潘進軍申彥波*邊澤強王香云
1)(中國氣象局公共氣象服務中心,北京100081)2)(中國氣象局風能太陽能資源中心,北京100081)
3)(中國氣象局氣象探測中心,北京100081)
氣象要素對太陽能電池板溫度的影響
潘進軍1)2)申彥波1)2)*邊澤強3)王香云1)2)
1)(中國氣象局公共氣象服務中心,北京100081)2)(中國氣象局風能太陽能資源中心,北京100081)
3)(中國氣象局氣象探測中心,北京100081)
溫度升高會引起光伏電池發(fā)電效率下降,電池板溫度是確定溫度折減系數(shù)的必要條件,目前我國尚沒有充足的外場實測電池板溫度數(shù)據(jù)。該文基于北京南郊太陽能試驗站2010年全年逐時電池板溫度、氣溫、地表溫度、斜面和水平輻照度實測數(shù)據(jù),分析了電池板溫度隨時間的變化及其與各氣象要素的關系。結果表明:電池板溫度與氣溫和斜面輻照度的綜合相關或與地表溫度的線性相關最好,但實測數(shù)據(jù)不易獲得;電池板溫度與氣溫的線性相關較好,數(shù)據(jù)較易獲得且質量有保證,從現(xiàn)實可行性考慮,是推算電池板溫度最實用的相關方程;電池板溫度與氣溫和水平輻照度的綜合相關可以作為輔助方程,用于推算氣溫較高情況下的電池板溫度?;?010年電池板溫度實測數(shù)據(jù)和加權計算的方法,得到北京地區(qū)年平均光伏發(fā)電溫度折減系數(shù)約為2%,最高可達到13.3%。
太陽能電池板溫度;氣溫;地表溫度;輻照度;光伏發(fā)電溫度折減系數(shù)
太陽能作為氣候資源的一種,其大規(guī)模利用會受到各種氣象因素的影響。對于光伏發(fā)電,溫度是影響其發(fā)電效率的重要因素之一。晶體硅太陽電池是光伏發(fā)電的主要設備,由于硅材料自身的物理特性,溫度上升會引起開路電壓和填充因子下降,進而導致輸出電功率的下降。根據(jù)實驗室測定,對于一般晶體硅太陽電池,溫度影響系數(shù)γ在-0.35%/℃與-0.5%/℃之間,即在標準測試溫度以上,溫度每升高1℃,太陽電池的發(fā)電效率下降0.35%~0.5%[1-3]。
太陽電池發(fā)電時其溫度會隨著外界氣象條件,尤其是氣溫和太陽輻射的變化而變化。在光伏電站的設計中,通常采用溫度折減系數(shù)cT來定量描述實際氣象條件下溫度變化對光伏發(fā)電量的影響,該系數(shù)可表示為
式(1)中,Tcell為電池板溫度,T0為標準測試溫度(即25℃)。由于我國氣候特征多樣,高溫區(qū)域面積很廣[4-8],溫度對光伏發(fā)電的影響顯著,cT成為光伏電站設計中的必要參數(shù)之一。
由式(1)可知,確定合理的溫度折減系數(shù),只需知道Tcell。而我國目前并沒有充足的外場實測電池板溫度數(shù)據(jù),從而為cT的定量化帶來很大不確定性。在不同地區(qū)光伏電站的設計中,該系數(shù)往往依據(jù)經驗甚至隨意設定,取值范圍為1%~6%,差別較大,且對氣候背景的考慮很不充分。
本文針對該問題,利用北京南郊太陽能試驗站實測數(shù)據(jù),分析氣象要素對太陽能電池板溫度的影響,并建立相關關系,嘗試得到由氣象要素推算電池板溫度的方法,從而為溫度折減系數(shù)的合理設定提供依據(jù)。
1.1 資 料
北京南郊太陽能試驗站(以下簡稱試驗站)位于北京市觀象臺內(39.93°N,116.28°E),海拔高度為54.8 m。試驗站由中國氣象局氣象探測中心于2009年7月建成,主要為分析研究光伏發(fā)電與氣象要素的關系提供第一手實測數(shù)據(jù),測量項目包括常規(guī)氣象要素、多種斜面上的太陽輻射和光伏電池發(fā)電功率以及電池板溫度等。
本文所用數(shù)據(jù)分為兩類:試驗站2010年逐時實測數(shù)據(jù),包括以緯度角傾斜放置的單晶硅電池板溫度(以下簡稱板溫,記為Tcell)和以緯度角傾斜放置的總輻射表測量數(shù)據(jù)(以下簡稱斜面輻照度,記為IGS);與試驗站相鄰的北京市觀象站(區(qū)站號為54511)同期數(shù)據(jù),包括1.5 m高度的氣溫(百葉箱溫度,記為Tair)、下墊面溫度(0 cm地表溫度,簡稱地表溫度,記為Tground)和水平放置的總輻射表測量數(shù)據(jù)(簡稱水平面輻照度,記為IGH),來源于國家氣象信息中心。
試驗站由于儀器故障、維修以及增添設備等原因,于2010年8月5—11日、8月29—30日、9月13—27日缺測,數(shù)據(jù)完整率約94%,滿足研究需要。
1.2 數(shù)據(jù)處理方法
考慮到太陽能電池僅在白天發(fā)電,而溫度對其效率的影響也只在發(fā)電時才有體現(xiàn),因此研究中挑選白天數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》中的方法和附表[9],確定試驗站每日的日出和日落時間,由此挑選出白天數(shù)據(jù),共4222個樣本進行分析,約占全年有效數(shù)據(jù)的51%。文中所用的溫度日平均值是對每日白天的數(shù)據(jù)求平均得到。
