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        中國典型氣溶膠模型光學(xué)特性分析及在大氣校正中的應(yīng)用

        2022-01-06 01:12:22梁晏禎胡傳甲侯偉真楊磊庫
        上海航天 2021年6期
        關(guān)鍵詞:偏振氣溶膠典型

        鄭 楊,梁晏禎,張 釗,屈 煒,胡傳甲,侯偉真,楊磊庫

        (1.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作 454003;2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;3.國防科工局 重大專項(xiàng)工程中心,北京 100101;4.上海科學(xué)技術(shù)交流中心,上海 200235;5.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

        0 引言

        氣溶膠是地球-大氣系統(tǒng)的重要組成部分,通過吸收和散射太陽輻射,干擾地球的輻射平衡,對氣候變化、空氣污染以及生態(tài)評(píng)價(jià)等產(chǎn)生了重要影響。為了評(píng)估氣溶膠的這些影響,需要大面積(如區(qū)域、國家或全球)的典型或具有代表性的氣溶膠模型,用以支持大氣化學(xué)模型模擬以及氣候、環(huán)境評(píng)估。因此在該領(lǐng)域,一些全球或區(qū)域典型的氣溶膠模型已經(jīng)基于長時(shí)間序列的地基觀測建立了起來,并得到了廣泛使用。LEVY 等將全球地基氣溶膠觀測網(wǎng)絡(luò)(AERONET)站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析,確定了隨地理位置和季節(jié)變化的全球氣溶膠類型。LEE 等使用了20 個(gè)AERONET 站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù),建立了東亞地區(qū)特定類型的氣溶膠模型。LI 等基于太陽-天空輻射觀測網(wǎng)(The Sun-Sky Radiometer Observation Network,SONET)的地基遙感觀測數(shù)據(jù),通過聚類分析方法得到了10 種中國典型氣溶膠模型。

        當(dāng)前,氣溶膠參數(shù)的衛(wèi)星遙感反演已成為氣候變化和大氣環(huán)境等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一,而氣溶膠模型的準(zhǔn)確性是衛(wèi)星遙感反演氣溶膠參數(shù)精度的關(guān)鍵因素之一。與此同時(shí),氣溶膠模型選取的正確與否,對大氣校正的精度也起著很大的作用。伽麗麗等基于6 種典型的氣溶膠模型,模擬研究了不同氣溶膠模型的選擇對衛(wèi)星近紅外偏振通道反演氣溶膠光學(xué)厚度的影響。JETHVA 等通過改進(jìn)中分辨率成像光譜輻射儀(Moderate Resolution Imaging Spectro-radiometer,MODIS)算法中印度Kanpur 地區(qū)的氣溶膠模型,大大提高了細(xì)模態(tài)氣溶膠光學(xué)厚度的反演精度。馬?等基于6S 輻射傳輸模型探討了不同氣溶膠模型對衛(wèi)星影像大氣校正的影響。

        氣溶膠的光學(xué)特性參數(shù)由氣溶膠粒子的微物理特性和化學(xué)組成決定,直接體現(xiàn)了氣溶膠對電磁輻射吸收和散射的影響。不同類型的氣溶膠具有顯著差異的微物理特性和光學(xué)特性,通常用粒子譜分布、散射相函數(shù)、偏振散射相函數(shù)以及單次散射反照率(Single Scattering Albedo,SSA)等來描述氣溶膠的這些特性。MA 等在SONET 觀測的基礎(chǔ)上,利用粒子譜分布、復(fù)折射指數(shù)以及單次散射反照率分析了嵩山地區(qū)氣溶膠的光學(xué)和微物理特征,建立了中國中部嵩山地區(qū)的氣溶膠模型。HOU等用粒子譜分布、散射相函數(shù)、偏振散射相函數(shù)描述了單次衛(wèi)星偏振觀測的氣溶膠特性,開展了信息量分析研究,系統(tǒng)評(píng)估了衛(wèi)星遙感觀測是否有效支撐典型區(qū)域的氣溶膠多參數(shù)聯(lián)合反演。

