近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展

第22卷第3期2007年3月
地球科学进展
A DVAN CE S I N E AR T H S C I E N C E
V o l.22　N o.3
M a r.，2007
文章编号：1001-8166（2007）03-　-07
近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展*
尹崇华1，2，延晓冬1*，石正国1，2
（1.中国科学院大气物理所东亚区域气候—环境重点实验室，北京　100029；
2.中国科学院研究生院，北京　100039）
摘　要：近十几年来，地球系统模式领域活跃着一类新兴的模式———中等复杂程度的地球系统模式（E M I C s），E M I C s以其对计算能力的较低要求和对地球系统的较为完备的描述，使其应用几乎覆盖了简单模式和大气环流模式（C G C M s）的所有研究领域，特别在长期气候变化的模拟方面展现了得天独厚的优势，从而使得在长期气候变化的背景下研究近代气候变化更具现实意义。

E M I C s已经成为模拟地球系统的有力工具，为目前的C G C M s模拟提供了必要的补充，在简单模式与C G C M s之间架起了一座桥梁。

首先回顾了中等复杂程度地球系统模式（E M I C s）的发展现状，结合近年来国内外发表的文献探讨了E M I C s的基本组成、应用领域，并对E M I C s未来的发展趋势进行了预测。

关　键　词：地球系统；中等复杂程度；大气环流模式；气候模拟
中图分类号： 文献标识码：A
1　引　言
近几十年来，人们对气候系统的认识在不断的深入，不再仅仅局限于大气现象和大气环流的研究，而是上升到地球系统的层面。

目前，普遍认为气候系统包括大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈，是大气圈和其它圈层组成的一个完整体系，而这五大圈层通过物理、化学和生态等的基本过程相互连接、相互作用所构成的整体就是地球系统。

对人类活动的影响，一些科学家认为应该归于生物圈［1］，而更多的学者认为应该将人类独立出来成为独立的圈层，使其构成地球系统的另一个非常重要的圈层，从而更突出人类活动对气候系统的巨大影响［2，3］。

因此，通常将不包括人类活动的地球系统称之为自然地球系统。

这样，地球系统就由自然地球系统和人类圈共同组成。

同时，人们开始全面使用数值模式结合理论研究和全球观测数据来研究地球系统的各
个组成部分。

随着对地球系统认识的深入，人们首先是以耦合的大气和海洋环流模式（C G C M s）的方式，进而以气候系统模式（C SM s）的方式将地球系统的各个分量耦合在一起，从综合的角度探讨地球系统。

目前，依据繁简程度的不同，广泛得到应用的气候模式主要分为3种类型：一类是简单的概念性的气候模式；另一类是综合而复杂的大气环流模式（G C M s）；而第三类则是复杂程度介于前2种类型之间的中等复杂程度的地球系统模式（E M I C s）。

简单的概念性模式是一种机理性的模式，主要用来探讨地球系统中某种物理、化学或生物过程的可变性，因此通常也称之为机制模式。

这类模式包含相对较少的地球系统组成部分的详细描述、组成部分之间的反馈和各种相互作用过程，主要集中于对地球系统某一过程、反馈、分量的敏感性研究。

正是这种高度的简单性，使得这类模式不需要过多的计算机时，获得了非常高的计算效率，从而可以进行
*　收稿日期：2006-07-24；修回日期：2007-01-11.
*基金项目：国家重点基础研究发展计划项目“北方干旱化与人类适应”（编号：2006C B400500）；国家自然科学基金项目资助.
　作者简介：尹崇华（1975-），男，吉林省吉林市人，硕士研究生，主要从事全球变化与中等复杂程度地球系统模式的开发与应用.
E- m a i l：y i nch ＠t ea. a c. c n
*通讯作者：延晓冬（19　-），男，陕西绥德人，研究员，博士，主要从事系统生态学、森林生态学和全球变化研究. E- m a i l：y xd ＠t ea. a c. c n
长期气候变化的模拟。

综合全面的大气海洋环流模式（C GC M s）被认为是当前最完全的气候模式，充分用于了解气候系统变化规律和探询气候异常发生机理，已经成为研究人类社会对气候异常反馈的地球系统模式的基础［4］。