2.1 年變化
圖1給出了2010年板溫、氣溫和地表溫度白天日平均值隨時間的變化曲線,白天逐時值在4個季節(jié)和全年的統(tǒng)計結果列于表1。由圖1和表1可知,3種溫度年變化趨勢基本一致,近似呈正態(tài)分布;春、夏季(3—8月)板溫和地表溫度數(shù)值相近(平均值相差不到1℃),均明顯高于氣溫(高6℃以上);秋、冬季(9—12月、1—2月)地表溫度和氣溫比較接近(平均值相差約2℃),而板溫則明顯高于兩者(高6℃以上);從全年看,3條曲線最高值是地表溫度,為46.2℃(7月5日),最低值是氣溫,為-11.1℃(1月5日),而板溫則是年平均值最高。
3種溫度的年變化與北京地區(qū)不同季節(jié)的氣候特點密切相關,如春季多大風、夏季多降雨、秋季涼爽、冬季干冷等,但由于溫度變化的復雜性,氣溫主要受氣象因素(輻照、風速、濕度、空氣質量等)影響,地表溫度受氣象要素和地表覆蓋共同影響,而板溫除了與氣象要素有關外,還受其自身工作狀態(tài)下發(fā)熱的影響,因此難于應用某一種或幾種因素同時解釋上述變化特點,有關這方面的機理研究將通過對多種氣象要素逐時數(shù)據(jù)的細致分析進一步開展。
圖1 試驗站2010年板溫、氣溫和地表溫度白天日平均值隨時間變化曲線Fig.1 Variation of daytime average solar cell temperature,air temperature and ground temperature in 2010 at experiment station
表1 試驗站2010年白天板溫、氣溫和地表溫度統(tǒng)計結果(單位:℃)Table 1 Statistics of daytime solar cell temperature,air temperature and ground temperature in 2010 at experiment station(unit:℃)
2.2 日變化
圖2是從2010年4個季節(jié)中分別挑選一日(1月8日、4月8日、7月8日、10月8日)得到的板溫、氣溫和地表溫度的日變化曲線,相應的天氣狀況如表2所示。
1月8日,陰天,有霧霾,14:00(北京時,下同)的能見度僅12 km。氣溫和地表溫度變化趨勢基本一致,均較為平緩,而單晶硅電池的板溫則波動較大。從具體數(shù)值看,全天氣溫在-11.7~-7.4℃之間變化,地表溫度比氣溫平均高5℃左右;全天板溫在-13.3~-2.3℃之間變化,呈現(xiàn)出迅速升高、又迅速下降的特征,中午的板溫高于地表溫度,上午和下午的板溫介于地表溫度和氣溫之間,夜間的板溫則低于氣溫,這一方面與冬季的氣候特點有關[10],另一方面也受當天天氣狀況的影響。
4月8日,多云天氣,全天的平均總云量達到90%,風速較大,能見度較好。板溫與地表溫度的大小和變化趨勢均幾乎完全一致,氣溫則完全不同。夜間氣溫最高,板溫次之,地表溫度最低,06:00以后板溫和地表溫度迅速升高,并于中午達到峰值,而后又迅速下降,且地表溫度比板溫下降更快,氣溫在早上06:00以后緩慢升高,直到下午才達到峰值,此后的下降也相對較緩。從具體數(shù)值來看,全天氣溫在9.4~21.5℃之間變化,最高值出現(xiàn)在17:00,全天地表溫度在6.3~35.6℃之間變化,最高值出現(xiàn)在13:00,全天板溫在7.8~35.2℃之間變化,最高值出現(xiàn)在14:00,三者的最低值均出現(xiàn)在06:00。
7月8日,晴間多云,能見度達到30 km。三者變化趨勢之間的關系與4月8日相似,但地表溫度要明顯高于板溫。從具體數(shù)值來看,全天氣溫在24.3~36.4℃之間變化,最高值出現(xiàn)在16:00,全天地表溫度在21.5~64.6℃之間變化,最高值出現(xiàn)在13:00,全天板溫在23.0~53.0℃之間變化,最高值出現(xiàn)在13:00,三者的最低溫度均出現(xiàn)在05:00。
圖2 試驗站2010年典型日板溫、氣溫和地表溫度的日變化曲線Fig.2 Diurnal variation of solar cell temperature,air temperature and ground temperature of typical days in 2010 at experiment station
表2 試驗站2010年典型日的天氣狀況Table 2 Weather conditions of typical daytime in 2010 at experiment station