        本文結(jié)合多角度偏振相機(jī)(DPC/GF5)的3 個(gè)偏振觀測通道(490、670、865 nm),基于LI 等提出的10 種中國典型氣溶膠模型中出現(xiàn)頻率較高的7種氣溶膠模型,利用Lorenz-MIE 理論和Fortran 軟件包,在已知其粒子譜分布的基礎(chǔ)上,計(jì)算了散射相函數(shù)、偏振相函數(shù)以及單次散射反照率與波長的關(guān)系,充分分析了每個(gè)氣溶膠模型的光學(xué)特性。選擇中國華北(北京)、華東(徐州)、華南(香港)、西北(SACOL)區(qū)域4 個(gè)典型AERONET 站點(diǎn)在大氣污染和清潔情況下的地基觀測數(shù)據(jù),基于6SV 模型對搭載在高分五號(hào)(Gaofen-5,GF-5)衛(wèi)星平臺(tái)上的可見短波紅外高光譜相機(jī)(Advanced Hyper-Spectral Imager,AHSI)衛(wèi)星遙感觀測進(jìn)行了仿真。選取5種出現(xiàn)頻率較高的中國典型氣溶膠模型組合,對仿真得到的表觀反射率進(jìn)行大氣校正,探究了不同氣溶膠模型組合對中國區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)大氣校正的影響。

        1 模型與方法

        1.1 中國典型氣溶膠模型

        氣溶膠模型一般通過地基站點(diǎn)的長期觀測后進(jìn)行數(shù)據(jù)聚類分析得到。SONET 觀測網(wǎng)是中國的一個(gè)本地觀測網(wǎng),對氣溶膠進(jìn)行地面遙感觀測。目前在中國分布有16 個(gè)永久觀測點(diǎn),覆蓋了大部分典型的氣溶膠地質(zhì)(高原、沙漠、山地、丘陵、平原、島嶼)和人文(農(nóng)村、城市、特大城市、背景、污染區(qū)域)特征,16個(gè)站點(diǎn)中有6個(gè)站點(diǎn)的觀測時(shí)間超過5 a,這為分析中國地區(qū)的典型氣溶膠特征提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        LI 等基于SONET 多年的觀測數(shù)據(jù),利用聚類分析法得到了10 個(gè)中國典型氣溶膠模型,見表1。5 種典型的細(xì)模態(tài)氣溶膠模型分別為城市污染型(Urban polluted,F(xiàn)-ULW)、二次污染型(Secondary polluted,F(xiàn)-BLW)、混合污染型(Combined polluted,F(xiàn)-UHS)、粉煤灰污染型(Polluted fly ash,F(xiàn)-BNM)和大陸背景型(Continental background,F(xiàn)-BNS)。5 種粗模態(tài)氣溶膠模型為夏季粉煤灰型(Summer fly ash,C-ULW)、冬季粉煤灰型(Winter fly ash,CUHS)、初始沙塵型(Primary dust,C-UNW)、輸送沙塵型(Transported dust,C-BNM)和背景沙塵型(Background dust,C-BHM)。

        表1 SONET 氣溶膠模型分類信息[4]Tab.1 Aerosol model classification with the SONET[4]

        研究選取了出現(xiàn)頻率最高的7 種粗細(xì)模態(tài)氣溶膠模型分析其光學(xué)特性,分別為F-ULW、F-UHS、F-BLW、F-BNS、C-ULW、C-UHS、C-BHM,其微物理參數(shù)見表2。表中,

        r

        為中值半徑,

        σ

        為標(biāo)準(zhǔn)差(μm),

        C

        為峰值體積濃度(μm/μm),

        n

        為復(fù)折射指數(shù)實(shí)部,

        k

        k

        )和

        k

        k

        )為復(fù)折射指數(shù)細(xì)(粗)模態(tài)在440 nm和675~1 020 nm 處的虛部,下標(biāo)f為細(xì)模態(tài),SMF 為亞微細(xì)模態(tài),SMC 為亞粗細(xì)模態(tài),c為粗模態(tài)。

        表2 7 種中國典型氣溶膠模型的微物理參數(shù)Tab.2 Microphysical parameters of seven typical aerosol models in China

