自動氣象站及氣象傳感器發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析計劃

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自動氣象站及氣象傳感器發(fā)顯現(xiàn)狀和遠景剖析

前言

所謂自動氣象站，是指能按設定的要求，對多種氣象因素自動進行收集、辦理、存儲和

傳輸?shù)牡孛鏆庀笥^察設備，可以減少觀察人員的地面觀察工作量，提高觀察時效和質量。自二十世紀八十年月以來，芬蘭、美國、日本等好多國家的地面氣象觀察網(wǎng)中就已廣泛采納了

自動氣象站。1999年7月，我國引進芬蘭VAISALA公司的5套自動氣象站投入業(yè)務運轉，這是我國初次將自動氣象站作為正式觀察使用，標記著我國地面氣象觀察進入了一個新的里程。同時，我國也加速了自行研制生產自動氣象站的步伐，第一批于2000年1月1日起正式投入業(yè)務運轉。當前，我國已廣泛使用自動遙測氣象站，實現(xiàn)了人工氣象站與自動氣象站的聯(lián)合

觀察。

自動氣象站在我國已運轉多年，氣象工作者累積了豐富的經驗，同時也發(fā)現(xiàn)好多問題。傳統(tǒng)自動氣象站的結構為會合式，數(shù)據(jù)收集器必然與詳盡的傳感器般配，系統(tǒng)開放性不高，不合用于氣象傳感器的取代或增添。盡管國產的自動氣象站發(fā)展迅速，但氣象傳感器的技術水平較低，距世界先進水平還有必然的差距。所以可知，要進一步提高我國地面氣象觀察的自動化水平，升級自動氣象站和提高國產傳感器的生產水平是要點。在對自動氣象站進行改造和升級換代時，應該以豐富的經驗為基礎，以實質業(yè)務需求為參照，研制國際當先的自動氣象站平易象傳感器。

當前，跟著微電子技術、計算機技術、衛(wèi)星技術和資料科學的發(fā)展，好多新技術都應用到氣象觀察自動化中，大大提高了氣象傳感器的探測精度和可保護性。所以，有必需認識當前國際自動氣象站平易象傳感器方面的最新發(fā)展和動向，為我國自動氣象站及氣象傳感器技術的發(fā)展供給借鑒。

自動氣象站的工作原理及結構

自動遙測氣象站一般由傳感器、數(shù)據(jù)收集器、主控微機、顯示打印系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等部

分構成，傳感器包含有溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風向風速傳感器和降水傳感器等。自動氣象站將各因素傳感器所測因素的量值以各種電信號（模擬信號和數(shù)字信號）的形式傳入或數(shù)據(jù)收集器；數(shù)據(jù)收集器收集各傳感器信號，并對信號進行辦理，經過一根通信電纜與主控機進行通信；主控微機接收數(shù)據(jù)收集器傳達來的數(shù)據(jù)信號，并經過終端軟件按地面氣象觀察

規(guī)范的要求，實行地面氣象觀察業(yè)務工作，其工作原理如圖1所示。

自動氣象站的發(fā)顯現(xiàn)狀3.1國內自動氣象站發(fā)顯現(xiàn)狀

當前國內有多個廠家生產自動氣象站，如北京華創(chuàng)升達高科技發(fā)展中心和天津氣象儀器廠的

CAWS系列、長春氣象儀器廠的

DYYZII

系列、江蘇無線電研究所的

ZQZ_CII

系列、廣

東省氣象技術裝備中心的

ZDZII

型和北京阿斯曼科技發(fā)展公司的

ASM、XYZ系列。此中

CAWS600、XYZ06以及機場所面氣象觀察自動化系統(tǒng)在軍隊和地方臺站獲取了廣泛的實行和應

用。下邊列出部分自動氣象站的結構構成及其采納的部分氣象傳感器。

表1三種自動氣象站產品的結構構成和傳感器使用比較

綜合各種型號的自動氣象站在我國的應用狀況，總結以下：

（1）大多數(shù)自動氣象站采納會合式結構，系統(tǒng)開放性不高，不一樣樣樣型號的傳感器對應不一樣樣樣的數(shù)據(jù)收集器，各廠家之間標準不一致。維修或增添傳感器都必然對自動氣象站重新進行校準標定，過程復雜，不吻合我國氣象發(fā)展戰(zhàn)略研究中“綜合氣象觀察系統(tǒng)工程”的發(fā)展要求。

