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1971—2014年广西桂平市地面气候要素变化特征分析

2017-01-09程清平

关键词:最低气温日照时数平均气温

王 宇,程清平

(1.广西天峨气象局,广西 天峨 5473001; 2.福建师范大学 地理科学学院,福建 福州 350007)



1971—2014年广西桂平市地面气候要素变化特征分析

王 宇1,程清平2

(1.广西天峨气象局,广西 天峨 5473001; 2.福建师范大学 地理科学学院,福建 福州 350007)

根据桂平市地面气象站1971—2014年气温、降水量、日照时数等资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检测、Morle小波分析等方法分析了近45年来桂平市气候要素变化特征。结果表明:(1)年极端最高气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年平均气温均呈显著的上升趋势,年平均相对湿度呈显著的减少趋势,年降水量、年平均风速呈不显著增大趋势,年日照时数呈不显著的减少趋势;(2)年极端最高气温、年极端最低气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年平均气温、年降水量、年相对湿度、年日照时数和年平均风速分别存在19年、 22年、20年、4年、10年、16年、19年、17年、32年的主周期变化;(3)年极端最高气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年平均气温、年平均相对湿度均通过0.05的显著性水平检验,显著突变点分别为1995年、1998年、1997年、1993年、1992年,其余要素突变特征不显著;(4)R/S分析表明未来各气候要素将与过去变化趋势保持一致,呈持续性变化。

桂平市;气候要素;变化特征;分析

气候变化问题一直是人类普遍关心的问题。IPCC第5次评估报告指出:从1983年到2012年这30年可能是北半球自1400年以来最热的30年。1880—2012年全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势,升高了0.85 ℃,2003—2012年年平均气温比1850—1900年年平均气温上升了0.78 ℃[1]。随着全球气候变暖,各气候要素相应发生了变化,这引起了国外和中国学者的普遍关注,并对各气候要素做了研究,Gruza等[2]对俄罗斯1886—1996年气候变化研究发现年极端最高温日数显著增加。Easterling等[3]对美国东北部与Plummer等[4]对澳大利亚和新西兰研究具有一致性的结果,即研究区域年极端最低温日数呈显著减少趋势。Río[5]等对西班牙1961—2006年年平均最高和最低气温研究表明,西班牙90%的地区以0.3 ℃/10a的倾向率呈显著的上升趋势,年平均最高温比年平均最低温上升明显。国内一些学者对我国年极端最高和最低气温[6-8]、年平均最高和最低气温[6,9]、年平均气温[10]和年降水量[11]、年日照时数[12]等的研究也发现各气候要素发生了不同程度的变化,以上国内外学者从大尺度区域对气候变化的规律进行了深入的分析,为进一步了解气候变化的原因和影响因素奠定了基础。

气候变化会导致一系列的生态和环境问题,甚至对人类的生命安全也会构成威胁,因此对气候变化的分析和认识就变得十分棘手和有意义。有不少学者[13-16]对于局部小区域的气候研究表明,其变化与全球变暖同步,但主要针对其中1~2个要素进行研究,而从多个要素进行研究的不多。在此结合桂平市年极端最高和最低气温、年平均最高和最低气温、年平均气温、年降水量、年日照时数等多个地面要素进行系统分析并初步探讨其变化的可能原因,从而进一步丰富对该地区气候变化规律认识及为该地区社会生产、生态保护和应对未来气候变化等提供科学依据和参考。

1 材料与研究方法

1.1 数据来源

数据来源于桂平国家基本气象站(59254,23°24′N,110°05′E)1971—2014年逐日极端最高和最低气温、逐月平均最高和最低气温、降水量和日照时数等资料,站点没有移站,数据经严格质量监控,资料序列完整。四季的划分按照气象季节划分方法,春季为3—5月,夏季为6—8月,秋季为9—11月,冬季为12月—次年2月,利用1981—2010年的平均值作为常年值。

1.2 研究方法

通过一元线性趋势分析[17]、滑动平均法[18]进行变化趋势的分析,Morle小波[19]对各要素变化周期进行分析,对于突变点的检测采用国际气象组织推荐的Mann-Kendall非参数统计检验法[19-20],其优点在于不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,更适用于类型变量和顺序变量,计算也比较简便。但有时交叉点较多,有虚假突变点,因此再结合滑动t检验法确定突变点。利用相关分析法[21]分析各气候要素的相关性。R/S分析法[22]对未来变化趋势进行预测,具体运算步骤见文献[17-22]。

