邱　粲，曹　潔，王　靜，劉煥彬

山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031

近年來(lái)，隨著城市工業(yè)化步伐的加快，能源消耗、環(huán)境污染等問(wèn)題引起廣泛關(guān)注。尤其是人口稠密的大中型城市，大氣污染日趨嚴(yán)重，空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)對(duì)于指導(dǎo)公眾出行和保護(hù)人體健康凸顯出重要意義?！吨腥A人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》第十一條第二款規(guī)定，國(guó)務(wù)院和省、自治區(qū)、直轄市人民政府的環(huán)境保護(hù)行政主管部門，應(yīng)當(dāng)定期發(fā)布環(huán)境公報(bào)。我國(guó)于2000年11月24日由原國(guó)家環(huán)保總局和中國(guó)氣象局聯(lián)合發(fā)文(環(huán)發(fā)[2000]231號(hào))，規(guī)定自2001年6月5日起，發(fā)布47個(gè)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，濟(jì)南市屬于47個(gè)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)城市之一。眾多的科學(xué)研究表明，氣象條件與城市大氣污染關(guān)系密切[1-4]。研究?jī)烧咧g的相關(guān)關(guān)系以及典型不利氣象條件對(duì)污染發(fā)生的誘導(dǎo)性作用，對(duì)于空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。該文利用濟(jì)南市2001—2010年逐日空氣污染指數(shù)與同期相關(guān)的氣象資料，對(duì)近10年濟(jì)南市的空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行了總結(jié)，并分析了空氣質(zhì)量與氣象要素間的相互關(guān)系，利用逐步分析法篩選出關(guān)鍵影響因子，建立起不同季節(jié)內(nèi)空氣污染指數(shù)與關(guān)鍵氣象要素的回歸方程。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1資料來(lái)源

所用濟(jì)南市空氣污染資料為國(guó)家環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心公布的重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)中濟(jì)南市2001—2010年逐日空氣污染指數(shù)以及濟(jì)南市環(huán)保局發(fā)布的濟(jì)南市環(huán)境狀況公報(bào)。氣象資料為濟(jì)南市同期高空及地面觀測(cè)資料。

1.2空氣污染指數(shù)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表1為空氣污染指數(shù)(API)具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1　空氣污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

API是將根據(jù)我國(guó)空氣污染特點(diǎn)和污染防治重點(diǎn)篩選出的二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物3種常規(guī)監(jiān)測(cè)的污染物的濃度簡(jiǎn)化成的單一的、概念性的指數(shù)形式?？諝赓|(zhì)量日?qǐng)?bào)中所公布的API是基于各污染物濃度的24 h平均值計(jì)算的，3項(xiàng)污染指標(biāo)分指數(shù)中的最大值確定為該城市當(dāng)日的API。

2　空氣質(zhì)量狀況的變化特征

2.1空氣質(zhì)量年際變化特征

圖1為2001—2010年濟(jì)南市API變化曲線，圖2為2001—2010年濟(jì)南市空氣質(zhì)量等級(jí)分布圖，圖3為2001—2010年濟(jì)南市逐年空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)。

