丝绸之路遥相关指的就是沿着丝绸之路的一个遥相关型,即通常为夏季发展

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“都是全球变暖惹的祸。”记者身边的一位朋友见怪不怪,这也是众所周知的一个原因。而鲜为人知的是,“除此之外,这些极端天气事件的幕后大BOSS还少不了最近的一个新网红——‘丝绸之路遥相关’。”近日,中国科学院大气物理研究所洪晓玮博士、陆日宇研究员和李双林研究员发表在《大气科学进展》的封面文章称。

论文信息:Hong X, R Lu, and S Li 2017, Amplified summer warming in
Europe-West Asia and Northeast Asia after the mid-1990s, Environ. Res.
Lett.

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图1
1979年~2005年大气温度趋势全球(A、B)和纬向(C、D)的分布。A、C是平流层温度在全球平均趋势(-3.3K/10a)的背景下的变化趋势的分布;B、D是对流层温度在全球平均趋势(+0.2K/10a)的背景下的变化趋势的分布。橙色阴影代表它们相对于全球平均而言的对流层增温率和平流层降温率的正距平区域,而蓝色阴影则代表相应的负距平区域。

异常是指某一年相对于常年气候态的情况。“这些异常基本都位于北纬25°—60°之间,每个南风异常的区域沿东西方向大约为30个经度。该形态空间范围大、所经区域与古丝绸之路相似,‘丝绸之路遥相关’的名字也由此得来。”洪晓玮说。

图:1997–2015年陆地平均表面温度相对于1964–1996年平均的增长值。图中只给出了温度增长在1℃以上的区域。箭头表示升温明显的区域。

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图2 与图1相同,但时段为1979年~1997年

警惕极端高温等灾害性气候事件

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图26:第24周期相关的太阳黑子数时间序列

图4  和图1相同,时间范围为北半球夏季(六月、七月、八月)

“再一个比较有意思的研究就是丝绸之路遥相关与亚洲副热带高空急流的相互作用。”洪晓玮说,丝绸之路遥相关的一个重要特征就是被亚洲高空西风急流捕获,像被一条“管道”束缚着一样沿着急流传播。

全球温度呈现显著的增暖趋势。据世界气象组织统计,2011–2015年全球平均地表温度高出1961–1990年0.57℃。这种显著增暖无疑为夏季高温提供了有利的气候背景,对极端高温事件的发生和发展无异于火上浇油。据统计,2001–2010年间由高温导致的死亡人数相对于1991–2000年增长了23倍。

图20:2019年2月全球陆地积雪距平百分率分布

原文:Fu Q, Johanson C M, Wallace J M, et al. Enhanced mid-latitude
tropospheric warming in satellite measurements[J]. Science, 2006,
312(5777): 1179-1179.

洪晓玮介绍,具体来讲,其是气象上位于北半球中纬度地区的对流层高层、在夏季经常出现的一个大气环流异常型态。这个夏季的遥相关型表现为大气对流层高层、从中纬度的欧亚大陆西部向东一直到东亚地区,南/北风异常交错分布。这样交错分布的环流异常也引发下垫面交错分布的冷/暖异常和降水异常偏多/偏少。

而这种增暖趋势在北半球尤其是中高纬地区显得尤为突出,例如,2003年的欧洲热浪导致5万余人丧生;2010年夏季俄罗斯多地最高气温都达到40℃以上,相对于其常年平均的23℃高出了将近20℃,造成至少1.5万人死亡,并导致150亿美元的经济损失;同年,我国最北部的漠河县也创下日最高气温39.3℃的历史记录。我国东北地区是全国重要的商品粮生产基地,近来东北耕地面积增加了30%以上,这与1990s以来东北地区温度升高、夏季变长不无关系。

1.2 冰雪圈

与和南北半球环流形相联系的季节性环流的变化不同,这里发现的变化发生在较低的纬度,且在北半球,这种变化的趋势暖季比冷季更为明显。

“该研究的进一步结果表明,赤道中东太平洋从春季开始的海温变化就可以影响夏季急流的偏北/偏南:赤道中东太平洋海温偏低时,夏季急流更倾向于向北偏;海温偏高时急流倾向于向南偏。这从一定程度上为季节预测提供了参考。”洪晓玮说。

