中国空间磁层线辐射现象探究<sup>*</sup>
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中国空间磁层线辐射现象探究
盛雪莲, 吴静, 张翀     
北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院, 北京 100083
摘要: 对2008—2010年覆盖中国空间的DEMETER卫星电场探测数据进行分析,共识别出328例磁层线辐射(MLR)事件。根据已有MLR事件的频谱特征,研究了中国空间的MLR事件的特征及其可能的原因。对所有MLR事件进行统计分析,结果表明这些事件白昼的出现率高于夜晚,秋冬季的出现率高于春夏季;与地磁活动水平无明显关联,主要出现在中国中低纬度地区空间;频率间隔主要分布在55~95 Hz,频率漂移速率大都在0~0.4 Hz/s,并且频谱最高强度与地理纬度无明确关联。中国空间MLR事件的特征与中国空间所观测到的电力线谐波辐射(PLHR)事件的特征相似,与国外已发现的MLR事件的特征有所不同。
关键词: 磁层线辐射(MLR)     电离层     卫星探测     空间环境     电力线谐波辐射(PLHR)    
Space magnetospheric line radiation above China
SHENG Xuelian, WU Jing, ZHANG Chong     
School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2017-08-11; Accepted: 2017-12-22; Published online: 2018-03-06 14:32
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (51207006)
Corresponding author. WU Jing, E-mail:wujing06@buaa.edu.cn
Abstract: The electric field data observed by DEMETER satellite in the space above China from 2008 to 2010 were analyzed, and 328 magnetospheric line radiation (MLR) events were detected. According to the spectrum of the existing MLR events, the characteristics and their possible cause of these MLR events were studied. We made statistical analysis on all MLR events, and the results indicated that there were more MLR events in daytime than in nighttime and more in winter and autumn than in summer and spring. MLR showed no significant dependence on geomagnetic activity. Most of events were distributed in the low and medium latitude. The frequency intervals of MLR events were between 55 Hz and 95 Hz, the frequency drift rates were mostly in the range of 0-0.4 Hz/s, and peak intensities in frequency-time spectrograms seemed to be independent of latitude. The characteristics of MLR events observed in the space above China were similar to those of power line harmonic radiation (PLHR) events, but different from those observed abroad.
Key words: magnetospheric line radiation (MLR)     ionosphere     satellite detection     space environment     power line harmonic radiation (PLHR)    

中国电力工业已步入特高压电网时代,由电网引起的电磁环境问题一直备受关注,已有学者研究了电网电磁环境对人体健康、居民无线电接收质量、无人机导航系统、地震观测台站的影响[1-2]。近年来,国内外学者也开始研究电网对空间电离层和磁层的干扰。

大量地基和天基观测实例表明,空间电离层中存在500~4 000 Hz范围内、强度高于背景强度10 dB及以上、频率间隔为50/100 Hz或60/120 Hz的电磁场谐波谱线。国外学者普遍认为这种辐射现象与地面电网有关,并将其称为电力线谐波辐射(Power Line Harmonic Radiation,PLHR)[3]。笔者利用法国国家太空研究中心DEMETER卫星探测数据系统研究了中国空间电离层中的PLHR[4]。作为一类特殊的极低频/甚低频(ELF/VLF)波,PLHR与该频段其他辐射现象之间的关联一直是该领域的研究热点。近年来,国外学者研究了在电离层中由PLHR触发磁层线辐射(Magnetospheric Line Radiation,MLR)的可能性。

MLR的电磁场谱线并不是以准确的50/100 Hz或60/120 Hz为间隔,而是发生了漂移[5]。传入电离层和磁层的PLHR/MLR与被地球磁场捕获的高能电子通过波粒相互作用而放大,并使粒子的投掷角发生散射,从而可能触发新的辐射[6-9]。另外,该过程中高能电子的运动轨道发生改变,有可能降落到中性层顶端,其能量在与周围气体分子的碰撞中耗散,此时会产生强烈的电离作用、热辐射、光辐射以及X辐射。Parrot和Zaslavski[8]总结了在波粒相互作用过程中降落电子的能量与波的频率和磁壳参数(L-shell,常简写为L)的关系。笔者还将加拿大南部长期增多的雷暴活动归因于PLHR事件的增多以及与其相关的粒子降落。Tatnall等[9]指出由PLHR/MLR对辐射带电子槽区的形成有关键作用。从长远来看,如果这种ELF/VLF波会对辐射带造成影响,那么研究这种现象对于绝大多数运行于该空间的航天器的抗干扰能力、故障率减小、寿命延迟等具有重要实用价值,也有助于了解太阳活动以及日地空间的物理状态。