圖1　2001—2010年濟(jì)南市API變化曲線

圖2　2001—2010年濟(jì)南市空氣質(zhì)量等級(jí)分布

圖3　2001—2010年濟(jì)南市逐年空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)圖

經(jīng)研究知，2001—2010年濟(jì)南市API平均值為91，符合國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(51～100)，屬于良。從API年平均值來(lái)看，10年中變化起伏不大，整體略有下降。由圖2可知，近10年來(lái)，濟(jì)南市空氣質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)的天數(shù)出現(xiàn)最多，占全部統(tǒng)計(jì)天數(shù)的71.3％。屬于Ⅲ級(jí)的污染天氣共907 d，占統(tǒng)計(jì)天數(shù)的24.9％?？諝赓|(zhì)量達(dá)到Ⅰ級(jí)，或超過(guò)Ⅳ級(jí)的天數(shù)均較少。由此可知，濟(jì)南市近10年空氣質(zhì)量以Ⅱ級(jí)為主，Ⅲ1和Ⅲ2級(jí)的天數(shù)也占到一定比例。圖3顯示，濟(jì)南市空氣質(zhì)量污染天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，2004年達(dá)到峰值(輕微污染以上天數(shù)全年152 d)后，2005年降至101 d，2006年繼續(xù)減少，2007年僅為49 d，之后略有回升，但幅度不大?？梢?，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境問(wèn)題關(guān)注程度的不斷提高以及2009年全運(yùn)會(huì)的召開，濟(jì)南市大力開展的大氣環(huán)境綜合整治工作收到了良好的效果，空氣質(zhì)量得到明顯改善。

2.2首要污染物分析

由API定義可知，3項(xiàng)污染指標(biāo)分指數(shù)中的最大值確定為該城市當(dāng)日的API，而該指數(shù)對(duì)應(yīng)的污染物即確定為當(dāng)日的首要污染物，當(dāng)API<50，即空氣質(zhì)量狀況為Ⅰ級(jí)時(shí)，不報(bào)告首要污染物。表2列出了濟(jì)南市2001—2010年首要污染物的情況。研究時(shí)段內(nèi)，非Ⅰ級(jí)總天數(shù)為3 556 d，可見，影響濟(jì)南市空氣質(zhì)量最多的污染物是PM10，出現(xiàn)天數(shù)為3 358 d，占統(tǒng)計(jì)非Ⅰ級(jí)總天數(shù)的94.4％。SO2為首要污染物的天數(shù)198 d，占統(tǒng)計(jì)非Ⅰ級(jí)總天數(shù)的5.6％。NO2為首要污染物的天數(shù)為零。

表2　2001—2010年濟(jì)南市空氣質(zhì)量首要污染物情況

2001—2010年，濟(jì)南市受PM10影響天數(shù)最多的是2009年(346 d)，占全年統(tǒng)計(jì)非Ⅰ級(jí)總天數(shù)的96.9％，最少的是2007年(325 d)，占全年統(tǒng)計(jì)非Ⅰ級(jí)總天數(shù)的92.9％。PM10的來(lái)源可分為本地來(lái)源和沙塵暴等氣象條件影響下的外地輸送來(lái)源[5-6]。本地來(lái)源主要包括工礦企業(yè)的煙囪、機(jī)動(dòng)車尾氣塵、未鋪瀝青、水泥的路面揚(yáng)塵、土壤風(fēng)沙塵以及建筑施工工地水泥塵和鋼鐵塵等[5-7]。此外，環(huán)境空氣中的硫氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物也可與空氣中的其他化合物相互作用形成細(xì)粒子。由于PM10在空氣中停留時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)人體健康以及大氣能見度均有較大影響，故應(yīng)引起足夠重視[8]。

2.3空氣質(zhì)量變化的季節(jié)變化特征

由表3可見，濟(jì)南市的空氣質(zhì)量變化具有明顯的季節(jié)特征，呈現(xiàn)冬、春季明顯污染天數(shù)較多，夏、秋季空氣質(zhì)量相對(duì)較好的特點(diǎn)。四季中，冬季API平均值達(dá)到103，為空氣質(zhì)量最差的季節(jié)，2001—2010年輕微污染以上的天數(shù)達(dá)到359 d，概率為39.8％。分析原因認(rèn)為：首先，冬季是北方城市的采暖期，采暖設(shè)施運(yùn)行負(fù)荷高，大量燃煤造成污染物排放強(qiáng)度大[9]。此外，從氣象條件分析，冬季平均風(fēng)速較小，容易形成逆溫，這樣的氣象條件使得污染物不易擴(kuò)散，故而空氣質(zhì)量較差。春季API平均值為97，輕微污染以上的天數(shù)為311 d，概率為33.9％，與冬季相比，春季氣溫回升明顯，氣候干燥，空氣中的污染物容易滯留于近地面層[10-11]，污染物的主要來(lái)源是沙塵、揚(yáng)塵以及煤煙塵。夏季API平均值為81，達(dá)到空氣質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，輕微污染以上的天數(shù)僅為109 d，概率為11.9％，是四季中空氣質(zhì)量最好的季節(jié)，主要是由于夏季濟(jì)南市進(jìn)入汛期，雨水增多，氣溫較高，逆溫的條件出現(xiàn)較少，這些都為空氣質(zhì)量的改善提供了有利的氣象條件。