这类模式对地球系统进行了非常细致的描述，包括更多反馈和过程，因而能够揭示更多时间、空间尺度上的地球系统的特征，既适合全球尺度也适合区域尺度上的研究。

但这类模式正是由于它的复杂性，对计算能力的要求很高，无法进行长期的气候研究，局限于进行年代际和百年际尺度上的平衡态和敏感性实验。

中等复杂程度的地球系统模式（E M I C s）在简单模式和综合全面的模式（C GC M s）之间架起了一座桥梁。

E M I C s对地球系统进行了相当完备的描述，几乎包括所有的组成部分，同时为了尽可能多的模拟气候系统各组成部分之间的反馈，E M I C s主要使用参数化方式适度地简化了气候系统中各种过程和细节描述，从而可以模拟长期时间尺度的气候变化。

这样，E M I C s在一定程度上比概念性模式更接近G C M s，具有更多G C M s的特征，但又获得了与简单模式相当的计算效率。

因而，E M I C s是简单模式和G C M s的补充，一定程度上具备了二者的比较优势，却又克服二者的比较劣势。

近年来E M I C s在地球系统模拟中的优势逐渐显露出来，成为地球系统模拟的有力工具。

图1形象地给出了3类模式在地球系统模式中的位置。

图1　E M I C s的图解定义（改自C l a u ss en［5］）
F i g.1　P i c t or i al d e f i n i t i on o f E M I C s
目前，E M I C s在气候系统研究中的重要地位得到了广泛的重视，对E M I C s的开发和应用也得到了进一步加强，从而把E M I C s主要对自然地球系统的描述逐步转向了对整个地球系统的描述，将E M I C s 对历史气候变化规律的研究转向了对历史、现在和未来气候全面的研究。

迄今，国外主要活跃着十几个E M I C s，并且不断地有新的E M I C出现。

国内亦逐步认识到E M I C s的重要性，开始进行这方面的开发与应用工作①。

本文主要从基本组成、应用领域这两个方面讨论这些目前国际上比较流行的E M I C s。

2　中等复杂程度的地球系统模式———
E M I C s
中等复杂程度的地球系统模式（E M I C s）是一类复杂程度介于简单模式和综合全面但非常复杂的大气环流模式（G C M s）之间的地球系统模式。

目前，E M I C s主要用来描述自然地球系统，没有直接描述人类和自然的相互作用，而是将人类活动作为一种外在的驱动力，通过参数化的方法引入到模式中来。

但必须指出，有少数E M I C s已经在模式中加入社会经济模块，这样就以积极互动的方式而不是参数化的方式在模式中描述了人类圈，这些E M I C s更接近完备意义上的地球系统模式，这也是E M I C s未来的一个发展方向。

2.1　E M I C s的结构和基本组成
我们在表1中列出了目前世界上非常活跃的13个中等复杂程度的地球系统模式（E M I C s）。

同时，我们将各个E M I C的主要组成部分列在表1中，从表中可以清楚地看出所有的模式都包括了大气、海洋、海冰和生物圈模块，而且大部分模式还包括冰川模块，这样的构成非常接近完备的地球系统的概念。

在E M I C s中，大气模块主要采用的是能量水汽平衡模式（E M B M）；能量水汽平衡模式，包括一定的动力机制（D E M B M）、准地转模式（Q G）、统计动力学模式（S D M）和大气环流模式（G C M）。

大气模块的水平分辨率通常比较粗糙，尤其是对于最简单的能量水汽平衡模式来说，一般都是采用纬向平均的方式进行计算。

在垂直方向上，Ln表示了垂直的层数。

如C L I M BE R-2，其大气模块采用的是一个22. 5°×7.5°的二维统计动力学模式，但在计算长波辐射时将大气分为16层（这样一般被称为2.5 D）。

同时为了简化计算，大部分E M I C s对于大气内部的诸多过程及反馈（比如云、地面风场等）进行了预先指
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第3期 尹崇华等：近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展
①Y i n C，Y a n X，S hi Z，e t a l.S i m u l a ti o n o f t he c li m a ti c e ff ec t s o f
n a t u r a l f o r c i n g s du ri ng t he p r e-i n d u s tri a le r a.C h i n e s e S c i e n c e B u ll e-
t i n，2007（刊印中）.
定或者简单的参数化。