10月8日,晴間多云,有霧霾,能見度僅8 km。三者變化趨勢之間的關系與4月8日相似,但板溫要明顯高于地表溫度,氣溫和地表溫度大小相當。從具體數(shù)值來看,全天氣溫在13.0~24.2℃之間變化,最高值出現(xiàn)在15:00,全天地表溫度在10.4~26.4℃之間變化,最高值出現(xiàn)在13:00,全天板溫在11.6~36.8℃之間變化,最高值出現(xiàn)在13:00,三者的最低溫度均出現(xiàn)在06:00。
綜合以上分析,雖然在不同的季節(jié)和天氣條件下,板溫的變化有其自身特點,但從全年來看,它與氣溫和地表溫度在變化趨勢上存在一致性,這使得由氣象要素推算板溫成為可能。
根據(jù)Ross等[11]的試驗研究,板溫不僅與氣溫相關,還與太陽電池的性能和輻照度有關:
式(2)中,TNOC是光伏電池額定工作溫度,指在輻照度為800 W·m-2、氣溫為20℃、風速為1 m·s-1的外部環(huán)境條件下光伏電池的溫度;性能最佳的組件為33℃,性能最差的組件為58℃,典型組件為48℃;G是太陽電池板上的輻照度,單位為W·m-2;可近似看作由于太陽輻照引起的光熱轉換而產生的板溫升高。
式(2)是在特定試驗條件下測定的板溫與氣象要素的關系,在現(xiàn)實條件下,氣溫數(shù)據(jù)比較容易從氣象站獲得,而太陽電池板上的輻照度數(shù)據(jù)卻不易從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中獲取,需要特定的測量。因此,實際氣象條件下的溫度折減系數(shù)仍然難以確定。為此,參照式(2)思路分析了板溫與氣溫和斜面輻照度的綜合相關,給出了板溫與氣溫和水平面輻照度的綜合相關關系、板溫與地表溫度的相關關系、板溫與氣溫的相關關系等,以便根據(jù)不同的數(shù)據(jù)儲備推算合理的板溫和溫度折減系數(shù)。
3.1 板溫與氣溫和輻照度綜合相關分析
圖3a是2010年全年白天逐時的板溫與氣溫之差和斜面輻照度的相關關系,兩者相關系數(shù)達0.92。由圖3a可以看出,當輻照度較低時,數(shù)據(jù)點比較集中,而當輻照度較高時,則相對離散,這說明板溫的變化可能還會受到其他氣象要素,如風速、濕度、降水等的影響。將圖3a中的趨勢線方程轉換成類似式(2)的關系,得
氣象站的輻射觀測并沒有斜面輻照度,只有水平面輻照度,圖3b給出了板溫與氣溫之差和水平面輻照度的相關關系,兩者相關系數(shù)僅為0.75。由圖3b可以看出,數(shù)據(jù)點比較離散,說明水平面輻照度與斜面輻照度隨時間的變化趨勢并不完全一致。將圖3b中的趨勢線方程轉換成類似式(2)的關系,得
圖3 板溫與氣溫之差和輻照度的相關關系(a)斜面輻照度,(b)水平面輻照度Fig.3 Correlation of the difference between solar cell temperature and air temperature to solar irradiance(a)slope solar irradiance,(b)horizontal solar irradiance
3.2 板溫與地表溫度相關分析
由于我國目前僅有98個氣象站開展輻射觀測,輻照度的數(shù)據(jù)并不充足,因此,根據(jù)前面時間變化分析,圖4給出了板溫與地表溫度之間的相關關系,兩者的相關系數(shù)達到0.94。由圖4可以看出,板溫與地表溫度的相關系數(shù)甚至超過了板溫與氣溫和斜面輻照度的綜合相關,數(shù)據(jù)點的離散程度也明顯較低,由于兩種溫度的變化原理類似,地表溫度的變化不僅與氣溫和輻射有關,還可能受風速、濕度和降水等氣象要素的影響。將圖4中的趨勢線方程轉換成板溫的推算方程,得
圖4 板溫與地表溫度的相關關系Fig.4 Correlation between solar cell temperature and ground temperature
3.3 板溫與氣溫相關分析
雖然地表溫度是氣象站的基本觀測要素之一,但其觀測方法和要求相對復雜,觀測數(shù)據(jù)的質量也有待提高[12-15],圖5給出了板溫與氣溫之間的相關關系,兩者之間的相關系數(shù)為0.88,由圖5可以看出,數(shù)據(jù)點的下邊緣比較平齊,可視為氣溫轉換板溫時的邊界條件。將圖5中的趨勢線方程轉換成板溫的推算方程,得
圖5 板溫與氣溫的相關關系Fig.5 Correlation between solar cell temperature and air temperature
為檢驗上述相關方程的計算效果,將各相關關系用于推算2009年8—10月的板溫,并與同期的實測板溫進行對比(表3)。由表3可以看出,式(3),即由氣溫和斜面輻照度推算的板溫與實測值最接近,3個月的綜合相關系數(shù)超過0.97;式(4),即由氣溫和水平輻照度推算的板溫與實測值也很接近,3個月的相關系數(shù)明顯高于該式自身的相關系數(shù),這主要是由于在這3個月期間,斜面輻照度和水平輻照度比較接近(兩者的差異主要體現(xiàn)在冬季);式(5),即由地表溫度推算的板溫與實測值的相關系數(shù)也超過0.95;式(6),即由氣溫推算的板溫與實測值相差最大,相關系數(shù)為0.86。