表3　2001—2010年濟(jì)南市空氣質(zhì)量季節(jié)變化

3　API與氣象要素的相關(guān)性分析

3.1API與單個(gè)氣象要素的相關(guān)性分析

利用2001—2010年的濟(jì)南市日平均API和月平均API分別與同期常規(guī)氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析，求出它們之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，詳見表4。

表4　2001—2010年濟(jì)南市API與氣象要素相關(guān)關(guān)系

由表4可見，API與能見度、日平均風(fēng)速(除春季外)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，且均通過(guò)0.01置信水平檢驗(yàn)，與日平均風(fēng)速在春季存在正相關(guān)關(guān)系。其他通過(guò)0.01置信水平檢驗(yàn)的有：API與日平均降水在春季存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；API與日平均氣溫在夏、冬季存在正相關(guān)關(guān)系，在秋季存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；API與總云量在冬季存在正相關(guān)關(guān)系；API與低云量在夏、秋季存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；API與相對(duì)濕度在春、夏季存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，在冬季存在正相關(guān)關(guān)系；API與日平均氣壓在冬季存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。其他時(shí)段API與氣象要素的相關(guān)關(guān)系或僅通過(guò)0.05置信水平檢驗(yàn)，或未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。根據(jù)逐日API與地面氣象要素的日均值相關(guān)分析的結(jié)果可知，API日均值與單個(gè)氣象要素日均值的相關(guān)性較低，只有當(dāng)一種或多種氣象要素在有利于或不利于污染物的擴(kuò)散上有突出貢獻(xiàn)時(shí)，當(dāng)天的API才會(huì)受其影響而明顯下降或升高，不同的氣象要素對(duì)API的影響各不相同，同一氣象要素在不同季節(jié)對(duì)空氣質(zhì)量的影響也不相同。

API與氣象要素的月相關(guān)性較高。API的月均值與月均降水、氣溫、總云量、低云量、相對(duì)濕度存在通過(guò)0.01置信水平檢驗(yàn)的較高負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣壓存在正相關(guān)關(guān)系，通過(guò)0.05置信水平檢驗(yàn)。地面的高溫、高濕等氣象條件容易加劇大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性，有利于大氣垂直運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，從而有助于污染物在垂直方向上的擴(kuò)散，使得污染指數(shù)較低。相反，大氣層結(jié)的穩(wěn)定度越高越不利于污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致較高污染指數(shù)的產(chǎn)生。

3.2API與多元?dú)庀笠氐募竟?jié)性回歸方程

雖然API日均值與單個(gè)氣象要素日均值相關(guān)性普遍較低，其影響程度在不同季節(jié)也各不相同，但兩者之間的相關(guān)性是明顯存在的。現(xiàn)利用逐步回歸分析的方法，綜合考慮各氣象要素對(duì)API的共同作用，剔除對(duì)API日均值影響不顯著的氣象要素，篩選關(guān)鍵影響因子建立不同季節(jié)API與關(guān)鍵氣象要素的回歸方程。表5列出了具體方程及相關(guān)參數(shù)。