由于北大西洋多年代际振荡存在65–80年的长周期,目前正处于暖位相,因此可以推测:在未来十几年,欧洲和东北亚夏季将继续呈现明显的增暖趋势。这将对这些地区的生态环境、农业、人类生活等方面产生重要的影响。

图15是3-5月AMM与PMM对随后6-8月全球SST与降水异常的回归分析。可以看到,AMM和PMM不仅对所在区域有着显着超前影响,也可以通过海温异常激发的异常对流活动伴随的响应,以Rossby波形式向西传播,在PMM影响向西传播到日界线西侧后,AMM也可以通过巴拿马地峡区域的大气桥等机制影响到东太平洋区域,且两个模态的响应间呈现较显着负相关;同时值得注意的是,春季AMM对夏季北印度洋海温与降水也存在洋盆尺度的较显着正相关,但PMM的相关则不显着,这表明热带大西洋除了以Matsuno-Gill响应激发的西传大气Rossby波外,还可能存在东传至非洲大陆和印度洋的机制,这一过程应当与对流活动伴随的大气暖性Kelvin波相关。

摘要:卫星观测资料表明,对流层升温和平流层降温较强的纬度带位于南北半球15°~45°左右,这将引起对流层上层等压面的高度发生变化,导致副热带急流向极地地区移动,同时也标志着与之相联系的副热带干旱区向极地扩张。

上世纪80年代以来,全球变暖已经成为不争的事实。但这个变暖指的是平均状况,例如全球平均的表面温度出现显著上升,此外,陆地比海洋、高纬度比低纬度地区等增温更显著也基本上是全球变暖的贡献。

中国科学院大气物理研究所最近的研究(Hong et al.
2017)表明,欧亚大陆夏季增温突出表现在欧洲和东北亚地区,而其产生的原因可能为:北大西洋多年代际振荡通过丝绸之路遥相关引起这种区域性增暖。所谓丝绸之路遥相关,是中纬度对流层高层沿亚洲急流传播的一种波列。结果表明,丝绸之路遥相关存在很强的年代际变化,其年代际部分解释方差达到了约30%。

自冬季后期至今,NAT/NAO总体正处在显着正位相状态,副热带北大西洋区域逐渐发展的反气旋式风应力异常,使得热带北大西洋区域出现了显着偏强的信风,导致蒸发增强并显着降温;而赤道大西洋西非地区异常上升支区域活跃对流激发的波列也对此有一定贡献。


“然而我们最近的结果表明,上世纪90年代以后,在北半球纬度大致相同的地区,例如都是中纬度的欧亚大陆,夏季在东西方向上却出现明显的增温程度不一致现象——欧洲—西亚和东北亚地区的夏季增温尤其显著,中亚却很弱。而这种增温不均匀的分布与丝绸之路遥相关引起的温度异常分布非常一致。”洪晓玮说,也就是说,这种年代际增暖表现出很强的区域性特征,这就不能只让全球变暖来背锅了。

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TIOD即热带印度洋SST的EOF2模态,表现为热带印度洋东西岸类似ENSO的偶极格局。作为印度洋明显的SSTA纬向振荡,TIOD对纬向季风环流和印太沃克环流支的调控作用十分明显;而它又连接了海洋性大陆区域,这样TIOD同时和ENSO/太平洋沃克环流圈影响相关,通常被认为是印太齿轮中的重要一部分。而与IOBW一样,TIOD也有很明显的季节性锁相特征,但锁相时间提前至8-10月,这可能是由于此阶段印度洋气候态有利于TIOD事件发生。