        體積譜分布如圖1 所示,其中有4 種氣溶膠模型呈單峰結(jié)構(gòu),分別為F-ULW、F-UHS、C-ULW、CUHS;剩余3 種呈雙峰結(jié)構(gòu),分別為F-BLW、F-BNS、C-BHM。每種模型粗、細(xì)模態(tài)的峰值半徑及峰值大小各不相同。需要注意的是,雙峰的特征可能肉眼無法分辨,因?yàn)橐粋€(gè)小峰可能被另一個(gè)大峰所覆蓋。

        圖1 7 種中國典型氣溶膠模型的體積譜分布Fig.1 Volume spectrum distribution of seven typical aerosol models in China

        1.2 MIE 散射

        太陽輻射通過大氣時(shí)會(huì)受到大氣分子和氣溶膠粒子吸收和散射的影響,其中氣溶膠粒子對太陽輻射的吸收和散射不僅取決于粒子數(shù)密度和半徑,還與它的復(fù)折射指數(shù)有關(guān)?;谇蛐瘟W尤旱募僭O(shè),根據(jù)MIE 散射理論,可以計(jì)算每種氣溶膠模型的光學(xué)參數(shù),包括散射相函數(shù)(

        P

        )、偏振相函數(shù)(

        q

        )以及單次散射反照率(

        ω

        ,SSA),公式如下:

        式中:

        r

        為氣溶膠粒子半徑;

        λ

        為波長;

        m

        為復(fù)折射指數(shù);

        θ

        為散射角;

        a

        b

        為MIE 散射系數(shù),與

        r、λ、m

        有關(guān);

        π

        τ

        為角函數(shù),與

        θ

        有關(guān);

        σ

        為散射截面;

        σ

        為消光截面;Re(·)為自變量的實(shí)部;

        n

        (

        r

        )為粒子譜分布;

        β

        為粒子群的散射系數(shù);

        β

        為粒子群的消光系數(shù);

        S

        S

        為散射函數(shù)。

        本研究采用MICHAEL的MIE 散 射Fortran軟件包對中國典型氣溶膠模型的散射相函數(shù)、偏振相函數(shù)以及單次散射反照率等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,分析研究了每種模型的光學(xué)特性。

        2 氣溶膠模型的光學(xué)特性分析

        2.1 單模態(tài)的氣溶膠模型

        為充分研究上述7 種典型氣溶膠模型的散射特性與偏振特性,本研究選擇了DPC 的3個(gè)偏振觀測通道所對應(yīng)的每種模型的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析,如圖2 和圖3所示。其中,圖2 和圖3分別為7種氣溶膠模型的散射相函數(shù)(

        P

        )(圖2(a)~圖2(d)和圖3(a)~圖3(c))和偏振相 函數(shù)(

        q

        )(圖2(e)~圖2(h)和圖3(d)~圖3(f))隨散射角(

        θ

        )的變化情 況。由圖2(a)~圖2(d)和圖3(a)~圖3(c)可以看出:在

        θ

        <30°和

        θ

        >150°時(shí),粗模態(tài)氣溶膠模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的散射特性;而當(dāng)

        θ

        =30°~150°時(shí),細(xì)、粗模態(tài)氣溶膠模型的散射強(qiáng)度基本相當(dāng);值得注意的是,衛(wèi)星遙感一般為后向散射(

        θ

        至少大于60°)。由圖2(e)~圖2(h)和圖3(d)~圖3(f)可以看出:相似于強(qiáng)度散射,粗模態(tài)氣溶膠模型的偏振散射主要集中于較小散射角(

        θ

        <30°)區(qū)間和較大散射角(

        θ

        >150°)區(qū)間,有所不同的是,當(dāng)

        θ

        =30°~150°時(shí),粗模態(tài)氣溶膠模型的偏振相函數(shù)非常小,在數(shù)值上顯著低于細(xì)模態(tài)氣溶膠模型的偏振相函數(shù)。不同于粗模態(tài)氣溶膠模型,細(xì)模態(tài)氣溶膠模型在[30°,120°]表現(xiàn)出較強(qiáng)的偏振特性,這是由于偏振相函數(shù)對氣溶膠粒子的大小很敏感,在大部分散射角范圍內(nèi),粒子尺度越大,偏振相函數(shù)越小。由圖2 可知,4 種細(xì)模態(tài)氣溶膠模型的散射相函數(shù)和偏振相函數(shù)隨