表5　不同季節(jié)內(nèi)API與關(guān)鍵氣象要素的回歸方程

由于在多元回歸中判定系數(shù)的值會(huì)隨著進(jìn)入回歸方程自變量的個(gè)數(shù)或樣本容量大小的增加而增加，故為消除自變量的個(gè)數(shù)以及樣本量的大小對(duì)判定系數(shù)的影響，采用修正R2值來(lái)表征方程的擬合優(yōu)度。結(jié)果表明：在春季，被選入回歸方程的氣象要素是相對(duì)濕度和能見度；夏季篩選入方程關(guān)鍵影響因子較多，包括日平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、低云量以及能見度；秋季的回歸方程中，除與夏季相同的影響因子外，又引入了日平均氣溫；冬季回歸方程中篩選出的影響因子只有日平均氣溫和能見度。在建立的各個(gè)季節(jié)的回歸方程中，雖然包含的變量不同，但其顯著性概率值均小于0.001,即拒絕回歸系數(shù)均為0的假設(shè)。因此，各方程擬合效果良好。此外，分析四季的回歸方程可知：與API相關(guān)性最為密切的氣象要素是能見度，其在四季的方程中均被選為關(guān)鍵影響因子；其次是相對(duì)濕度，在春、夏、秋3個(gè)季節(jié)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響；日平均風(fēng)速和低云量在夏季和秋季對(duì)空氣質(zhì)量作用顯著；日平均氣溫在秋季和冬季會(huì)是影響API的關(guān)鍵因子之一。日平均降水量、日平均氣壓以及總云量在各個(gè)季節(jié)的回歸方程中均未被篩選為關(guān)鍵影響因子，故而可知與其他氣象要素相比，它們與API的相關(guān)性較差。

4　較高污染指數(shù)過(guò)程的天氣形勢(shì)分析

2001—2010年濟(jì)南市發(fā)生API>300的重度污染天數(shù)為13 d，其中春、夏、秋、冬分別為5、0、2、6 d。研究表明，天氣系統(tǒng)的移動(dòng)和變化會(huì)影響大氣擴(kuò)散條件和污染物傳輸條件，從而改變空氣中顆粒物的濃度[9]。分別分析重度污染日的天氣形勢(shì)可見，影響濟(jì)南地區(qū)空氣質(zhì)量的天氣形勢(shì)可歸納為低壓、均壓場(chǎng)、高壓前部。分別選取春、秋、冬季的一次重污染過(guò)程進(jìn)行典型個(gè)例分析。

4.12010年3月20日重污染過(guò)程天氣形勢(shì)

圖4為2010年3月20日重污染過(guò)程前后幾日API變化曲線，圖5、圖6分別為20日8：00 500 hPa高度場(chǎng)和地面氣壓場(chǎng)。

圖4　2010年3月20日重污染過(guò)程前后幾日API變化曲線

注：底圖源自國(guó)家測(cè)繪地理信息局網(wǎng)站(http://map.sbsm.gov.cn/mcp/index.asp)下載的1∶400萬(wàn)中華人民共和國(guó)地圖政區(qū)版，審圖號(hào)為GS(2006)2394號(hào)，下載日期為2012-02-08。下同。

圖6　2010年3月20日8：00地面氣壓場(chǎng)