除非在这一纬度带(15°~45°)有补偿性的海平面气压下降,那么根据图1所表现的温度变化,我们能推断出在南北半球30°附近对流层上层等压面会升高。因为30°附近正好位于对流层急流带所在的纬度,我们可以推测向极地逐渐降低的等压面在急流带靠近极地的一侧将会升高,而在靠近赤道的一侧将会降低。这种等压面高度的变化将会使得急流带向极地移动。如果仅根据温度的变化,我们估计,在冬季和夏季,南北半球的急流均向极地推进了~1°。因为急流带所在的纬度标志了热带Hadley环流的边界,急流带整体的极向运动暗示了在这27年间,热带环流增宽了~2°。再分析资料表明南北纬30°附近的海平面气压相比周围有升高的趋势,如果这种变化是真实存在的,这将会进一步导致急流带向极地移动。

上世纪90年代中期以来,不只我国,北半球多个地区都出现了夏季异常高温、极端热事件频发的现象。根据美国国家海洋和大气管理局的最新统计数据,进入21世纪以来的十多年,有一半以上的年份成功上榜有观测记录以来全球平均温度排行榜前十名。而这种增温在北半球夏季尤为突出。除了著名的2003年欧洲热浪和2010年俄罗斯热浪,近年来东北亚多个地区也创下夏季高温的新纪录,例如,2017年7月是我国和蒙古有记录以来最热的一年。

在全球增暖的背景下,不同地区的增温幅度却有着非常大的差异。为何会有这样的差异?这一问题是当今气候变化研究的热点之一。

对于多数厄尔尼诺事件而言,它们在北半球春夏季萌生,到冬季达到顶峰后,在第二年春夏季的光华中消亡。但今年的厄尔尼诺事件,在繁华竞放之时孤负这一定律,并很可能将在未来数月继续发展。或许这在观测史中都是寥寥无几,难以参考;不仅是赤道太平洋,包括其他大洋的变幻,破碎中沉浮的北极海冰,青藏高原迎春的烟雪,这些都指向了一个复杂的春夏环流,混沌迷雾中的风云变幻,会给我国的天气造成何种影响?

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一出门就被曝晒,逛个街手机能被烤化,夏季到来,生活在北方的人们,这两天已经见识到了炙热的力量。“夏天真的是越来越热,还让不让人活了。”有网友吐槽。吐槽归吐槽,有专家此前已经郑重预言:这样的夏季高温可能会一年更比一年严重!

1.3 平流层

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不被大众所熟知的丝绸之路遥相关,实际上,在上世纪90年代初就有气象学家针对其开展理论研究。而到了本世纪初,随着丝绸之路遥相关型的气候影响越来越多地被气象学家发现,它也开始逐渐进入气象工作者的视野并在业务工作中得到应用。

有研究指出春季AAO与春末-夏初东亚的季风雨带密切相关,和东亚夏季风强度呈现显着负相关,这和AAO的负值对应着南极极涡多向北偏移,南半球经向活动的增强与极锋的明显活跃正对应跨赤道气流的偏强有关。而如果只考虑AAO一项,今年AAO的这种趋势,将导致春季和初夏南方大部降水偏多和季风雨带偏南。

目前尚未确定这种趋势是否由温室效应引起的。急流带和与之联系的副热带干旱区向极地移动这种趋势,如果持续发生,可能会有重要的社会影响。

空间距离远,气象要素却明显关联

1.2.3 南极海冰/南极涛动

图中最为显著的特征是:平流层的加强降温和对流层的加强升温均位于南北半球的15°~45°的纬度带内。同时,考虑到1997年~1998年一次很强的厄尔尼诺事件,作者也分析了1979~1997年的全球气温变化趋势,如图2所示。

洪晓玮表示,这种区域性的年代际增暖与丝绸之路遥相关的年代际变化存在密不可分的联系。进一步结果表明,丝绸之路遥相关在长时间尺度上的位相转变,对这种区域性夏季增温有重要作用。而且从长期变化趋势看,这种不均匀增暖在未来的10—20年仍将持续。

图19:1981-2018年12-2月,北极海冰密集度与后期3-5月500hPa高度场的SVD分析,取前三模态

基于星载微波探测仪(satellite-borne microwave sounding unit,
MSU)
的观测资料,作者分析了1979~2005年全球气温的变化趋势,结果如下图所示。