2）國產自動氣象站所采納的氣象傳感器主要依賴入口，受技術水平易生產工藝的限制，國產傳感器的正確性、靠譜性較差。觀察項目僅限于傳統(tǒng)的溫、壓、濕、風和降水等六因素，云、能見度、降水現(xiàn)象等氣象因素急需要歸入自動氣象站的觀察項目。

3）國產自動氣象站所采納的數(shù)據(jù)收集器大多與相應的自動氣象站配套使用，當需要擴大自動氣象站觀察功能，增添新的氣象因素傳感器時，不可以直接進行升級，必然更換，從而

造成重復建設和資源浪費。

3.2外國自動氣象站發(fā)顯現(xiàn)狀

當前全世界的70多個國家和20多個地區(qū)和組織基本上都是使用芬蘭VAISALA公司的氣象產品進行氣象觀察，自動氣象站也不例外。VAISALA公司自動氣象站的代表系列是MAWS系列，當前在全世界的大多數(shù)國家和地區(qū)使用的是MAWS201系列，該系列現(xiàn)已發(fā)展到了MAWS301、MAWS410系列。與國產自動氣象站比較，外國的自動氣象站平易象傳感器擁有以下特色：

（1）氣象傳感器技術先進，產品精確性和堅固性優(yōu)勝，除基本的六因素傳感器外，土壤

和水的溫度、太陽輻射、土壤濕度、能見度、云等因素的傳感器已經有成熟的產品出現(xiàn)。

（2）自動氣象站可以依據(jù)用戶的不一樣樣樣需求增減傳感器的種類和數(shù)目，實質操作簡單。采

用通用的數(shù)據(jù)傳輸格式，用戶能自由配置數(shù)據(jù)的輸出格式。基本滿足世界各國各種業(yè)務應用

的需要。

（3）自動氣象站采納優(yōu)異的防范措施，可以合用于各種復雜環(huán)境。在裝備使用的靈巧性、

操作的便利性、維修的快捷性、惡劣環(huán)境的適應性等方面都做得較好。（4）盡管外國自動氣象站和傳感器性能優(yōu)勝，但是經過入口自動氣象站在中國長久運轉的狀況來看，其硬件和軟件的表現(xiàn)都不盡善盡美。這是因為外國自動氣象站的結構、傳感器和軟件等都是針對當?shù)氐脑敱M狀況設計的，其實不圓滿吻合我國的實質狀況。

自動氣象站的發(fā)展遠景

經過對國內外自動氣象站現(xiàn)狀的剖析可以看到，盡管當前國內的自動氣象站基本能滿足

氣象業(yè)務的需要和環(huán)境的要求，但存在不足和缺點也較大。必然充分認識到我國氣象觀察水平與外國先進技術比較還有較大的差距，為了滿足不停提高的氣象觀察需求，提高我國氣象觀察事業(yè)的整體水平，應要點發(fā)展新一代自動氣象站，對氣象傳感器、數(shù)據(jù)辦理等要點技術進行改進，使我國的新一代自動氣象站可以進入世界一流的行列。

4.1自動氣象站結構

自動氣象站應最大程度地保證自動運轉以減少保護開銷和人力資源。所以其結構設計要充分注意模塊化和擴展性。如有額外的傳感器需要加入，只需要將新的傳感器插入自動氣象站而不需要改變已經存在的硬件結構。并且任何硬件模塊都應是可升級的，以適應儀器未來的擴展。當前，我國所使用的自動氣象站都屬于會合式，結構封閉；國內各廠家生產的傳感器獨立性不強，互換性差；為了保證會合式自動氣象站觀察數(shù)據(jù)的正確性，每次維修或更換傳感器都要重新校準標定，且必然整機進行，使得校標過程過于復雜。關于這些缺點，基于

總線制分布式或網(wǎng)絡型結構的自動氣象站可以很好地解決，成為自動氣象站發(fā)展的趨向之一。

分布式自動氣象站里所采納的智能傳感器不一樣樣樣于一般的氣象傳感器，差異在于智能傳感器不是輸出電信號，而是將電信號經過信號變換、采樣計算，直接輸出我們所需要的氣象數(shù)