本文利用DEMETER卫星的电场探测数据研究了中国空间电离层的MLR现象,分析了中国MLR事件的特征及其可能的出现原因。

1 MLR现象

1975年,Helliwell等[10]首先提出了MLR现象,其利用Siple站以及Roberval站的ELF/VLF波探测数据,在频率2~5 kHz的范围内发现,在Roberval站接收Siple站所发射的电磁波时,当发射波的频率接近加拿大电网频率60 Hz的谐波频率,接收波的频率时常出现截断、夹带和漂移。接收波频率间隔通常约为120 Hz,但也有20~30 Hz的情况;通常这些谱线的频率变化平稳,但也存在以50 Hz/min的速度向上或向下漂移的情况。笔者认为MLR现象与当地的地面电力系统有关。

1982年,Yearby[5]研究了1977—1980年在Halley站和St Anthony站观测到的MLR现象,其定义了MLR是指在时频谱图中具有线状结构且具有较宽频率覆盖范围的VLF辐射(典型事件以3 kHz为中心,带宽1 kHz),脱离了与地面电力系统频率之间的关系。通过分析所观测到的MLR与当地时间和地磁活动的关系,以及与Siple-Roberval站所观测到的MLR进行对比,指出Halley站大多数MLR与PLHR并无直接关系。1985年,Koons[11]利用SCATHA卫星在磁壳参数L=5.5~9范围内没有发现MLR事件,推断MLR主要存在于等离子体层中。1994年,Parrot[12]利用AUREOL-3在940个采样数据文件中发现了5例MLR事件,其频率间隔为电力系统工频50 Hz(准确度达1%),且频率漂移速率为1~8 Hz/s。Rodger等[13]利用ISIS卫星在483个轨道数据中也发现了13例MLR事件,其初始频率和频率间隔均不是50 Hz或60 Hz的谐波频率,而且在出现的时间与地面电力系统的负载及其变化率没有明显关联。1999年,Rodger等[14]指出一日间MLR在当地时间04:00和17:00会出现峰值,早上的峰值可能与合声及中纬度嘶声有关,下午的峰值可能与中纬度嘶声有关,而MLR事件也呈现出月份差异,6月份(南极的冬季)出现率最高,12月份(南极的夏季)出现率最低,出现率与瞬时的地磁活动无关。Rodger等[15]的研究结果表明,已发现的MLR主要与自然活动有关,与人类活动特别是与地面电力系统无关,因为MLR在白天的出现率与夜晚大致相同,与北半球共轭点的电力系统一日间的负载变化情况并无关联。2005年,Manninen[16]发现MLR多发生在地磁活动水平较低的时期,且出现在低空较大范围内,其最初是由PLHR所触发,但最后频率发生了漂移以致偏离了PLHR的频率。

近10年来,借助于DEMETER卫星的电磁场探测数据,国外学者对PLHR和MLR的频谱特征及其关联等也展开了一系列研究。2007年,Parrot等[17]总结了利用DEMETER探测及地基观测到的在同一地区的MLR事件,发现2种观测方式下谱线频率间隔和频率漂移一致,说明MLR并没有受到在电离层传播的影响。笔者认为这些MLR是由PLHR所触发,从地面辐射出的PLHR在赤道区域发生波粒相互作用,使得辐射波加强并改变了频率,因为笔者在赤道上空发现了以质子回旋频率为基频和间隔、以离子局部回旋频率为基频和间隔的谱线,并且仅在地磁活动水平较高时出现。Nemec等[18]对DEMETER卫星在2005年和2006年运行时探测到的PLHR和MLR进行了对比分析,发现MLR有可能完全以自然方式产生;PLHR的发生与地磁活动关系不大,主要位于2~3 kHz范围;MLR更易出现在地磁活动水平高时,频率位于2 kHz以下;MLR的强度高于PLHR;MLR在一天之中的出现没有明显昼夜差异。2009年,Nemec等[19]统计分析了657例MLR事件,发现它们多发生于磁壳参数L>2的等离子体层,其他区域几乎没有发现相关事件;白天出现的事件稍多于晚上;事件多出现在地磁活动水平高的时期;频率在2~6 kHz,带宽小于2 kHz,持续时间可达数小时,经度跨度可达100°;还列举了MLR和PLHR同在一个半轨的事件,以说明MLR是由PLHR触发的可能性。