此次污染過(guò)程自3月20日起，至3月23日結(jié)束，持續(xù)4 d，其中3月20日為重污染日，最嚴(yán)重時(shí)刻出現(xiàn)在20日8：00前后，地面氣象觀測(cè)記錄顯示有揚(yáng)沙，在500 hPa高空?qǐng)D上可見，19日20：00山東上空環(huán)流較為平直，基本上處于偏西氣流控制下。20日8：00 500 hPa槽線已接近濟(jì)南，但是表現(xiàn)在低層700 hPa及850 hPa圖上，槽線已過(guò)濟(jì)南，地面上冷空氣前鋒已達(dá)黃海中部至長(zhǎng)江中下游一帶，在渤海灣北部天津附近還有一東西向的冷鋒存在。濟(jì)南地區(qū)處于冷高壓前部控制下，但其后還有冷空氣補(bǔ)充。故此次污染過(guò)程的污染物來(lái)源主要是與冷空氣的影響路徑有關(guān)，高壓中心19日20：00在蒙古國(guó)西部地區(qū)，到20日8：00其中心移至蒙古國(guó)中部地區(qū)，14：00又移至河套北部，速度明顯加快，而此時(shí)正值春季，由于干旱少雨,地表異常干燥松散,抗風(fēng)蝕能力很弱，起源于蒙古國(guó)南部或內(nèi)蒙古中西部的沙塵天氣沿西北路徑東移，影響我國(guó)西北地區(qū)東部、華北北部、東北大部，3月19日至3月22日的空氣日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)表明，北京地區(qū)在此期間空氣質(zhì)量為輕微污染至重污染，氣象觀測(cè)資料顯示，3月20日左右河北省多數(shù)站點(diǎn)觀測(cè)到揚(yáng)沙。

4.22010年11月11日重污染過(guò)程天氣形勢(shì)

圖7為2010年11月11日重污染過(guò)程前后幾日API變化曲線圖，圖8、圖9分別為11日8：00 500 hPa高度場(chǎng)和11日2：00地面氣壓場(chǎng)。從圖7可見，此次污染過(guò)程的典型特征是11月10日以前以及12日之后空氣質(zhì)量均為良好，僅11日出現(xiàn)重污染。11月10日8：00 500 hPa高空?qǐng)D上，山東處于弱脊西西北氣流控制下，地面在弱高壓控制下，天氣晴朗，空氣質(zhì)量良好；10日20：00 500 hPa河套西部有低槽發(fā)展，但山東上空仍為弱脊控制。地面圖上顯示，濟(jì)南地區(qū)轉(zhuǎn)為由弱高壓后部、低壓前部控制，并有少量云系發(fā)展。11日8：00 500 hPa高空，之前位于河套西部地區(qū)的低槽已移至山東西部，并有所加深，濟(jì)南地區(qū)處于槽前西南氣流中，對(duì)應(yīng)8：00地面圖上，濟(jì)南地區(qū)處于低壓控制下，實(shí)況監(jiān)測(cè)顯示有霾，此時(shí)高空受西南氣流影響，天氣形勢(shì)比較穩(wěn)定，地面氣壓較10日下降1.2 hPa，為995.3 hPa，日照時(shí)間較10日減少2.9 h，為5.3 h，平均總云量明顯增加3，達(dá)到4.5，當(dāng)處于這樣的天氣形勢(shì)時(shí)，由于處于低壓控制，使本地的污染狀況因積累而加重。

圖7　2010年11月11日重污染過(guò)程前后幾日API變化曲線圖

圖8　2010年11月11日8：00 500 hPa高度場(chǎng)

4.32009年2月6日重污染過(guò)程天氣形勢(shì)

圖10為2009年2月6日重污染過(guò)程前后幾日API變化曲線圖，圖11、圖12分別為5日20：00 500 hPa高度場(chǎng)和6日2：00地面氣壓場(chǎng)。由圖10可知，此次污染過(guò)程的特征是持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，1月30日空氣質(zhì)量始為輕微污染，2月2日達(dá)到中度污染，之后污染程度略為減輕至輕微污染，2月6日出現(xiàn)重污染，之后逐漸好轉(zhuǎn)，2月10日結(jié)束此次污染過(guò)程。分析表明，此次污染過(guò)程的原因首先是冬季采暖期采暖設(shè)施的大量燃煤提供了充足的污染源，而天氣形勢(shì)決定了大氣稀釋擴(kuò)散能力的不足。

圖9　2010年11月11日2：00地面氣壓場(chǎng)

圖11　2009年2月5日20：00 500 hPa高度場(chǎng)