據(jù)，一個智能傳感器就相當于一個一體化的單因素自動站。分布式自動氣象站所謂的“分布”，一方面是指硬件設備不是會合在一起，而是分別在一個相對廣泛的地區(qū)里，經過一條數(shù)據(jù)總線把各個零件連接起來；另一方面是指硬件各部分相對獨立，數(shù)據(jù)收集分別在各個智能傳感

器里面?？偩€控制器負責供給現(xiàn)場總線（RS485或CAN總線），分布在不一樣樣樣地區(qū)里的各種智能

傳感器都可以經過該總線與計算機進行數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)分布丈量，如圖2。圖2分布式自動氣象站結構表示圖

江蘇省無線電科學研究所研制的新一代自動氣象站——ZQZ-B型分布式自動氣象站，正

是利用該原理研制而成的自動氣象站。此類自動氣象站擁有以下特色：（1）面向用戶，可自

由組合、積木式成立系統(tǒng)；（2）CAN總線結構，開放式設計，傳感器獨立性好，可隨意增減

和組合，使用保護方便；（3）收集通道零偏差，精度主要取決于傳感器的精度。（4）可以進行有線或無線技術大范圍組網(wǎng)。

總線制分布式氣象因素收集系統(tǒng)的研究、開發(fā)將使測報自動化系統(tǒng)打破長久封閉的看守，走上開放發(fā)展的道路，這對自動氣象站的發(fā)展是極好的機會。在推動我國氣象觀察業(yè)務發(fā)展

的進度中，應該向著趨于開放一致的方向發(fā)展，成立共同遵守的標準規(guī)范，而這吻合中國氣象發(fā)展戰(zhàn)略研究中“綜合氣象觀察系統(tǒng)工程”的發(fā)展要求。

4.2氣象傳感器

自動氣象站主要包含傳感器、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)辦理等部分，此中最能決定自動氣象站性能的是氣象因素傳感器。在眾多氣象因素中，觀察基本六因素的傳感器已經實現(xiàn)業(yè)務化，此中部分傳感器需要入口；能見度傳感器已經有產品出現(xiàn)，國內廠家（如洛陽卓航）已經可以自主生產能見度儀，但是受設備靠譜性、成本等因素的限制，在自動氣象站中還沒有實現(xiàn)業(yè)務化；云、降水現(xiàn)象傳感器正在研制過程中，受云圖鑒別理論和相關儀器發(fā)展的限

制，尚沒有出現(xiàn)成熟的產品。其余，PWV（大氣柱可降水汽總量）、大氣電場、雷電極性和地點等參數(shù)也是需歸入到自動氣象站的觀察范圍中，這些資料關于危險天氣的監(jiān)測和預警、短時天氣預告有著特別重要的作用。

要真切提高我國氣象觀察水平，必然研制高精度、高靠譜性的氣象傳感器；在提高現(xiàn)有傳感器的探測精度和靠譜性的同時，研制吻合實質需求的其余因素的氣象傳感器；規(guī)范國產傳感器的生產標準，不一樣樣樣廠家的產品應該遵守一致的標準，使同一型號的傳感器可以相互取代。

基本六因素傳感器

關于基本的溫度、濕度、大氣壓強、風速、風向和降水量六因素的觀察，當前自動氣象

站有部分傳感器需要入口，國產傳感器在精確度、堅固性、靠譜性等方面與入口傳感器有一

定差距。所以國內廠家應汲取外國先進經驗，改進生產工藝，打破要點技術，生產吻合自動

氣象站觀察要求的氣象傳感器，提高氣象傳感器的國產化水平。

社會需求的不停增添和觀察標準的不停提高對氣象因素觀察提出了新的要求，觀察項目

不停增添，更多的新技術和新方法應用到氣象觀察領域中。溫度方面，跟著不一樣樣樣觀察要求的

出現(xiàn)，地面溫度、土壤溫度和水面溫度等也逐漸成為自動氣象站的觀察項目，這對溫度傳感

器的精度和堅固性提出了更高的要求；濕度方面存在的主要問題是濕度傳感器難以在全溫度

量程范圍內達到相同的丈量正確度，在低溫低濕條件下濕度傳感器性能變差，響應緩慢，這

是世界范圍內大氣探測的主要難題之一，亟待打破；氣壓方面，因為振筒氣壓儀和硅壓阻氣壓傳感器發(fā)展比較成熟，吻合自動氣象站的觀察要求，當前對氣壓傳感器的相關研究較少；