        θ

        變化的趨勢大致相同。較為不同的是,當(dāng)

        θ

        <30°時(shí),F(xiàn)-ULW 的散射特性較強(qiáng);當(dāng)

        θ

        >150°時(shí),F(xiàn)-BNS 的散射特性較強(qiáng);而當(dāng)

        θ

        =30°~120°時(shí),F(xiàn)-BLW 的偏振特性強(qiáng)于其余3 個(gè)細(xì)模態(tài)氣溶膠模型。由圖3(a)~圖3(c)中可以看出:3 種粗模態(tài)氣溶膠模型的散射相函數(shù)隨散射角變化的趨勢大致相同,當(dāng)

        θ

        <30°時(shí),在粗模態(tài)氣溶膠模型中C-ULW 和C-UHS 的散射特性大致相當(dāng)且強(qiáng)于C-BHM;當(dāng)

        θ

        >150°時(shí),C-BHM 的散射特性強(qiáng)于C-ULW 和C-UHS。由圖3(e)~圖3(f)中可以看出:C-BHM 的偏振相函數(shù)隨

        θ

        變化的趨勢明顯不同于C-ULW 和C-UHS,整體呈現(xiàn)負(fù)值狀態(tài)。7 種氣溶膠模型在490、670、865 nm 的SSA 見表3。

        圖2 4 種典型細(xì)模態(tài)氣溶膠模型在490、670、865 nm 波長的散射相函數(shù)和偏振相函數(shù)Fig.2 Scattering phase functions and polarized phase functions of four typical fine-mode aerosol models at the wavelengths of 490 nm,670 nm,and 865 nm

        圖3 3 種典型粗模態(tài)氣溶膠模型在490、670、865 nm 波長的散射相函數(shù)和偏振相函數(shù)Fig.3 Scattering phase functions and polarized phase functions of three typical coarse-mode aerosol models at the wavelengths of 490 nm,670 nm,and 865 nm

        表3 7 種氣溶膠模型的在490、670、865 nm 的SSATab.3 SSA of seven aerosol models at 490 nm,670 nm,and 865 nm

        SSA 表示的是氣溶膠散射光學(xué)厚度在總光學(xué)厚度中的比重,描述了氣溶膠的吸收特性。在490 nm,F(xiàn)-ULW 的SSA 最大,散射性最強(qiáng),F(xiàn)-BLW次之;C-UHS 的SSA 最小,吸收性最強(qiáng),C-ULW 次之。而在670 nm 和865 nm,F(xiàn)-ULW 的散射性最強(qiáng),F(xiàn)-UHS次之;C-UHS的吸收性最強(qiáng),F(xiàn)-BNS次之。

        2.2 粗、細(xì)模態(tài)組合的氣溶膠模型

        根據(jù)上述7 種粗、細(xì)模態(tài)氣溶膠模型共同出現(xiàn)的概率,選擇了5 種出現(xiàn)頻率(>5%)較高的中國典型氣溶膠模型組合(F-ULW+C-ULW、F-BLW+C-ULW、F-BNS+C-UHS、F-UHS+C-BHM、FUHS+C-UHS)用于大氣校正。其中,所選用的5 種氣溶膠模型組合的粒子譜分布及SSA 如圖4 所示。由圖4(a)可以看出,F(xiàn)-ULW+C-ULW、F-BLW+C-ULW 及F-BNS+C-UHS 以細(xì)粒子為主導(dǎo),且由表1可知,這3種組合都與污染有關(guān),組合中細(xì)模態(tài)模型的峰值體積半徑由0.107 μm(混合污染,F(xiàn)-BNS)增加到0.200 μm(城市污染,F(xiàn)-ULW),光吸收特性(