“陆日宇老师从十几年前就开始做丝绸之路遥相关方面的研究,这个遥相关型的雏形最早也是他在2002年提出的。”洪晓玮说,这些年来,在陆老师的指导下,他们的研究团队目前已经在丝绸之路遥相关的年际、年代际、季节内变化等多方面都得到了一些有意思的研究结果。

东亚夏季风主要分为热带季风支(南海-西太平洋夏季风)和副热带季风支(源于西太副高的东南季风)。这里将讨论南海夏季风爆发态势和两支夏季风在夏季的演变。

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1979年~2005年星载微波探测仪(MSU)T2通道亮温趋势全球和纬向的分布。(T4通道:平流层、T4通道&T2通道线性组合:对流层)

未来十几年,区域性增暖仍将持续

1.1.2 北太平洋中纬度变率——PDO&NPGO

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洪晓玮介绍,亚洲西风急流大体上位于北纬35°—55°范围内,但其南北位置在年与年之间会发生轻微的变化。之所以说“轻微”,是因为这样的变化相对于急流的跨度来说太小,其最偏北与最偏南时候的纬度差也就大约5个纬度。由于丝绸之路遥相关沿急流传播,因而急流南北位置的不同也给丝绸之路遥相关带来一定变化。

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第一作者:付强

“所谓的‘遥相关’,在气象上指的是空间距离很远的两个地方在气象要素(例如温度、降水、环流等)上存在明显关联的现象。”5月22日,洪晓玮在接受科技日报记者采访时说,顾名思义,丝绸之路遥相关指的就是沿着丝绸之路的一个遥相关型。

1.1.6 大西洋概况

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因此,有专家表示,丝绸之路遥相关对沿途地区的局地温度和降水异常都有重要影响,进而激发了与其相关的诸多研究。

图12:同图1,但为印度洋地区海温异常与850hPa风场异常

图2表现了与图1相似的特点,这表明这种趋势并不是由于为了响应1997年强厄尔尼诺事件,发生于1998年夏季年的中纬度地区异常增暖而产生的,而是1979年以来的一个强烈的增暖趋势。图3也进一步证明了中纬度对流层增强升温和平流层增强降温的一致性。

“也就是说,我们目前仍处于北大西洋年代际振荡的暖位相,在未来十几年,欧洲—西亚和东北亚地区可能仍将面临明显的夏季增暖。”洪晓玮强调,未来,夏天出门,做好防暑降温,以有效应对极端高温带来的影响将成为重要内容。

接下来一步(7月中旬-8月中旬),将是北方雨季,江南伏旱和华南后汛期了。由前文对盛夏环流形势的判断,雨带将明显偏南,且由于此时副高逐渐转为偏东状态,输送向华北的副热带季风水汽支也将偏弱,而南亚夏季风的偏弱也将使得当地通过遥相关的影响造成北方大部分区的降水偏少。以西北地区东部经华北和东北南部地区最为明显。此时长江流域也进入伏旱期,对应有出梅偏晚,且由于副高和副热带锋区雨带的偏南,长江中下游沿岸的降水仍然会偏多,气温也将略有偏低,出现大范围持续性高温天气概率较低。同时华东沿与此同时,华南地区也进入了热带系统带来的后汛期,但由于南海和菲律宾季风槽的偏南偏弱,华南地区会受到异常反气旋控制且对流活动较弱,后汛期降水总体偏少的概率较大,但如果出现台风活动,则可能出现在时空上不均匀型的降水集中。

TIOD(热带印度洋偶极模态)

自然界里,不对称才是绝对的,丝绸之路遥相关和急流南北偏移的相关关系也是如此。最近的研究表明:以上所说的相关关系只有在急流偏北时很突出,而在急流偏南时非常弱。两者间关系比较复杂,存在很强的非对称性。洪晓玮表示,当急流偏北时,由于此时还有丝绸之路遥相关的共同作用,可能会产生强的气候异常,因此应该给予特别关注。

图18:2019年2月北极海冰密集度异常

急流是什么呢?通俗地讲,同样的航程,在天气条件基本一样的情况下,中纬度自西向东的航班要比自东向西快一些。这就是西风气流的作用。所谓的高空西风急流,就是指中纬度对流层高层一个强而窄的气流带,夏季其最大风速在30米每秒以上,在亚洲上空的部分就是亚洲西风急流。