風速、風向方面，傳統(tǒng)風向標細風杯的機械結構決定了其系統(tǒng)偏差不可以防范，且易受惡劣環(huán)

境影響，而超聲波風速儀、橫風傳感器等固態(tài)測風傳感器的出現(xiàn)，不但解決了機械摩擦問題，

提高了丈量正確度，并且環(huán)境適應性大大提高，在惡劣環(huán)境下仍可正常工作，成為風速、風

向丈量的主要發(fā)展方向；降水量方面，自動氣象站主若是利用翻斗式雨量計對降水量進行觀

測和記錄，觀察項目單一，其余傳感器，如光學雨強計、超聲波測雪儀、凍雨傳感器等，均

只好對降水現(xiàn)象中的一個項目進行丈量，應用有限。當前的趨向是發(fā)展可以對降水量、降水

種類和強度等多因素進行丈量的技術。

蒸發(fā)、輻射、日照傳感器

除了基本的六因素的丈量外，部分自動氣象站還肩負了蒸發(fā)、輻射和日照的觀察業(yè)務。

自動氣象站丈量蒸發(fā)用的傳感器主若是浮子式數(shù)字水面蒸發(fā)傳感器和超聲波蒸發(fā)傳感器，測

量日照時間用的傳感器主若是雙金屬片日照傳感器和旋轉式日照傳感器，此類傳感器多為進

口，國內相關產品較少。

輻射的丈量項目好多，依據(jù)國際氣象組織WMO標準[錯誤！不決義書簽。]，包含總輻射、

散射輻射、直接輻射、反射輻射、凈全輻射和分光譜輻射等。相應的傳感器或好多，有總輻

射表、反射輻射表、散射輻射表、直接輻射表、凈全輻射表、長波輻射表、紫外輻射表等。

CAWS600-B型自動氣象站中就裝備有總輻射表（TBQ-2-B）、直接輻射表（FBS-2-B）和凈輻射

表（FNP-1）。當前，我國的自動氣象站關于輻射的觀察還沒有圓滿實現(xiàn)業(yè)務化

測云傳感器

云的觀察項目包含云的量、狀、高，當前可以進行業(yè)務觀察的只有云高。當前合用于自

動氣象站的云底高丈量儀器主若是激光測云儀。受云圖鑒別理論和相關儀器發(fā)展的限制，自

動氣象站尚不可以對云量和云狀進行觀察。

當前國內外發(fā)展的趨向是利用可見光CCD和紅外輻射方式對云進行丈量?？梢姽釩CD可

以獲取白日云的分布圖，典型的儀器有美國Yankee環(huán)境系統(tǒng)公司研制出的一種全天空成像儀

TSI（TotalSkyImager），已經從TS-440型發(fā)展到了TS-880型，能鑒別云量，初步剖析云

狀。紅外輻射方式又分為單元式和面陣列式，一般選擇在紅外窗區(qū)8~14微米波段，這類方式

可實現(xiàn)云的日夜連續(xù)丈量，且日夜丈量正確度一致，能實現(xiàn)云量、云狀和云底高的全因素測

量。兩種紅外丈量方式都有成品，如法國研制的一種稱為Nephelo的紅外云剖析儀就是采納

了單元式，而我國研制的紅外測云儀則采納了面陣列式。比較較而言，單元式丈量法的天空分辨率較低，獲取全天云分布信息掃描時間較長。當前，面陣列式測云儀馬上進入業(yè)務實行