在目前的E M I C s中，只有M I T对大气化学过程进行了描述，而其他模式都将温室气体及气溶胶等重要的化学成分视为外加强迫或者内部反馈来进行参数化。

相对于其他部分，海洋在气候系统的长期变化中占据重要地位。

因此，E M I C s中的海洋模块一般较为复杂。

事实证明，采用更为详细的海洋模块也使得E M I C s的模拟效果有显著的提高。

海洋模块主要分为三维的海洋环流模式（表1中以3-D标记）和纬向平均的二维海洋模式。

其中二维海洋模式主要是通过3个二维的箱对各个大洋（太平洋、大西洋、印度洋，3b）进行描述，并在纬向上进行耦合。

海冰模块主要依据动力—热力学原理，可以分为单独的热力学模式（T）和对海冰的对流速度进行简单描述或者具有更复杂动力机制的热力动力学模式（T D）。

我们用生物圈模块B o和B T分别表示海洋碳和陆地碳的动态变化，B V表示对植被动态变化的模拟。

目前，一部分E M I C s（模式5、8、9）仅仅涵盖了陆地的碳库，而其他的（模式1～4、6、7、10）则同时包括了海洋和陆地碳库，从而可以对全球碳循环进行充分描述。

同时，大多数模式还进一步给出了全球植被的动态变化机制，其中主要采用的是基于统计学的植被模式，如模式2、3、8、10、13等就耦合了基于植被变化对各个气候参数的统计函数的简单动态植被模式V EC OD E［6］。

各模式对大陆上的冰雪的质量平衡也进行了计算，表1也给出了所耦合的冰川模式的维数。

其中以p o l y t he r m a l标记的，代表了模式涵盖了两个内陆冰川（北美和欧亚），而且描述了冰川的热力学机制。

只有模式I A P RA S（模式5）将冰川的分布情况预先指定为与现在的分布相一致。

通过对E M I C s的结构和基本组成的简单介绍，我们可以发现，E M I C s在构成和简化程度方面具有非常大的灵活性，各个E M I C之间的复杂程度差异也是比较明显的。

一部分E M I C s的大气或者海洋部分基于G C M s（模式3、4、9等），使其总体的复杂程度较高，对气候系统中某些过程及反馈的描述比较完善，从而可以对较长时间尺度上的气候变化进行更细致的模拟；而另一部分则是基于分辨率较粗糙并且大量参数化的模式（模式8、10、13等），这类E M I C s在更长时间尺度（千年范围乃至冰期间冰期循环）的气候变化的研究中有着重要的作用。

这样，从模式的复杂程度上看，前者更像是简化了的
C G C M s，而后者则更接近于简单的概念性模式。

下面以C L I M BE R-3（模式3）为典型代表，对E M I C的结构和组成进行进一步介绍。

C L I M BE R-3属于新一代的地球气候系统模式，主要包括海洋模块、低温层模块和涵盖陆地植被的陆气耦合模块。

它的海洋模块主要基于一个海洋环流模式（O G C M），M O M-3［7］、雪—海冰模式、以及用于模拟海洋生物地球化学作用的海洋碳循环模式。

海洋模式的水平分辨率较高，达到了3.75°×3.75°，垂直方向分为24层，而且描述了非线性的自由海洋表面。

低温层模块基于三维冰川模式S I C O P O L I S和雪盖模式。

陆气耦合模块包括2.5维的统计动力学的大气模式P O T S DA M-2［8，9］、陆气交换接口和综合的陆面过程模式。

大气模式分辨率较低22.5°×7.5°，一个大气格点包含了6×2个海洋格点；陆气交换接口和陆面过程模式描述了大气和下垫面的水、动量、二氧化碳和能量交换，植被过程主要基于动态植被模式L P J。

与A OG C M相比，C L I M BE R-3表现出相当的优势。

大气模块的分辨率相对较低使得C L I M BE R-3在计算上需要相对较少的计算资源，因而可以进行长期气候模拟（1万年甚至更长）。

对海洋自由表面的描述，使得大气和海洋可以直接通过淡水通量进行耦合，并且仅在海冰形成和融化时考虑盐分的注入。

而且，C L I M BE R-3包括陆地和海洋生物圈模式，完整而细致地描述了全球陆地植被、海洋浮游动植物、C a C O3、磷酸盐、硅酸盐、氧、以及可溶解的无机碳（D I C）的动态变化。

特别指出，C L I M BE R-3同时包括陆地碳循和海洋碳循环，从而闭和了全球碳循环模式，使得依赖模式自身计算而不再在模式中指定C O2浓度成为可能。

同样，由于C L I M BE R-3采用了M O M-3（一种O G C M）作为海洋模块，其对海洋在长期气候变化中的重要地位有着更细致的模拟。

但C L I M BE R-3的缺点在于大气模块相对于海洋过于简化，而且不能对季节间变化进行模拟。

综上所述，可以发现目前的E M I C s主要基于气候系统最重要的两个组成部分———大气和海洋构造类似），同时对其他模块（陆面过程、生物圈、冰川、海冰以及未来可能涵盖的人类活动部分等等）进行了复杂程度相对较低的描述。