綜合以上分析,板溫與氣溫和斜面輻照度的綜合相關以及與地表溫度的線性相關最好,也更符合溫度變化的內在聯(lián)系,在數(shù)據(jù)充足且質量有保證的情況下,是推算板溫和溫度折減系數(shù)的最佳選擇;板溫與氣溫的線性相關較好,但由于兩者的影響因素不完全相同,內在聯(lián)系不密切,只可作為僅有氣溫實測數(shù)據(jù)時的替代選擇;板溫與氣溫和水平輻照度的綜合相關最差,但可用于極端板溫推算。
表3 2009年8—10月的板溫實測值與推算值及其相關系數(shù)Table 3 Comparison of calculated Tcellwith observed Tcellin Aug,Sep and Oct of 2009 with their correlation coefficients
3.4 高溫條件下的相關分析
在以上相關分析中,板溫與氣象要素之間均存在一定程度的離散,所建立的板溫推算方程主要反映趨勢線附近的狀況,通過將高值拉低和低值拔高使所得結果的平均值與實測值比較接近(如表3所示),但卻因此而不能反映極端高溫或低溫的情形。如利用式(6)進行氣溫到板溫的轉換,得到試驗站2010年的最高板溫為49.4℃,比實測值低近9℃,極端高溫的情形被掩蓋了。
為了能夠在沒有斜面輻照度或地表溫度的情況下,仍可根據(jù)氣溫推算高溫情形下的板溫,這里挑選白天氣溫35℃以上的數(shù)據(jù)(共67個樣本)進行分析(圖6)。由圖6可以看出,氣溫高于35℃,板溫與氣溫之差和水平輻照度的綜合相關性明顯變好,相關系數(shù)提高到0.87,數(shù)據(jù)點的離散程度也比圖3b明顯降低。將圖6中的趨勢方程轉換成極端板溫的推算方程,得
根據(jù)式(7)計算試驗站最高板溫為57.2℃,與實測值接近。
需要特別指出的是,以上均是基于1年逐時實測數(shù)據(jù)所建立的相關方程,因此在用于推算板溫時,輸入數(shù)據(jù)也應是逐時的氣溫、輻照度或地表溫度。
圖6 氣溫高于35℃時,板溫與氣溫之差和水平輻照度的相關關系Fig.6 Correlation of the difference between solar cell temperature and air temperature to horizontal solar irradiance,when air temperature higher than 35℃
利用試驗站全年逐時板溫數(shù)據(jù),在式(1)的基礎上,采用加權計算的方法,近似確定年平均的光伏發(fā)電溫度折減系數(shù)cT,其中假定板溫在25℃以下時,晶體硅電池的效率為100%。
式(8)中,N1為一年中白天的總時次,N2為白天板溫大于25℃的時次,為N2條件下的平均板溫,T0為太陽能電池板實驗室標準測試溫度(即25℃),γ為太陽能電池板的溫度系數(shù),本文對晶體硅電池取0.4%/℃。式(8)中所用溫度均為板溫,若無實測數(shù)據(jù),則需根據(jù)式(3)~式(7)由氣象要素推算。
表4是2010年試驗站白天逐時板溫實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果,據(jù)此利用式(8)計算得到年平均溫度折減系數(shù)為1.82%,最高溫度折減系數(shù)達到13.3%。
由于氣溫是變化的,以上計算結果的氣候代表性如何,還需具體分析。圖7給出了北京市觀象臺近30年的氣溫距平變化。由圖7可以看出,北京地區(qū)近30年平均氣溫顯著升高,但2010年的平均氣溫(12.6℃)比30年平均值(12.9℃)偏低0.3℃,因此,上述溫度折減系數(shù)可能略低于多年平均值。同時,考慮到試驗站數(shù)據(jù)缺測時段分布在溫度較高的8月、9月,也可能使溫度折減系數(shù)偏低。綜合考慮,北京地區(qū)的光伏發(fā)電溫度折減系數(shù)可近似取2%。
圖7 1981—2010年北京市觀象臺近30年年平均氣溫距平變化Fig.7 Variation of air temperature anomaly at Beijing Weather Observatory during 1981—2010
表4 試驗站2010年白天逐時實測板溫統(tǒng)計Table 4 Statistic of hourly real-time solar cell temperature at daytime in 2010 of experiment station
利用北京南郊太陽能試驗站2010年實測數(shù)據(jù),分析了板溫隨時間的變化及其與各氣象要素的關系,主要結論如下:
1)板溫的年變化趨勢與氣溫和地表溫度基本一致,但數(shù)值大小在不同季節(jié)有變化,春、夏季(3—8月)板溫和地表溫度數(shù)值相近,均明顯高于氣溫,秋、冬季(9—12月、1—2月)地表溫度和氣溫比較接近,而板溫則明顯高于兩者。