使用。

地面氣象觀察規(guī)范中關于云的分類、記錄和編發(fā)報等是針對人工觀察制定的，關于儀器

觀察其實不圓滿吻合，其分類原則和記錄應該聯(lián)合實質需要進行相應的調整。所以在推動云的

器測的同時，應該制定云的器測標準，從而使云的器測規(guī)范化、標準化。

能見度傳感器

與測云傳感器比較，能見度傳感器的種類好多，應用比較廣泛。這主要歸功于能見度理論的成熟和光學丈量技術的發(fā)展。

傳統(tǒng)的能見度丈量方法主要包含兩種。一是消光系數(shù)法，其丈量正確度較高，但需要一

定長度的基線，開銷較高，影響大范圍推執(zhí)行用，平常用于對能見度丈量要求較高的場合（如機場）。二是散射系數(shù)法，其在不一樣樣樣的天氣條件下觀察結果差異較大，但開銷較低。兩種方法

都有成熟產品，如VAISALA公司生產的FD12型透射式能見度儀和我國洛陽卓航測控設備有限責任公司生產的XDN01型前向散射能見度儀。除此以外，攝像法丈量能見度逐漸顯現(xiàn)出其獨到的優(yōu)勢，它的原理是數(shù)字攝像機模擬人眼直接攝入選定目標物的圖像，經過計算機對獲取的圖像進行剖析辦理，從而獲取能見度的數(shù)值。該方法圓滿模擬人工目測能見度的方式丈量能見度，防范了人的主觀性，比傳統(tǒng)的透射式、散射式能見度儀更具客觀性，所以擁有廣闊的應用遠景。在香港等地區(qū)，攝像技術不但已經投入能見度的業(yè)務使用，并且在監(jiān)測天氣現(xiàn)象等方面發(fā)揮重要作用。

當前，受觀察地點限制，氣象站廣泛使用的是前向散射能見度儀，而自動氣象站還沒有

實現(xiàn)業(yè)務化。所以應該對現(xiàn)有能見度儀進行改進，設計吻合自動氣象站觀察要求的能見度儀；制定能見度的器測規(guī)范，使能見度儀規(guī)范化、標準化；同時大力發(fā)展國產傳感器，提高國產能見度儀的技術水平易產質量量。

天氣現(xiàn)象傳感器

天氣現(xiàn)象包含降水現(xiàn)象、霧現(xiàn)象、風沙現(xiàn)象、雷電現(xiàn)象和地面凍結現(xiàn)象等9類，天氣現(xiàn)

象涉及的氣象因素和條件復雜多變，對其進行觀察所涉及的技術也相當復雜，所以實現(xiàn)全部

種類天氣現(xiàn)象的自動觀察是不現(xiàn)實的。當前此類儀器較少，最為成熟的是對降水現(xiàn)象傳感器，

因為成本、可保護性等因素的限制，降水現(xiàn)象傳感器在自動氣象站裝備較少。

當前使用最廣泛的是芬蘭VAISALA公司的PWD12和PWD22系列天氣現(xiàn)象傳感器，該儀器

可以對能見度以及引起能見度變化的天氣現(xiàn)象、降水種類、降水量和降水強度等進行探測。除此以外，英國的BiralVPF-730和PWS100天氣現(xiàn)象傳感器、德國的OTTParsivel雨滴譜

儀和ThiesClimaLaserPrecipitationMonitor，美國OSI公司生產的WIVIS、OWI，加拿

大GENEQ公司生產的TPI-885降水現(xiàn)象傳感器等均可以對降水現(xiàn)象和其余現(xiàn)象進行丈量。這些儀器所采納的技術主若是光學技術，利用降水粒子對不一樣樣樣波段光的散射、衰減、汲取等特色來實現(xiàn)對降水種類、強度和降水量的探測。因為降水現(xiàn)象涉及多種氣象因素，所以使用多

種傳感器對降水現(xiàn)象進行綜合探測也是有效手段之一。國內相關機構也正在這方面進行研究，

但成熟的產品還沒有出現(xiàn)，亟需我國氣象工作者的努力。

綜合比較國內外天氣現(xiàn)象傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨向，我國應要點發(fā)展利用多傳感器，

采納多種手段對天氣現(xiàn)象進行綜合探測；同時制定天氣現(xiàn)象的器測規(guī)范，使天氣現(xiàn)象器測規(guī)