然而，正是由于E M I C s对气候系统的各组成成分进行了复杂程度有所不同的描述，不但从整体上简化了E M I C s的复杂程度，降低了对计算能力的要求，而且还有助于突出研究气候系统内部某些重要过程及反馈的作用。

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7 地球科学进展 第22卷
表1　各E M I C s的简单描述
T a b l e1　B r i e f d escr i p t i on o f E M I C s
序号模式名称大气海洋生物圈海冰冰川
1B e r n2.5 D E M B M，1-D（φ）2-D（φ，z），3b B O，B T T
2C L I M BE R-2S D M，2- D（φ、λ）-m L2-D（φ，z），3b B O，B T，B V T D3-D po l y t hem al
3C L I M BE R-3S D M，2- D（φ、λ）-m L GC M，3- D，3.75°×3.75°L24B O，B T，B V T D3-D po l y t hem al
4G EN I E G C M，3-D，T21-L3G，3-D B O，B T，B V T D3-D po l y t hem al
5I A P RA S S D M，3-D，4.5°×6°，L8S D M，2-D（φ，z），4.5°×6°，L3B T T使用今天的分布描述6I S A M-2D E M B M2-D（φ，z），3b B O，B T，B V T D
7L OVEC L I M Q G，3- D，T21-L3G C M，3- D，3°×3°B O，B T，B V T D3-D po l y t hem al
8M P M E M B M，1-D（φ）2-D（φ，z），3b B T，B V T D3-D po l y t hem al
9M I T G C M，3-D大气化学3-D，4°×4°，L15B T，B V T
10M o B i di C Q G，2-D（φ，z）-L22-D（φ，z），3b，L15B O，B T，B V T D3-D po l y t hem al
11P l anet S i m u l a t or G C M，3-D T21-L5，或T42-L10M L B
T
T
12P U M A G C M，3-D T21，T31，T42T85，任
意层3-D，5°×5°，L11B
O
T D
13U v i c E M B M，2-D（φ，λ）3-D，L19，3.6°×1.8°B T，B V T D3-D po l y t hem al 注：各种E M I C s按名称字母顺序排列，不分先后。

表中符号的含义参见文中内容
2.2　E M I C s的应用领域
全面回顾关于E M I C s的论文，不难发现由于研究目的的多样性，E M I C s表现出非常广阔的应用领域，在很大程度上拓展了对地球系统的综合认识。

然而，虽然E M I C s具有与简单模式相当的计算效率，但是其对气候系统的描绘不如C G C M s细致，所以E M I C s主要注重长期气候模拟，从整体行为和足够的细节上刻画地球系统的长期演化。

总体来看，E M I C s的应用领域主要集中在以下几个方面：
（1）十年到千年时间尺度上的气候系统内的大尺度温盐环流（T H C－T he r m o h a li ne C i r c u l a ti o n）的作用（模式1～4、8、9、13）。

如W ang［10］和M a rs h等［11］分别使用M P M-2（模式8）和G E N I E（模式4）对温盐环流的研究显示：温盐环流（T H C）这个洋流系统最少有两种稳定的气候状态，其中一种是目前所出现的，即环流非常强劲和向极地方向传输大量热能，从而带来和暖气候的状态；另一种则是环流非常微弱，甚至接近乎于停止的状态，从而带来寒冷的气候状态。

数值模拟实验还显示，这两种状态之间是可能出现相互转化的。

其它一些模式对温盐环流的研究显示温盐环流“强和弱”两种状态的转化可能由内部的紊乱过程所触发，也就是在没有外在条件改变的情况下出现，例如温室气体的排放［12］。

而另外的一些研究则显示，转化亦可能是由特定的外在因素所触发，而最可能的有效触发机制，可能就是大西洋北部突然出现的淡水注入［13，14］。

（2）对冰期间冰期循环和冰期开始与结束的模拟与研究（模式2、3、7、8、10、13）。

目前对冰期—间冰期循环的研究主要基于米兰科维奇理论［15］，普遍认为轨道参数起决定作用，而其它强迫因素进一步强化。

如G a ll ee等［16］和B e r g er等［17］的研究显示：L L N-2D北半球气候模式（一种E M I C，与模式10相似，没有列在表中）在变化的太阳辐射强迫下，当指定的常量C O2浓度低于220×10－6后，能够重现观测到的冰期—间冰期循环；而固定轨道参数，让C O2依据V o s t ok重建记录变化，则L L N-2 D无法再现冰期—间冰期循环［18］。