2)從相關關系來看,板溫與氣溫和斜面輻照度的綜合相關以及板溫與地表溫度的線性相關系數(shù)都在0.90以上,也更符合溫度變化的內在聯(lián)系,是推算板溫和溫度折減系數(shù)的最佳選擇;板溫與氣溫的線性相關系數(shù)為0.88,可作為僅有氣溫實測數(shù)據(jù)時的替代選擇;板溫與氣溫和水平輻照度的綜合相關系數(shù)僅有0.75,但當氣溫為35℃以上時,相關系數(shù)提高到0.87,該關系可用于推算極端板溫和相應的溫度折減系數(shù)。
3)根據(jù)2010年實測的板溫數(shù)據(jù),綜合考慮氣候變化和數(shù)據(jù)缺測因素,得到北京地區(qū)年平均的光伏發(fā)電溫度折減系數(shù)約為2%,極端最高達到13.3%。
文中給出了板溫與氣象要素的多種相關方程,從溫度變化的內在聯(lián)系看,板溫與氣溫和斜面輻照度的綜合相關或與地表溫度的線性相關是最佳選擇,但斜面輻照度一般沒有逐時實測數(shù)據(jù),而地表溫度實測數(shù)據(jù)可能存在質量問題;從現(xiàn)實可行性考慮,氣溫是氣象站最基本的觀測要素,容易獲得且數(shù)據(jù)質量有保證,水平輻照度在有輻射觀測的臺站也可獲得,因此板溫與氣溫的線性相關方程可能是最實用的,而板溫與氣溫和水平輻照度的綜合相關則可以作為輔助方程,用于推算氣溫較高情況下的板溫。
由于北京南郊太陽能試驗站的實測數(shù)據(jù)有缺測情況,且主要分布在8月、9月氣溫較高的時段,對上述相關方程會有一定影響。另外,從相關方程的穩(wěn)定性來看,1年的數(shù)據(jù)仍顯不足,這些問題的解決都需要更長時間、更多地點實測數(shù)據(jù)的積累和分析。
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Effects of Meteorological Elements on Solar Cell Temperature
Pan Jinjun1)2)Shen Yanbo1)2)Bian Zeqiang3)Wang Xiangyun1)2)
1)(Public Meteorological Service Center,CMA,Beijing 100081)
2)(Wind and Solar Energy Resources Center,CMA,Beijing 100081)
3)(Meteorological Observation Center of CMA,Beijing 100081)
Rising temperature causes the degradation of photovoltaic cell power efficiency,and the solar cell temperature is an essential factor to determine temperature reduction coefficients.At present,there are still no sufficient field-recorded data of solar cell temperature in China,and in the design of photovoltaic power plants in different areas,climate background isn’t considered enough when the temperature reduction coefficients is determined.Based on observational solar cell temperature,air temperature,ground temperature,inclined and horizontal solar radiation data observed in southern suburb of Beijing,changes of solar cell temperature with time and other meteorological elements are analyzed,and an empirical equation is established for calculating the solar cell temperature.From the point of temporal variation,the solar cell temperature and air temperature or ground temperature are related to a level of consistency,but there are some seasonal differences.For spring and summer(March