Parrot和Nemec[20]将DEMETER发现的各种线状辐射现象分为4类:PLHR、由PLHR触发的MLR、MLR、由MLR或PLHR触发的其他辐射。图 1(a)为典型PLHR现象的频谱图,该事件出现在新西兰上空,当地电力系统工频为50 Hz,图中3条谱线的频率分别约为3 603、3 711和3 808 Hz,间隔约100 Hz,频率基本没有漂移。图 1(b)为由PLHR触发的MLR现象的频谱图,该事件出现在美国西海岸和夏威夷之间的空间,图中存在频率漂移的谱线,以及具有窄带的线状辐射结构。图 1(c)为由自然原因产生的MLR现象的频谱图,该事件出现在美国西海岸上空,在5 kHz附近存在具有MLR特征的谱线,在4~6 kHz范围内有周期性触发辐射,其来自于一些共同的基线,不同基线对应的触发辐射并不同步,辐射的频率上升幅度约为数百赫兹,周期约为4 s。图 1(d)为由MLR或PLHR触发的其他辐射现象的频谱图,该事件出现在美国东海岸上空,从图中可看到有2个上升的触发辐射,起初为一根基线,然后短时间内急速上升,呈现勾形结构且具有周期性,该周期为单次往返磁共轭点的时间。Nemec等[21]对DEMETER卫星从发射至2009年11月的探测数据进行了分析,在全球范围内发现了148例PLHR事件,指出其中仅有2例存在可能触发新辐射的情况。2012年,Nemec等[22]分析了DEMETER卫星4年探测到的MLR事件的频率间隔以及频率漂移,结果表明MLR的形成有可能是一个具有载波频率的波与另一个具有MLR频率间隔的波发生相互作用所致,而非源自地面的人类活动。2014年,Parrot等[23]对PLHR所触发的VLF辐射进行了统计研究,发现PLHR有时会作为基线触发短暂的上升线和一系列勾线,这种情况多发生在地磁活动温和的高纬度工业发达地区上空,而MLR不会触发此类辐射,在频谱上MLR看上去似对已存在的嘶声波进行了频率调制。

图 1 利用DEMETER卫星探测到的各种线状辐射现象[20] Fig. 1 Line radiations detected by DEMETER satellite[20]
2 中国空间电离层MLR事件 2.1 MLR事件时频功率密度谱分析

本节利用DEMETER卫星在Burst模式下探测到的ELF范围(0~1 250 Hz)内的电磁场三分量波形数据[24],研究了2008—2010年在中国空间(12°N~55°N,75°E~135°E)出现的MLR事件。从覆盖中国空间的4 000个轨道数据文件中,识别出了328例MLR事件,将其分为如下3类。

1) 第1类MLR事件,其时频功率密度谱如图 2所示。在世界时间(UT)14:49:55—14:54:27(即北京时间(BT)22:49:55—22:54:27)的272 s内,在300~500 Hz之间有多条存在频率漂移的带状谱线,起始于缅甸与中国云南交界附近(25.542 3°N,98.129 8°E),终止于中国新疆维吾尔自治区哈密地区附近(41.918 5°N,93.600 5°E)。带状谱线之间的频率间隔约为40 Hz,频率漂移约为80 Hz,频率漂移速率约为0.294 1 Hz/s。该事件很可能是PLHR经过磁赤道时与电离层中的粒子发生相互作用后所触发的MLR。

图 2 第1类MLR事件时频功率密度谱 Fig. 2 Time-frequency power density spectrogram of the first type of MLR events