2 结果与分析

2.1 气候要素的年际变化

2.1.1 年极端最高气温

桂平近45年来极端最高气温随时间的推移呈显著(P<0.05)的上升趋势(图1(a)),倾向率为0.283 ℃/10a(相关系数为0.3685,标准差为0.98),远大于全国0.16 ℃/10a[6](1961—2010 年)、华南0.20 ℃/10a[8](1961—2008 年)、广西0.094 ℃/10a[23](1961—2010 年),近45年来升高了1.22 ℃,最大值为2003的39.4 ℃,最小值为1977年的35.5 ℃,极差3.9 ℃。5年滑动平均显示,年极端最高气温大致经历下降(1971—1977年)—上升(1977—1992年)—下降(1992—2001年)—上升(2001—2007年)—下降(2007—2014年)5个阶段。1970年代平均值36.6 ℃,较常年值37.1℃偏低0.5 ℃,1980年代较常年值偏低0.4 ℃,1990年代为36.9 ℃,较常年值偏低0.2 ℃,21世纪前10年为37.8 ℃,较常年值偏高0.7 ℃,2011—2014年为37.3 ℃,较常年值偏高0.2 ℃,呈“前冷后暖”变化趋势。

2.1.2 年极端最低气温

桂平近45年来年极端最低气温呈不显著(P<0.1)的上升趋势(图1(b)),倾向率为0.255 ℃/10a(相关系数为0.2618,标准差为1.25),上升幅度比全国0.53 ℃/10a[6](1961—2010 年)、华南0.48 ℃/10a[8](1961—2008 年)、广西0.451 ℃/10a[23](1961—2010 年)偏低。最高值出现在2007年为6.7 ℃,最低值出现在1975年为0.6 ℃,极差6.1 ℃。5年滑动平均表明,年极端最低气温在1971—1980年相对偏冷,1981—1990年相对偏暖,1991—2000年相对偏冷,2001年以来变化幅度不大。1970年代平均值为2.7 ℃比常年值3.6 ℃偏低0.9 ℃,1980年代为3.7 ℃,比常年值偏高0.1 ℃,1990年代为3.1 ℃,比常年值偏低0.5 ℃,21世纪前10年为3.9 ℃,比常年值偏高0.3 ℃,2011—2014年为3.8 ℃,比常年值偏高0.2 ℃,呈“降—升—降—升”式变化。

2.1.3 年平均最高气温

桂平近45年来年平均最高气温(图1(c))倾向率为0.299 ℃/10a(相关系数为0.6213,标准差为0.61),升温趋势极其显著(P<0.0001)。上升幅度较全国0.21 ℃/10a[6](1961—2010 年)、华中0.079 ℃/10a[9](1960—2005年)显著偏高。最高值为2009年的27.2 ℃,最低值为1984年的24.7 ℃,极差2.5 ℃。从5年滑动平均来看看,1971—1980年稳定少变,年平均最高气温经历1981—1988年相对冷期,1989—1991年相对暖期,1992—2002年相对冷期,2003—2009年相对暖期,2010—2014年相对冷期6个阶段。2000年以前较常年值26 ℃偏低,2000年以后较常年值偏高,与年极端最高气温一致呈“前冷后暖”变化趋势。

2.1.4 年平均最低气温

桂平近45年来年平均最低气温(图1(d))倾向率为0.204 ℃/10a(相关系数为0.6025,标准差为0.43),上升趋势十分显著(P<0.0001),上升幅度较中国0.37 ℃/10a[6](1961—2010年)偏低,较华中0.203 ℃/10a[9](1960—2005年)略微偏高。最高值为2006年的19.7 ℃,最低值为1984年的17.9 ℃,极差1.8 ℃。1970年代和21世纪前10年为相对偏暖时期,其余时段为相对偏冷时期。1970—1980年代平均值均为18.7 ℃与常年值19 ℃相差0.3 ℃,1990年代平均值为18.9 ℃较常年值偏低0.1 ℃,2001—2010年为19.4 ℃,较常年值偏高0.4 ℃,2011—2014年为19.2 ℃,较常年值偏高0.2 ℃,年平均最低气温1970—1980年代变化平稳,1990年以来呈逐渐变暖趋势。