to August),solar cell temperature and ground temperature are close,which are significantly higher(above 6℃)than air temperature.For autumn and winter(September to December,and January to February)solar cell temperature is significantly higher than that of ground temperature and air temperature.From the point of correlation,comprehensive correlation of solar cell temperature with air temperature and inclined irradiance,and the linear correlation of solar cell temperature with ground temperature are the best,with correlation coefficients exceeding 0.90,and the physical connection are accord with the temperature changes,which are the best choices to calculate solar cell temperature and the temperature reduction coefficient.However,the disadvantages of these equations are that the inclined irradiance or ground temperature data are not easily accessed.The linear correlation of solar cell temperature with air temperature is better,with the correlation coefficient of 0.88,and air temperature is easy to get and the quality is good,which is considered the most practical equation.However,the disadvantage of this equation is that two factors are not the same and the stability of the equation is poor.Comprehensive correlation of solar cell temperature with air temperature and horizontal irradiance is good,with the correlation coefficient being 0.75,which can be used as empirical equation to calculate solar cell temperature at high air temperature conditions.Based on the recorded cell temperature of one year and the weighted calculation,the conclusion is that the annual temperature reduction coefficient of photovoltaic power generation is around 2%in Beijing,and the maximum can reach 13.3%.
solar cell temperature;air temperature;ground temperature;solar irradiance;temperature reduction coefficient of photovoltaic power generation
潘進軍,申彥波,邊澤強,等.氣象要素對太陽能電池板溫度的影響.應用氣象學報,2014,25(2):150-157.
2013-05-07收到,2013-11-13收到再改稿。
中國清潔發(fā)展機制基金贈款項目(1213013),公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201306048),中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用面上項目(CAMGJ2012M74)
*通信作者,email:shenyb@cma.gov.cn