2) 第2类MLR事件,其时频功率密度谱如图 3所示。在UT 03:27:56—03:30:22,即BT 11:27:56—11:30:22的146 s内,在0~200 Hz之间可以明显看到有2条带状的平行谱线,起始于中国四川省甘孜藏族自治州泸定县附近(29.807 8°N,102.161°E),终止于缅甸孟林附近(20.976 8°N,100.024°E)。上、下2条带状谱线的中心频率分别约为146 Hz和78 Hz,频率间隔约为68 Hz,频率漂移约为34 Hz,频率漂移速率约为0.232 9 Hz/s。图 3中不仅有2条带状的平行谱线,而且在一定范围内存在钩状谱线,其以中心频率146 Hz的谱线为基线,属于上升触发辐射,触发起点为180 Hz,终点为346 Hz,这些辐射的周期约为3.6 s,与文献[20, 25]中提到的哨声波从一个半球通过磁层传播到另一个半球再经过反射回到原位置的时间4 s接近。该事件属于MLR中的触发辐射,表现为有母线谱线(有时母线不明显),短时间内频率急速上升,并呈钩状结构,通常也具有周期性,且周期约为哨声波一次往返共轭点的时间。

图 3 第2类MLR事件时频功率密度谱 Fig. 3 Time-frequency power density spectrogram of the second type of MLR events

3) 第3类MLR事件,其时频功率密度谱如图 4所示。在UT 03:25:40—03:29:09(即BT 11:25:40—11:29:09)的209 s内,在0~400 Hz之间可以明显看到有一簇上升的钩状谱线,起始于青海省果洛藏族自治州班玛县附近(32.992 8°N,100.733°E),终止于缅甸南桑附近(20.295 8°N,97.602 4°E),触发起点约为175 Hz,终点约为368 Hz。由图 4可以看出,其与第2类典型事件不同的是,钩状触发并没有明显的基线支持,即无法从图中找到平行的带状谱线,仅能判断其可能存在的基线大约位于146 Hz附近。

图 4 第3类MLR事件时频功率密度谱 Fig. 4 Time-frequency power density spectrogram of the third type of MLR events

在已识别的328例MLR事件中,属于仅有平行谱线无触发的第1类事件有41例;属于有平行谱线并伴有触发的第2类事件有94例;属于无平行谱线仅有触发的第3类事件有193例。前2类事件平行谱线的频率漂移速率在0~1 Hz/s,其中94%的事件的频率漂移速率集中在0~0.4 Hz/s。

2.2 MLR事件特征统计分析

对于2.1节得到的328例MLR事件,本文统计分析了这些事件的昼夜差异、季节差异、与地磁活动水平的相关性,以及它们的频谱强度与发生地的地磁纬度之间的关联。

2.2.1 MLR事件的昼夜差异

在328例MLR事件中,仅有46例出现于夜晚,282例出现于白昼。大部分夜晚发现的MLR事件的时频功率密度谱图中存在许多纵向谱线干扰,而白昼发现的MLR事件纵向谱线干扰明显减少。

图 5(a)为在中国西藏自治区林芝地区附近白昼发现的MLR事件,在0~200 Hz范围内存在较为明显的上升钩状现象。图 5(b)为在中国广西壮族自治区百色市附近夜晚发现的MLR事件,在0~200 Hz范围内可以观察到伴随有触发现象的带状谱线,且与图 5(a)相比有更为明显的密集纵向谱线。图 5(a)(b)中的纵向谱线都具有在极短时间内覆盖宽频范围的强辐射特征,其可能是雷电哨声模[25]。由于夜间电离层的导管密度变大,更容易引发雷电哨声,且夜间电离层电子密度低,穿透性强于白天,导致夜晚在电离层中可探测到更多雷电哨声。密集的雷电哨声会干扰MLR事件的频谱,影响夜晚MLR事件的识别。另外,如果MLR是由地面电力系统所辐射的电磁波所致,由于白天电力消耗高于夜晚,故白天的电力系统辐射强于夜晚,尽管白天电离层电子密度高,对电磁波的衰减较强,但仍可在电离层中发现更多的MLR事件。