2.1.5 年平均气温

桂平近45年来年平均气温倾向率为0.22 ℃/10a(相关系数为0.6074,标准差为0.47),呈极其显著的上升趋势(P<0.0001),近45年来上升了0.97 ℃,升温幅度较全球0.85 ℃[1](1880—2012年)偏高0.12 ℃、中国1.35 ℃[6](1961—2010年)偏低0.38 ℃、广西0.74 ℃[23](1961—2010年)偏高0.23 ℃。最高值为2003年的22.6 ℃、最低值为1984年的20.7 ℃,5年滑动平均显示,年平均气温经历1971—1982年基本平稳,1983—1988年相对偏冷,1989—1994年相对偏暖, 1995—2001年相对偏冷, 2002—2009年相对偏暖,2010—2014年相对偏冷6个阶段。1970—1980年代平均值均为21.4 ℃,较常年值21.8 ℃偏低0.4 ℃,1990年代为21.8 ℃,与常年值持平,21世纪前10年为22.2 ℃较常年值偏高0.4 ℃,2011—2014年平均值为22.1 ℃较常年值偏高0.3 ℃,近45年来年平均气温1970—1980年代稳定少变,1990年代以来转向偏暖,与年极端最高气温和年平均最高气温一致呈明显“前冷后暖”变化趋势。

2.1.6 年降水量

桂平1971—2014年年降水量呈不显著的(P=0.2708)增加趋势(图1(f)),倾向率为43.578 mm/10a(相关系数为0.1697),增加幅度较全国0.11 mm/10a[6](1961—2010年)显著偏高,而与覃卫坚等[24](1961—2008年)对广西降水研究所显示的广西大部分地区降水有集中加强的趋势具有一致性,年降水量最大值为1981年的2 485 mm,最小值为1989年的1 032.6 mm。从5年滑动平均来看,1981—1985年、1993—2002年相对多雨,其余时段相对少雨。1970年代平均值为1 581.7 mm,较常年值1 735.3 mm偏少153.6 mm,1980年代为1 696.7 mm,比常年值偏少38.6 mm,1990年代为1 762.6 mm,较常年值偏多27.3 mm,21世纪前10年为1 740.1 mm,较常年值偏多4.8 mm,2011—2014年为1 819.4 mm,较常年值偏多84.1 mm,从距平来看,降水量自1993年以来有16年大于常年值,6年小于常年值,可见,年降水量自1993年增加明显。

2.1.7 年相对湿度

桂平1971—2014年年平均相对湿度呈显著(P<0.05)减少趋势(图1(g)),其倾向率为-0.566%/10a(相关系数为-0.3323),与左洪超等[25]研究结果所显示的中国66%(1961—2000年)的台站相对湿度呈下降趋势具有一致性,最高值为1997年和2012年的82%,最低值为2011年的77%。5年滑动平均显示,1971—1980年呈下降趋势,1980—1985年呈上升趋势,1985—1992年呈下降趋势,1992—1997年呈上升趋势,1997—2009年呈下降趋势,2009年以来呈波动上升趋势。从距平来看,年相对湿度自2003年来连续9年低于常年值,可知,年平均相对湿度的减少主要以21世纪以来减少贡献最大。

2.1.8 年日照时数

桂平1971—2014年年日照时数呈不显著的(P<0.1)减少趋势(图1(h)),与周丹等[6](1961—2010年)、任国玉等[12](1951—2002年)对中国和叶瑜等[26](1961—2010年)对广西的研究结果均有一致性,倾向率为-30.861 h/10a(相关系数为-0.2541),年日照时数最大值为1986年的1 824.5 h,最小值为2012年的1 107.4 h,极差717.1 h。5年滑动平均显示,年日照时数经历1971—1982年相对偏少,1983—1993年相对充足,1994—2002年相对偏少,2003—2010年相对充足,2011—2014年相对偏少5个阶段。从距平来看,年日照时数自2000年以来仅有5年大于常年值,年日照时数的减少主要以21世纪以来最为明显。总的来看,年日照时数呈“前多后少”的变化趋势。