        k

        從0.020 減少到0.009),很大程度上揭示了霧霾污染從形成到擴(kuò)散的過程;F-UHS+C-BHM 與FUHS+C-UHS 組合中粗粒子占優(yōu)勢,且這2 種組合都包含相同的細(xì)模態(tài)模型(大陸背景,F(xiàn)-UHS),但結(jié)合了不同的粗模態(tài)模型(背景沙塵,C-BHM;冬季粉煤灰,C-UHS)。首先因?yàn)樽匀簧硥m較多的地區(qū),人為污染較低;其次C-BHM 的峰值體積半徑(4.7 μm),遠(yuǎn)大于C-UHS 的峰值體積半徑(3.1 μm);最后表明中國大陸背景沙塵具有較大的粗粒子尺寸。由圖4(b)可以看出,對應(yīng)SSA 的結(jié)果,在400~490 nm 范圍內(nèi),F(xiàn)-BLW+C-ULW 組合的散射性最強(qiáng);在490~2 500 nm 范圍內(nèi),F(xiàn)-UHS+C-UHS 組合的散射性最強(qiáng)。在400~1 300 nm 范圍內(nèi),F(xiàn)-BNS+C-UHS 組合的吸收性最強(qiáng);在1 300~2 000 nm 范圍內(nèi),F(xiàn)-UHS+C-BHM 組合的吸收性最強(qiáng);在2 000~2 500 nm 范圍內(nèi),F(xiàn)-UHS+C-UHS 組合的吸收性最強(qiáng)。

        圖4 5 種中國典型氣溶膠模型組合的體積譜分布及SSAFig.4 Volume spectrum distribution and SSA of five typical aerosol model combinations in China

        3 氣溶膠模型在大氣校正中的應(yīng)用

        3.1 AHSI 強(qiáng)度觀測仿真及大氣校正

        為了確保衛(wèi)星觀測仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文選取了4 個(gè)中國典型區(qū)域(華北北京、華東徐州、華南香港、西北SACOL)地基站點(diǎn)在大氣污染(550 nm,AOD=0.6)和清潔(550 nm,AOD=0.1)情況下的觀測數(shù)據(jù),基于6SV 模型對AHSI 衛(wèi)星遙感觀測進(jìn)行正向模擬仿真。仿真過程中地表反射率選取的是USGS 地物波譜庫中植被波譜數(shù)據(jù),而后針對仿真得到的表觀反射率(Top of Atmodphere reflectance,TOA)進(jìn)行大氣校正。

        為體現(xiàn)不同氣溶膠模型組合的選擇給地表反射率帶來的差異,通過固定用于對當(dāng)天同一站點(diǎn)仿真結(jié)果大氣校正的6SV 模型中的其他輸入?yún)?shù),如太陽和衛(wèi)星的觀測幾何、大氣模型、氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)、地表特征等,僅改變氣溶膠模型的輸入?yún)?shù)來實(shí)現(xiàn)對比。同時(shí)為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同氣溶膠模型組合在中國不同區(qū)域不同天氣條件(即AOD 不同)下大氣校正的適用性,分別對北京、徐州、香港、SACOL 站點(diǎn)仿真得到的表觀反射率進(jìn)行基于上述5 種氣溶膠模型組合在大氣污染和清潔情況下的大氣校正,并以仿真過程中所選取的地物波譜庫中的植被地表反射率為基準(zhǔn),將5 種氣溶膠模型組合的校正結(jié)果與之進(jìn)行對比,分析模型的適用性。

        3.2 中國典型氣溶膠模型在大氣校正中的適用性分析

        大氣校正前后的結(jié)果對比如圖5 所示。其中,圖5(a)~圖5(d)為大氣污染情況下的校正前后結(jié)果對比,圖5(e)~圖5(f)為大氣清潔情況下的校正前后結(jié)果對比。圖5(a)和圖5(e)為北京站點(diǎn),圖5(b)和圖5(f)為徐州站點(diǎn),圖5(c)和圖5(g)為香港站點(diǎn),圖5(d)和圖5(h)為SACOL 站點(diǎn)。

        圖5 基于不同氣溶膠模型組合的大氣校正結(jié)果前后對比Fig.5 Results of different aerosol model combinations before and after atmospheric correction