图 5 典型白昼和夜晚MLR事件的时频功率密度谱 Fig. 5 Time-frequency power density spectrogram of typical MLR events in daytime and nighttime

2.2.2 MLR事件的季节差异

328例MLR事件的月份分布如表 1所示。可见,MLR事件在3月、9月出现得较少,在1月、12月出现得较多。中国地处北半球北纬4°~53°之间,按照中国常规的气象划分,定义每年的3月~5月为春季,6月~8月为夏季,9月~11月为秋季,12月~次年2月为冬季。出现于春夏季的事件有144例(44%),秋冬季事件有184例(56%),秋冬季事件多于春夏季事件。考虑到卫星缺少2010年12月的探测数据,这里仅分析2008年春季至2009年冬季所探测到的MLR事件,如表 2所示。2008年夏季19例占全年事件的18.1%;冬季38例占全年事件的36.2%;2009年夏季27例占全年事件的20.5%,冬季43例占全年事件的32.6%。显然,冬季MLR事件多于夏季。

表 1 2008—2010年中国空间MLR事件按月份分布统计 Table 1 Monthly distribution of MLR events in space above China from 2008 to 2010
年份 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 总计
2008年 11 6 4 9 10 7 7 5 5 7 13 19 103
2009年 15 4 3 13 9 10 14 3 5 16 16 20 128
2010年 12 11 7 5 9 10 9 10 6 9 9 97
总计 38 21 14 27 28 27 30 18 16 32 38 39 328

表 2 2008春季至2009年冬季中国空间MLR事件按季节分布统计 Table 2 Seasonal distribution of MLR events in space above China from spring of 2008 to winter of 2009
季节 2008年 2009年
事件数 事件比例/% 事件数 事件比例/%
23 21.9 25 18.9
19 18.1 27 20.5
25 23.8 37 28.0
38 36.2 43 32.6
总计 105 100 132 100

图 6(a)为在中国西藏自治区昌都地区附近发现的夏季MLR事件,在0~400 Hz范围内可以观察到明显的上升钩状现象,并存在大量密集的纵向谱线,谱线特征与2.2.1节所提雷电哨声模一致。图 6(b)为在中国西藏自治区林芝地区附近发现的冬季MLR事件,在0~400 Hz范围内存在伴随触发的带状辐射,且纵向谱线明显少于图 6(a)

图 6 典型夏季和冬季MLR事件的时频功率密度谱 Fig. 6 Time-frequency power density spectrogram of typical MLR events in summer and winter

中国夏季多为雷雨季节,电离层中容易产生雷电哨声。通过对比分析图 6(a)(b)所示的时频功率密度谱,夏季的雷电哨声干扰要强于冬季,不仅表现在纵向谱线密集,而且纵向谱线的强度大、持续时间长。中国冬季空间电离层中的雷电多发生于南半球,其通过哨声模方式传播到北半球卫星所在的位置处,而非直接产生于卫星下方的大气层中,故冬季的雷电哨声干扰明显弱于夏季。MLR事件冬季多于夏季的原因有:夏季强雷电哨声影响了MLR的识别;冬季电离层电子密度小,对电磁波的衰减作用减弱。

2.2.3 MLR事件与地磁活动水平的相关性

全球范围内的地磁活动水平常用全球3 h磁情指数Kp表征。当0≤Kp < 2时,地磁活动为平静状态;当Kp≥5时,地磁活动水平为地磁暴。图 7为328例MLR事件发生时的Kp指数(实线)与2008—2010年3年内的Kp指数(虚线)直方图,纵坐标表示每组Kp数的分布情况。可知,MLR事件发生时Kp指数的分布和Kp指数的日常分布基本一致。由此表明,中国MLR事件的发生对于地磁活动水平并没有明显的偏好。