范化、標準化，從而推動天氣現(xiàn)象傳感器的業(yè)務化。

雷電傳感器

關于雷電現(xiàn)象的觀察，我國《地面氣象觀察規(guī)范》中規(guī)定觀察的項目包含雷電發(fā)生的方向和時間。但是這但是定性觀察，跟著雷電研究的不停深入以及實質需求的不停增添，大氣靜電場強度、雷電強度、雷電地點和雷電極性等量化指標也成為當前雷電觀察業(yè)務中的重要項目。當前對電場強度、雷電過程和發(fā)生地點的探測主要利用大氣電場儀和閃電定位儀，當

前廣泛應用的儀器有Vaisala的LPATS系列和LS系列閃電定位儀，美國GAI公司的IMPACT閃電定位儀和LDAR系列閃電探測儀，以及中科院空間中心研制的DNDY型地面電場儀和ADTD閃電定位儀等。其余，多個大氣電場儀和閃電定位儀聯(lián)合構成觀察網(wǎng)，還可以實現(xiàn)對雷電的預警，為社會和軍事活動供給服務和保障。

我國對雷電的探測是由專門的臺站和雷電監(jiān)測設備進行，一般自動氣象站并沒有此業(yè)務。當前的發(fā)展趨向除了研究如何調整頓造雷電探測設備的結構構成，使之滿足自動氣象站的系統(tǒng)要求以外，還應該研究如何對裝備雷電傳感器的自動氣象站進行布網(wǎng)，規(guī)劃配置方案，制定組網(wǎng)規(guī)范，大力推動自動氣象站系統(tǒng)中雷電傳感器的業(yè)務化。

.3數(shù)據(jù)收集器

數(shù)據(jù)收集器主要完成多個被測參數(shù)的輸入、數(shù)字化辦理、數(shù)據(jù)的收集存儲、數(shù)據(jù)互換、常例故障診斷等功能，直接關系到數(shù)據(jù)的傳輸和辦理，是自動氣象站數(shù)據(jù)收集部分的中心。當前的數(shù)據(jù)收集器大多都是與相應的自動氣象站配套使用，不一樣樣樣傳感器的數(shù)目、型號對應不一樣樣樣的傳感器接口。當需要擴大自動氣象站觀察功能，增添新的氣象因素傳感器時，不可以直接進行升級，必然對其進行更換，從而造成重復建設和資源浪費。所以，應該使數(shù)據(jù)收集器能實現(xiàn)因素傳感器的隨意增減和熱插拔，從而能依據(jù)用戶的不一樣樣樣需求靈巧增減因素傳感器。

改進和圓滿數(shù)據(jù)收集器，關于提高自動氣象站的擴展性和通用性擁有重要意義，同時也

是國際上自動氣象站在擴展觀察因素、提高系統(tǒng)開放性方面的趨向之一。

結論

本文經過對當前國內外自動氣象站平易象傳感器的發(fā)顯現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨向的剖析，結

合我國氣象觀察自動化的現(xiàn)狀，對吻合我國氣象觀察事業(yè)發(fā)展需要的自動氣象站、氣象傳感

器等方面進行了綜合剖析和評估，認為自動氣象站及氣象傳感器應在以下幾個方面增強和改

進：

(1)改進自動氣象站的結構，采納總線制分布式或網(wǎng)絡型結構，可以大大提高自動氣象

站的操作性和擴展性，是我國自動氣象站發(fā)展的方向之一。

研制擁有自主知識產權、高精度、高靠譜性的氣象傳感器；在提高現(xiàn)有氣象傳感器的探測精

度和靠譜性的同時，研制吻合實質需求的其余因素的氣象傳感器；規(guī)范國產傳感器的生產標

準，不一樣樣樣廠家的產品應該遵守一致的標準，使同一型號的傳感器可以相互取代。

(2)改進和圓滿數(shù)據(jù)收集器的結構，使數(shù)據(jù)收集器能實現(xiàn)傳感器的隨意增減和熱插拔，

從而提高自動氣象站的擴展性和通用性。

(3)其余，地面氣象觀察規(guī)范的校訂圓滿也是當前的發(fā)展趨向之一。應該從觀察的實質需

求出發(fā)，針對自動氣象站平易象傳感器的技術指標更正、制定云、天氣現(xiàn)象等的器測規(guī)范，

促進多種氣象傳感器在自動氣象站的業(yè)務應用。

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