        由圖5 可以看出,由氣溶膠模型不同所導(dǎo)致的校正結(jié)果的差異主要表現(xiàn)在可見光和近紅外波段,大氣污染越嚴(yán)重,差異越明顯,且差異隨波長的增加逐漸減少。這是由于當(dāng)太陽輻射波長大于氣溶膠粒子的直徑后,氣溶膠的散射效應(yīng)會(huì)隨之減弱,因此,不同氣溶膠模型所導(dǎo)致的大氣校正的差異會(huì)隨波長的增加而減 小。F-ULW+C-ULW 和FBLW+C-ULW 的校正結(jié)果較為接近,F(xiàn)-BNS+CUHS 和F-UHS+C-BHM 的校正結(jié)果較為接近。

        由表4 可以看出:北京站點(diǎn)和香港站點(diǎn)在大氣污染或清潔情況下,F(xiàn)-BLW+C-ULW 大氣校正結(jié)果的平均絕對誤差(Mean Absolute Error,MAE)最小,分別為1.587 4%、0.652 6%、2.843 8%、0.263 1%,大氣校正效果最好;徐州站點(diǎn)在大氣污染或清潔情況下,F(xiàn)-ULW+C-ULW 的校正結(jié)果的MAE 最小,分別為3.220 2%、0.396 7%,大氣校正效果最好;而SACOL 站點(diǎn),在大氣污染的情況下,F(xiàn)-ULW+C-ULW 的校正效果最好,MAE 為3.428 9%,在大氣清潔的情況下,F(xiàn)-BLW+C-ULW的校正效果最好,MAE 為0.510 6%。且4 個(gè)站點(diǎn)在大氣清潔的情況下,F(xiàn)-ULW+C-ULW 大氣校正結(jié)果的MAE 與F-BLW+C-ULW 大氣校正結(jié)果的MAE 非常接近,兩者之間的差值極其小,介于0.001 9%~0.000 2%之間。所以在能見度較高、大氣較為清潔的情況下,中國區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星影像大氣校正的氣溶膠模型建議在F-ULW+C-ULW 模型和F-BLW+C-ULW 模型之間任選其一。而在AOD 較大、能見度較低的情況下,華北、華南和西北區(qū)域建議選擇F-BLW+C-ULW 模型用于衛(wèi)星影像的大氣校正,華東區(qū)域則建議選擇F-ULW+C-ULW 模型。

        表4 不同氣溶膠模型下大氣校正結(jié)果的平均絕對誤差Tab.4 Mean absolute errors of the atmospheric correction results with different aerosol models

        4 結(jié)束語

        本文針對中國區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星影像大氣校正中氣溶膠模型的適用性問題,通過分析LI 等提出的中國典型氣溶膠模型的光學(xué)特性,及其模型組合在不同大氣狀況下的大氣校正結(jié)果,得到以下結(jié)論。

        1)當(dāng)

        θ

        <30°和

        θ

        >150°時(shí),C-ULW、C-UHS、C-BHM 的散射特性較強(qiáng),偏振特性較為集中;而當(dāng)

        θ

        =30°~120°時(shí),F(xiàn)-ULW、F-UHS、F-BLW、F-BNS的偏振特性較強(qiáng),而散射特性則與C-ULW、C-UHS、C-BHM 基本相當(dāng)。

        2)各組合模型之間的大氣校正結(jié)果與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的差異主要體現(xiàn)在可見光與近紅外波段,且在大氣較為清潔的情況下,各組合模型的大氣校正結(jié)果差異較小,而AOD 越大,能見度越低,差異越大。

        3)在中國區(qū)域內(nèi),大氣較為清潔(或能見度較高)時(shí),衛(wèi)星影像的大氣校正中F-ULW+C-ULW 和F-BLW+C-ULW 模型都適用,可任意二選一;而在大氣狀況較差、AOD 較大(或能見度較低)時(shí),華北、華南和西北區(qū)域F-BLW+C-ULW 模型更為適用,華東區(qū)域則是選擇F-ULW+C-ULW 模型更適合。

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