2.1.9 年平均风速

桂平1971—2014年平均风速(图1(i)) 呈不显著的增大趋势(P<0.1),与全国平均风速[25](1961—2000年)呈减小趋势具有不一致性,其倾向率为0.063 m·s-1/10a(相关系数为0.2673),年平均风速最大值出现在1995年,其值为1.5 m·s-1,最小值出现在1990年,其值为0.5 m·s-1,极差1 m·s-1。从5年滑动平均来看,1971—1981年相对偏大,1982—1994年相对偏小,1995年以来相对偏大。从距平来看,年平均风速自1978—1994年连续17年低于常年值,呈明显的减小趋势,而1995—2014年连续20年高于常年值,可知,年平均风速的增大主要以21世纪以来贡献最大。总的来看,年平均风速呈现明显的“前期减小,后期增大”的变化趋势。

2.2 气候要素变化周期分析

图2为各气候要素小波变换系数实部和小波方差图,图中正值表示各要素正相位变化,负值表示负相位变化,正负交替出现表示各要素偏高和偏低交替出现,从图2(a)小波系数实部等值线图可知,年极端最高气温存在3~9年、15~20年左右的周期变化规律,正负相位交替出现,可以明显的观察到在计算时段内,年平均气温偏低、偏高的波动变化,从图2(b)小波方差得知,年极端最低气温存在2处比较明显的峰值,其中,19年年代际变化周期峰值最大,对应第一主周期,其次是5年年际变化周期对应第二主周期。年极端最低气温小波系数实部等值线图显示,年极端最低气温存在2~10年和18~25年左右周期变化规律,小波方差显示,22年年代际变化周期峰值最大,震荡最强,为第一主周期,8年年代际变化周期对应峰值其次,为第二主周期。年平均最高气温小波系数实部等值线图显示,年平均最高气温存在2~8年和10~20年左右周期变化规律,正负相位交替出现,呈偏冷和偏暖交替出现。从小波方差图得知,20年年代际变化周期对应峰值最大,为第一主周期,4年年际变化周期对应峰值其次,为第二主周期。年平均最低气温在2~5年左右处正负相位交替变化比较明显,从小波方差得知,4年年际变化周期在整个时段内对应峰值最大,为第一主周期。年平均气温小波系数实部等值线图显示,在2~7年、10~15年左右处存在明显的正负相位交替出现的偏低和偏高周期变化规律,从小波方差得知,10年年际变化周期对应峰值最大,震荡最强,为第一主周期,4年年际变化周期对应峰值其次,为第二主周期。年降水量在2~8年、10~20年左右处,存在明显的正负相位交替出现的丰-枯变化周期规律,小波方差显示,16年年代际变化周期对应峰值最大,为第一主周期,5年年际变化周期对应峰值其次,为第二主周期。年相对湿度存在2~7年、15~20年左右的周期变化规律,从小波方差得知,19年年代际变化周期震荡最强,对应峰值最大,为第一主周期,4年年际变化周期其次,为第二主周期。年日照时数小波系数实部等值线图显示,年日照时数存在2~7年、15~20年左右周期变化规律,从小波方差得知,17年年代际变化周期对应第一主周期,6年年际变化周期对应第二主周期。年平均风速在25~40年左右处存在明显的偏小、偏大交替出现的周期变化规律,小波方差显示,32年年代际尺度对应峰值最大,为第一主周期。

