振荡特征，利用各站相对湿润指数的平均值来计算Morlet复小波系数的实部，频率取样起始值设定为0，取样周期为1，最大尺度为16（图7）。研究表明，近30 a来盆地相对湿润指数的周期变化表现为较强的对称性，在时间序列上，存在一个4～5 a的相对高频振荡周期。在80年代前期，存在一个3 a的短周期变化，随着时间的后延，振幅明显加大，振荡周期增长至4～5a；并在1997年前后，还表现为8～9 a大振幅振荡准周期；随后大周期振荡趋于减弱，周期开始变短。从图中可以看出，在整个序列中还存在一个16 a左右的大周期，但该研究中时间序列有限，对于16 a的大周期分析准确性较差；进一步的小波方差分析表明，16 a周期变化特征远弱于4～5 a。以上分析表明，吐鲁番盆地气候不同时段内存在多个振荡周期，但4～5 a的变化周期一致性较好。

3 结论与讨论

（1）降水量和气温是相对湿润指数变化的主要因子，吐鲁番盆地降水量稀少，总体呈非显著性的减少趋势，鄯善减少态势相对明显，倾向率为-2.7 mm/ 10 a，托克逊次之，吐鲁番最小；气温表现为增温的趋势，1997年后升温趋势显著，平均气温倾向率为0.53℃/10 a。

（2）吐鲁番盆地年平均潜在蒸散量为1 258.6～1 441.2 mm，空间上分布差异显著（P<0.05），吐鲁番最大，托克逊次之，鄯善为相对较小；在气候变暖的背景下，潜在蒸散量呈波动增加趋势。

（3）近30 a吐鲁番盆地相对湿润指数呈较弱的减小态势，气候总体趋于干旱化，表现为：鄯善最强，吐鲁番次之，托克逊相对较弱；相对湿润指数不同季节存在一定的差异，但总体表现为秋季>春季>夏季，盆地气温升高，降水减少，导致气候干旱化趋势得以维持和加剧。

（4）突变检验和周期分析表明，相对湿润指数未出现显著的转折年份和突变时间区域；周期变化表现为较强的对称性，气候不同时段内存在多个振荡周期，但4～5 a的变化周期一致性较好。

气候干旱化是一个复杂的问题，其中涉及许多气候因子及之间的复杂的相互作用。从大尺度背景来看，增暖将有利于某些地区降水量的增加[14]，在这种条件下，需要综合分析地表水分收支各分量的变化；但对于降水量减少、温度升高的区域，分析相对简单，即温度的升高将使干旱化趋势加剧和维持。有研究认为在我国西北东部等地区,温度的升高将是当前干旱化趋势维持和加剧的一个重要的因素。对吐鲁番盆地的研究认为，在新疆大部分区域表现为暖湿化的过程中[20-21]，该盆地却表现为气温升高、降水减少的趋势，使得干旱化进一步加剧，与相关研究结论相一致，但其气候变化过程与区域背景的差异，本文尚未深入分析。此外研究区域面积大，站点少，时间序列较短，对气候干旱的空间分布及时间序列的分析有所制约，对其气候变化区域性特征、差异原因和预测等方面的分析研究需继续深入。

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Variation of Relative Moisture Index in Turpan Basin Under Arid Condition

CAO Xing1，WAN Yu1，HU Shuangquan2，LU Hui3，JIA Jian1
（1.Urumqi Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Turpan Meteorological Administration，Turpan 838000，China；3.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China）

The relative moisture index was calculated with the potential evaporation by using Thornthwaite method,which was based on the monthly temperature and precipitation data at Turpan basin during 1981-2010.The relative moisture index changes were studied by using Mann-Kendall and Morlet wavelet method.The results showed that precipitation had a non-remarkablely decrease tendency,but the rising of temperature was obvious,and the increasing rate of that was 0.53℃· （10a）-1；potential evapotranspiration had an ascent trend that was wave-like increases with a significant difference in spatial distribution（P<0.05）under the background of global warming. Further analysis indicated that the relative moisture index had a weak decreases and the climate tended to arid which presented Shan-shan as the most arid，followed by Turpan and Tuksun.In a considerable degree,it reflected that 4～5 years of oscillatory cycle had obvious consistency oscillations and no catastrophe for that.The analyses showed that temperature rising and precipitation decreasing were important factors for the maintenance and aggravation of arid climate.

arid；Turpan；moisture index；spatial and temporal variation

P467

B

1002-0799（2013）06-0042-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.007

2013-04-07；

2013-06-01

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（IDM201201），新疆维吾尔自治区气象局青年基金项目（201132）共同资助。

曹兴（1984-），男，工程师，主要从事气候环境变化及农业气象工作。E-mail：cxidm@163.com