低纬度地区:热带太平洋上的厄尔尼诺事件仍将在这一阶段发展,不过在春季强度尚属较弱,但由于该事件已发展较久,其造成的热带和热带外大气响应已经较为明显且将在春季维持。热带印度洋总体略偏暖,但空间模态不对称性较明显,而热带大西洋Nino型的仍将维持。可以得出,太平洋Walker异常上升支将偏向日界线西侧区域,由Matsuno-Gill响应,在当地将激发出一显着低空气旋式环流异常,西北侧也将因下沉Rossby波激发出一个低空反气旋,使得西太平洋副高明显偏强偏西,而反气旋西侧和北侧的南海与日本以南洋面将盛行异常西南风,海温仍将显着偏高;这与偏强的副热带高压一道,在其西侧的长江沿线及其以北地区有异常偏南风,配合偏强的印缅南支槽,使得长江以南众多地区降水将有所偏多。

近来有研究表明,这两者间存在显著的相关关系,并构成对流层高层水平风场的最主要模态。当急流相对于常年气候态偏北时,丝绸之路遥相关呈现出一种形态;急流偏南时形态相反,即南风异常的区域变为北风异常。

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“总之,在大的变暖背景下,天气极端事件很可能将继续增多。因此,增温显著的区域要更加警惕可能伴随而来的极端高温、极端降水等灾害性气候事件,做好防范预警。”洪晓玮说。

类似赤道太平洋着名的ENSO状态,赤道东大西洋冷舌区也存在信风松弛和海温异常上升的状态,称为“大西洋Ni?o型”,通常在6-8月温跃层最浅时锁相。只不过由于大西洋洋盆尺度小,Bjerknes反馈不如太平洋明显,但也有研究认为它能在全球范围内的热带海气相互作用中起到一定辅助性调制作用,也能通过巴拿马地桥区域的大气桥等机制影响到太平洋过程。

2.1 春季气候展望

相比于赤道地区纬向异常模态的大西洋Nino型,热带大西洋更显着的海温模态当属AMM,它表现为跨赤道的SSTA不对称经向异常模态,与相伴随的大气环流场异常,与热带太平洋海区PMM模态集中在赤道以北一侧也有明显不同;但和PMM相同点在于其锁相期出现在春季,这与3月前后大西洋ITCZ最靠南有关,此时微小经向扰动最容易激发出显着的异常。

图4:同图1,但为同期OLR距平与700hPa风场距平

路径方面,在副高总体偏南的局面下,台风以西行、较低纬度西北行和转向路径为主,其中前期副高偏强时西行占优,影响华南的台风偏多,而影响华东的台风减少;而在后期,随着副高有所东退,此时台风路径将逐渐偏北偏东,将出现较多转向路径和影响日韩的台风,影响华南的台风则有所减少。

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在当前的大气响应方面,从过去一年的热带太平洋海温与850hPa纬向风场异常的时间序列看,在北半球夏季之后,整个赤道中东太平洋开始了明显增暖,但最大增暖区域始终稳定在日界线附近的中太平洋区;而自北半球秋季起,日界线西侧也开始稳定出现异常赤道西风,表明日界线附近的赤道中太平洋开始出现稳定低空异常辐合,这一点在进入冬季后更加明显;而从冬季的200hPa势函数看,全球热带区域准定常波已经呈现显着的2波型,包括最强烈的异常上升支则正位于日界线西侧附近,表明热带太平洋地区的Walker环流已经响应赤道中太平洋的显着增暖而稍有东移。而这样的热带地区大气响应,也通过热带对流活动的潜热加热与激发遥相关波列,影响到热带外区域的环流。在过去的冬季,东亚地区最为典型的响应便是副热带西北太平洋的反气旋异常,位于反气旋西北侧的我国南方大部地区出现了显着的低空西南风异常与偏强的水汽输送,这也是导致冬季我国南方众多地区出现异常持续阴雨的直接原因。这是由日界线西侧的赤道中西太平洋区域的异常活跃对流(显着的OLR负异常)与潜热加热偏强的强迫所致。在加热区西北侧,出现了与Gill响应高度吻合的显着气旋式环流,随后这一波列继续向西北方传播,在西北侧的东亚近海出现一个下沉波列区,并与Walker环流东移后,菲律宾群岛周边对流活动减弱造成的对流冷却激发的响应叠加,形成了这一异常反气旋环流。可以说,当前热带与热带外太平洋沿岸的大气环流,对本次厄尔尼诺事件已经有明显响应;而这个已稳定在日界线附近的Walker异常上升支,将有利于异常偏暖的表层水在日界线附近区域的堆积,并促进后续西太平洋西风爆发和激发的海洋温跃层内暖性K波并传播,这将有利于后续厄尔尼诺事件的进一步发展。