圖12　2009年2月6日2：00地面氣壓場(chǎng)

2月1日500 hPa高空中緯度地區(qū)呈緯向環(huán)流，濟(jì)南地區(qū)上空等高線較為稀疏，對(duì)應(yīng)地面處于均壓場(chǎng)控制下，但在貝加爾湖西部有一個(gè)中心氣壓為1 055 hPa的閉合高壓，冷空氣前鋒位于貝加爾湖至蒙古國(guó)西部一線，在這種天氣形勢(shì)影響下，濟(jì)南地區(qū)污染物積聚，2月2日出現(xiàn)中度污染，2日20：00后原位于貝加爾湖地區(qū)的冷空氣前鋒已過(guò)山東，地面風(fēng)速有所加大，污染略有緩解，3、4日在西北氣流控制下由中度污染轉(zhuǎn)為輕微污染。5、6日500 hPa中緯度地區(qū)依然維持較為平直的西風(fēng)環(huán)流，并不時(shí)有短波槽東移影響山東。地面仍由均壓場(chǎng)或弱的高壓后部控制，在高空淺槽的影響下，地面云量明顯增多，相對(duì)濕度有所增大，日照時(shí)數(shù)減少，地面觀測(cè)有輕霧，6日轉(zhuǎn)為偏西氣流，濕度減小，地面觀測(cè)為煙，地面一直處于均壓場(chǎng)中，風(fēng)速小，云量多，底層存在逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，湍流交換較弱，不利于大氣污染物的擴(kuò)散，使大氣污染物在大氣中滯留，污染物濃度達(dá)到峰值，出現(xiàn)重污染，如圖8、圖9所示。2月7日開始降雨，8日降雨量達(dá)到53 mm，9日降雨量為11 mm，9日8：00 500 hPa高空濟(jì)南轉(zhuǎn)為西北氣流控制，天氣轉(zhuǎn)晴，濕度明顯下降，濟(jì)南持續(xù)了近10日的污染過(guò)程結(jié)束。

5　結(jié)論

1)近10年來(lái)，濟(jì)南市空氣質(zhì)量等級(jí)以Ⅱ級(jí)出現(xiàn)的天數(shù)最多?？諝赓|(zhì)量等級(jí)輕微污染及以上的天數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。說(shuō)明隨著近年來(lái)各項(xiàng)大氣環(huán)境綜合整治工作的開展，空氣質(zhì)量狀況有了明顯改善。

2) PM10是濟(jì)南市最主要的污染物，作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)最多。SO2作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)也達(dá)到一定比例。

3)濟(jì)南市的空氣質(zhì)量變化具有明顯的季節(jié)特征，呈現(xiàn)冬、春季明顯污染天數(shù)較多，夏、秋季空氣質(zhì)量相對(duì)較好的特點(diǎn)。

4)四季的API與同期的單一常規(guī)氣象要素有一定的相關(guān)性，尤其是API與氣象要素的月相關(guān)系數(shù)較高。通過(guò)建立API與多元?dú)庀笠氐募竟?jié)性回歸方程可明顯發(fā)現(xiàn)，與空氣質(zhì)量相關(guān)性最為顯著的氣象要素是能見度，其次是相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速、低云量和日平均氣溫。降水量、氣壓以及總云量與空氣質(zhì)量的相關(guān)性較差。

5)天氣系統(tǒng)是直接影響污染物的傳輸條件和大氣的擴(kuò)散條件的重要因素，濟(jì)南市的空氣質(zhì)量重污染過(guò)程對(duì)應(yīng)的典型不利天氣形勢(shì)：500 hPa高空是以緯向環(huán)流為主的偏西氣流控制，地面為高壓前部、低壓或者均壓場(chǎng)，分別對(duì)應(yīng)有冷空氣影響過(guò)程或由暖變冷的降溫過(guò)程，并多伴有揚(yáng)沙、霾或霧等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。

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