2.3 气候要素突变特征

利用M-K非参数统计检验方法对各气候要素进行突变检测,若正序列UFk曲线和逆序列UBk曲线交于一点,并且该点在临界线之间,则该点对应点即为突变点,UFk>0表明序列呈上升趋势,UFk<0则表明呈下降趋势,当它们超过临界线时,表明上升或下降显著[19-20]。从图3(a)可以看出年极端最高气温在正序列UF和逆序列UB曲线之间多次交于一点,并于1974—1978年突破-1.96临界线(通过0.05显著性检验),但之前未有交点,因此没有发生突变, 1988年以前UF<0呈下降趋势,1988年以后UF>0,且在2008—2014年突破1.96的临界线,呈显著的突变上升,初步判断突变点为1990和1995年,通过滑动t检验来验证,经计算第一次突变前极端最高气温均值为36.8 ℃,方差为0.85,突变后均值为37.2 ℃,方差为1.0,计算t值为4.44,查t分布表得知1990年不是真正的突变,第二次突变前年平均最高气温为36.8 ℃,方差为0.857,突变后年极端最高气温为37.3 ℃,方差为1.068,计算得t值为9.17通过0.001显著性检验,因此年极端最高气温突变点为1995年;年极端最低气温在正序列UF和逆序列UB曲线之间多次交于一点,但未突破1.96的临界线,突变特征不明显;年平均最高气温于1997/1998年在正序列UF和逆序列UB曲线之间交于一点,1988年以后UF>0,并于2005—2014年突破2.58临界线(通过0.01显著性检验),显著突变点为1998年,突变升温十分显著,突变后较突变前平均偏高0.9 ℃;年平均最低气温在正序列UF和逆序列UB曲线之间于1996/1997年交于一点,1989年以前UF呈波动下降趋势,1989年以后UF>0呈持续上升趋势,并于2003—2014年突破2.58的临界线,显著突变点为1997年,突变上升显著,突变后较突变前平均偏高0.5 ℃;年平均气温在正序列UF和逆序列UB曲线之间于1992/1993年交于一点,1985年以前UF呈波动下降趋势,1985年以来UF呈持续上升趋势并于 2003—2014年突破2.58的临界线,显著突变点为1993年,突变升温显著,突变后较突变前偏高0.5 ℃;年降水量在正序列UF和逆序列UB曲线之间多次交于一点,但未突破1.96的临界线,突变特征不明显;年相对湿度在正序列UF和逆序列UB曲线之间于1992年交于一点,并于2011年突破-2.58的临界线,突变减少显著;年日照时数在正序列UF和逆序列UB曲线之间与1971/1972年交于一点,并于1976年突破-1.96的临界线,但交点位于端点处,一般不可取,1976—1993年UF波动增加,1993年之后波动减少;年平均风速在正序列UF和逆序列UB曲线之间于1982—1997之间突破-2.58的临界线,但在此之前在正序列UF和逆序列UB曲线之间未有交点,因此年平均风速没有发生突变。

2.4 气候要素未来变化趋势

R/S分析法能对气候变化的持续性(0.5

表1 桂平市气候要素Hurst指数

年极端最高气温/℃年极端最低气温/℃年平均最高气温/℃年平均最低气温/℃年平均气温/℃年降水量/mm年相对湿度/%年日照时数/h年平均风速/(m·s-1)Hurst0.71620.54570.90790.94760.91360.58830.80230.73860.9326

3 讨 论

气候变化是在自然和人类的双重影响下所发生[27]。近45年来桂平市各气候要素发生了显著的变化,表现在年极端最高(低)气温、年平均最高(低)气温、年平均气温均呈升温趋势;年极端最高气温升温速率是年极端最低气温的1.1倍,这与王莹等[23]对广西气温的研究所显示的年平均气温的上升以年极端最低气温的显著上升贡献最大不一致,而年平均最高气温增温幅度显著大于年平均最低气温,这也与Karl[28]等对全球陆面1951—1990年年平均最高/最低气温研究所显示的年平均最高(低)气温分别升高了0.28 ℃和0.84 ℃以及唐红玉等[29]对中国年平均最高(低)气温的研究所显示的年平均最低气温的升温幅度明显大于年平均最高不一致。年极端最高气温增温幅度大于年极端最低气温和年平均最高气温升温速率大于年平均最低气温,这意味着日温差在增大,这可能对植物生理活动[8]产生重要的影响;年极端最高气温突变时间为1995年,与全国1997年相近,超前于广西2003年,年极端最低气温突变不显著,这说明年极端最高气温较年极端最低气温变化更敏感;年平均最高气温突变于1998年,与全国平均最高气温突变于1996年十分接近,年平均最低气温突变于1997年,而全国年平均最低气温没有发生突变,年平均气温突变于1993年,也超前于广西2001年[6,23]。可见各气温要素变化趋势和突变特征与中国和广西不同步,这可能与所研究的时段以及研究尺度的大小不同有关。此外,也可能与地理地貌位置和大气环流等不一致有关。降水量呈增加趋势,这种增加趋势可能与东亚季风环流、太平洋与印度洋海温、欧亚大陆特别是青藏高原积雪等因子的年代际尺度波动有关,也可能同气溶胶排放和土地利用变化有联系[30],桂平位于广西东南部,离海较近,深受季风影响,但变化差异较大,降水峰值1981年为2 485 mm,与谷值1989年的1 032.6 mm相差1 452.4 mm,与次谷值2000年的1 173.9 mm也相差141.3 mm,降水波动较大,这使得桂平在降水极端年发生洪灾的可能性增大,应引起重视;年日照时数呈减少趋势,导致其减少的原因可能与多数研究者得到结果一致即人类活动引起的大气气溶胶含量和云量的增加等有关[30-31],尤其是桂平作为广西人口第一大县,人类活动十分强烈。年平均风速呈微弱的增大趋势,这可能对于风能资源的利用有一定的益处。