总体路径以远洋转向北上或西行至南海为主。但如果生成在梅雨锋前,则必然是沿着副高北缘向东北方向移动。

冰雪圈在极地和高海拔地区的气候系统内部作用中扮演了重要角色,也在全球的热量收支平衡中起到了巨大作用。其中,海冰与陆地积雪是季节变率较大的成员,它们的变化对季节尺度的全球或区域气候影响较明显。下文将主要分析当前极地海冰与北半球陆地积雪的影响。

南印度洋副热带偶极

1.2.2 北半球陆面积雪

对于南极而言当前已临近南极极夜,冬季环流态势已经建立完毕,考虑南极平流层上层的位势偏低,信号下传的结果将对应南极极涡自对流层到平流层顶的全层面偏强,这将有利于北半球夏季时AAO正值态势,但若综合考虑影响因子,结论将是前文所提及的振幅较大的情形下总体偏向负位相。

注:本文作者系新浪微博@风云梦远,已获得原作者授权。本文仅为个人分析,仅供学习交流与参考,不具备法律效力。如需要咨询更详细的气候趋势,请联系国家气候中心或各地气象局。本文未说明条件下,季节均指北半球季节。

在上世纪末开始,南极海冰出现了年际显着增多的趋势;但自2015年下半年起,这一趋势突然出现急速反转并很快转入密集度偏低的状态,并在随后数年至今持续偏低,甚至在部分时段创下同期最低——这一时间尺度以2015-16强厄尔尼诺事件显然不足以解释,很可能仍有其他待发现的因子作用。

QBO西风位相下,南亚高压将偏南为主,配合北侧经向活动和副热带急流轴,出现近岸爆发的概率偏大。

1.1.4 西北太平洋海区概况

当前太阳活动已进入24周期-25周期交接的活动最低谷期,其中今年截至目前无黑子日已经超过60%,可以反映出当前通常而言,太阳活动的准11a周期影响对地面滞后约2年为主,但即使如此,当前也可以用接近谷值期的状态作为一个潜在外强迫。以陆地表面气温与SST和太阳活动作为变量,可以看到太阳活动与ENSO/PDO出现了类似正相关的状况,因此单考虑太阳活动的准11a周期这一点,今年夏季将有类似PDO负位相状态的大气海表强迫信号出现。当然,在季节尺度上,这一类天文因子的影响程度,较气候系统内部的变率小很多。

而关于二者强度,初夏在西太副高偏南偏强、热带北印度洋海温仍然偏高且南海海温偏低状态下,南海夏季风总体偏弱而西北太平洋热带夏季风将有所偏强,同时副热带季风因副高偏强而增强。但由于南海海温显着偏高,实际的水汽输送仍然偏强。此外北印度洋到南海海温的偏高和高原积雪偏多,会导致夏季风北进程度偏弱,雨带也将偏南。当进入盛夏之时,随着中部型厄尔尼诺事件增强,东印度洋-海洋性大陆地区仍然维持较显着Walker环流下沉支异常且稍有增强,南亚与东亚夏季风强度依旧偏弱。但由于ENSO激发的波列响应发生变化,副高逐渐转向偏东,此时副热带季风强度也将从前期偏强减弱。。

图8:PMM对应的海温异常与10m风场模态和降水异常

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