图 7 Kp指数分布直方图 Fig. 7 Kp indices distribution histogram

2.2.4 MLR事件的频率、纬度和频谱强度分析

由于第3类事件(193例)只有钩状的上升辐射,并无平行基线,因而很难获取事件的起始、终止和中心点经纬度以及谱线的最高强度。这里主要分析第1类事件(41例)和第2类事件(94例)。表 3给出了这135例MLR事件的频率间隔分布。可以看出,107例事件的频率间隔位于55~95 Hz,中国电力系统的工频为50 Hz,如果MLR的辐射源来自于地面电力系统,那么MLR很可能是电网谐波与其他空间波(如雷电波)发生相互作用所致。表 4给出了不同频率漂移速率对应的MLR事件的数量。显然,MLR事件的频率漂移速率大多集中在0~0.4 Hz/s,这与国外观测到的结果相似[26]。另外,中国地理纬度范围为4°N~53°N之间,135例MLR事件绝大多数分布在中纬度20°N~30°N之间,仅有3例出现在低纬度0°N~20°N之间,而40°N~60°N之间则没有发现MLR事件。已有研究结果表明,MLR事件大多出现在高中纬度空间,而中国上空的MLR事件主要分布在中低纬度地区。MLR事件中心点的纬度和频谱最高强度分布如图 8所示,最高强度与中心点纬度没有明显的相关性,即MLR事件的强度与其地理位置的关系尚不明确。

表 3 MLR事件频率间隔分布 Table 3 Distribution of MLR events' frequency spacing
频率间隔/Hz MLR事件数量
0~30 2
55~65 2
65~75 32
75~85 49
85~95 24
95~105 8
105~115 9
115~125 4
125~135 5

表 4 MLR事件的频率漂移速率分布 Table 4 Distribution of MLR events' frequency drift rate
频率漂移速率/(Hz·s-1) MLR事件数量
0~0.2 76
0.2~0.4 51
0.4~0.6 6
0.6~0.8 1
0.8~1.0 1

图 8 MLR事件的中心点纬度与频谱最高强度分布 Fig. 8 Distribution of MLR events' central point latitude and frequency spectrum peak intensity

2.2.5 中国上空MLR与PLHR之间的关系

328例事件中共发现24例MLR与PLHR发生在同一轨道的事件,但通过统计分析发现,这24例事件中MLR与PLHR前后发生顺序并没有明确的关系。

对比笔者利用DEMETER卫星对中国空间PLHR事件的统计分析结果可知[4],中国上空的MLR事件与PLHR事件均呈现出白昼多于夜晚、冬季多于夏季的特征,且均与地磁活动无关,这说明了二者具有相似的触发环境。

文献[4]指出,中国上空PLHR事件每年发生的数量、地理位置等与地面电力系统的发展有着密切的联系,而中国上空MLR事件与电力系统和其他人类活动并无明确关联。

与文献[19]中的结论不同,本文通过对比分析中国空间的MLR与PLHR事件,可知2类事件具有相似的触发环境,但并无明确的关联。

3 结论

本文利用DEMETER卫星2008—2010年的电场探测数据研究了中国空间MLR现象。从覆盖中国空间的4 000个电场强度探测数据文件中发现了328例MLR事件。

通过分析可知,中国MLR事件的特征与国外已发现的事件有所不同。MLR事件出现在白昼的概率比夜晚要高,出现在秋冬季节的概率比春夏季节要高;与地磁活动水平无明显关联。中国空间MLR事件频率漂移速率大都在0~0.4 Hz/s,频率间隔主要分布在55~95 Hz,事件主要出现在中国中低纬度地区空间,且频谱最高强度与地理纬度无明确关联。中国上空MLR现象的特征与国外的观测结果有所不同,而与中国上空PLHR现象的特征相似,但二者无明确的相互触发关系。

对中国MLR事件的研究有助于推动该方向的发展,为进一步探究这种现象的形成机理提供原始探测资料。

致谢    

DEMETER卫星电场探测数据来自CDPP(Centre des Donnees de la Physique des Plasmas, https://cdpp-archive.cnes.fr/),全球3 h磁情指数Kp数据由中国地震局地球物理研究所提供。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0525
北京航空航天大学主办。
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文章信息

盛雪莲, 吴静, 张翀
SHENG Xuelian, WU Jing, ZHANG Chong
中国空间磁层线辐射现象探究
Space magnetospheric line radiation above China
北京航空航天大学学报, 2018, 44(7): 1504-1513
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2018, 44(7): 1504-1513
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0525

文章历史

收稿日期: 2017-08-11
录用日期: 2017-12-22
网络出版时间: 2018-03-06 14:32

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