4 结 论

(1)近45年来桂平市各气候要素发生显著的变化,年极端最高(低)气温,年平均最高(低)气温,年平均气温均呈显著的上升趋势,并以年平均最高气温的上升幅度最为明显。年极端最高气温和年平均最高气温的显著上升对年均温的显著上升贡献最大。年降水量呈增加趋势,年日照时数和相对湿度呈减少趋势,年平均风速呈微弱的增大趋势。

(2)年极端最高气温、年极端最低气温、年平均最高气温、年降水量、年相对湿度、年日照时数和年平均风速第一主周期呈年代际变化,年平均最低气温、年平均气温第一主周期呈年际变化。

(3)桂平市在α=0.05置信度水平下,年极端最高气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年平均气温分别在1993年、1998年、1997年、1995年呈显著的突变上升、年相对湿度于1992年呈显著突变减少。

(4)R/S分析表明桂平市各气候要素具有长期相关性,未来各气候要素变化趋势将仍与过去近45年总的变化趋势保持一致,即年极端最高和最低气温,年平均最高和最低气温,年平均气温仍将呈上升趋势,年降水量呈增加趋势,年日照时数和年相对湿度呈减少趋势,年平均风速呈增大趋势。

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Analysis of Variations of Climatic Elements in Surface Ground in Guiping City,Guangxi Province during 1971-2014

WANG Yu1,CHENG Qingping2

(1.Tian e Meteorological Bureau in Guangxi,Tian e Guangxi 547300,China; 2.College of Geographical Sciences,Fujian Normal University,Fuzhou Fujian 350007,China)

Based on the data of the temperature,precipitation, sunshine duration etc from the ground meteorological stations from 1971 to 2014 Guiping city,we used the linear trend analysis,Mann-Kendall test,wavelet analysis to analyze characteristics of climate variation in Guiping in the recent 45 years.The results showed that:(1)Annual extreme maximum temperature and extreme minimum temperature,annual average maximum temperature and average minimum temperature,annual average temperature showed an extremely significant upward trend.annual relative humidity and sunshine duration tended to decrease,annual average wind speed showed a trend of increase;(2)annual extreme maximum temperature and extreme minimum temperature, annual mean maximum temperature and average minimum temperature,annual average temperature and precipitation,annual relative humidity and sunshine duration,annual average wind speed had 19a,22a,20a,4a,10a,16a,19a,17a,32a changes main cycle respectively;(3)annual extreme maximum temperature and mean maximum temperature,annual mean minimum temperature and average temperature,annual relative humidity by α=0.05 significance level test and mutations in 1995a 1998a,1997a,1993a,1992a respectively,and the rest of the elements is not significant mutations;(4)R/S analysis indicates that the future climate elements would be in consistent change with the past 44 years.

Guiping;climate;variation characteristics;prediction

1673-5072(2016)04-0429-10

2015-12-03

国家自然科学基金项目(41261007)

王 宇(1988—),男,广西河池人,助理工程师,主要从事地面综合气象观测研究。

程清平(1987—),男,云南昭阳人,硕士研究生,主要从事自然地理与全球变化研究。E-mail:446925163@qq.com

P426.1+3

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.04.013

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