E M I C s对冰期的开始和结束也进行了各种实验，特别是对末次冰期的开始与结束进行了更详细的研究。

如M e i ss ner等［19］使用U V I C（模式13）研究了植被对末次冰期开始的作用，K a ge y am a等［20］使用C L I M BE R-2研究了末次冰期的开始特别是各种不同冰川的反馈作用，Y o s h i m o r i等［21］使用U V I C 进行了末次冰期结束对轨道参数和二氧化碳强迫的敏感性实验。

这些研究普遍认为冰期的开始与结束更像一种“阈值”行为。

同时，E M I C s对下次冰期的开始也进行了探讨。

L o u tr e等［22］使用L L N-2 D研究了未来的气候及其对不同二氧化碳情景的敏感性，他们发现目前的气候很可能经历较长的间冰期（大约5万年），而在未来的6
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第3期 尹崇华等：近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展
万年和10万年将可能出现较小和较大的冰期。

（3）中高纬度或全球尺度的大气—海洋—植被相互作用，相关生物地球物理或化学作用在气候系统中的贡献都得到了广泛研究（模式2、3、6～10、13）。

如C l a u ss en等［23］使用C L I M BE R-2对大尺度陆表覆盖变化的生物地理和化学的反馈进行了敏感性研究。

他们的研究显示：大尺度陆表覆盖变化显著的影响地表的水热通量和C O2浓度，热带地区毁林有全球增暖的趋势，而北半球中高纬度的毁林有全球变冷的趋势，但北半球中高纬度的植树造林却有全球增暖的趋势。

同时，多个E M I C s对撒哈拉地区植被突变进行了深入研究［24，25］，普遍认为是夏季风降水的减弱导致了撒哈拉地区的沙漠化，这和G C M s的研究结果是一致的。

目前，这些模式的研究主要集中于陆表覆盖和耕地利用变化对气候的影响［26］，模式研究显示历史性的毁林造成全球年平均温度下降0.13～0.25℃。

同时，陆表的变化导致陆地蒸腾作用减弱，而植树造林有利于碳的吸收，从而有利于减缓全球变暖趋势。

（4）探测和归因过去1000年的气候变化（模式2、3、7、8、10）。

如B e r t r and等［27］和B a u e r等［28］分别使用M o B i di C（模式10）和C L I M BE R-2（模式2）对过去1000年的各种气候强迫年进行了评估。

这些模式结果与高分辨率的重建数据的比较显示：火山和太阳辐射作为自然强迫是工业革命时期以前（1850A D）的主要气候强迫，能够很好的解释中世纪暖期和小冰期。

但自然强迫不足以产生近代以来的全球变暖，人类活动排放的温室气体是造成全球变暖的主要强迫，而且研究结果表明所有的气候强迫对模拟过去千年气候变化都是重要的。

（5）对突变事件的研究（模式2、3、7、8、13）。

E M I C s对最近4万年来包含的一系列百年至千年尺度的非线性的气候事件，如H e n r i c h和Y oung e r D r-y a s（Y. D.）寒冷事件、全新世的降温事件以及冷、暖的转换点等突变事件的成因和机制进行了模拟和研究。

如W a ng等［29］使用M P M-2（模式8）对冰期气候突变和D-O震荡的机制进行了深入探讨，他们发现北大西洋经向翻转流（A M O C）状态的快速转换导致冰期气候突变，这一突变被海冰面积的扩张进一步强化。

（6）在100年到10万年的时间尺度上，对过去、现在和未来的气候，以及气候系统中的各种反馈的一般性研究（模式2、3、8、10）。

如P e t oukhov
等［30］组织的对目前气候和C O2加倍模拟的E M I C s 比较计划，充分显示E M I C s对目前气候的模拟非常接近观测结果，而且E M I C s模拟误差均在G C M s误差的范围之内。

另外，E M I C s对陆地、海洋、全球碳循环等多个方面的问题也进行了探讨（模式1～8、13）。

3　结　语
简单的概念性模式、C G C M s和E M I C s作为复杂程度不同的地球系统模式，在拓展人们对地球系统的认识方面起着各自鲜明的作用，已经成为环境研究的综合评估工具。

简单模式将人们对地球系统的认识拓展到了冰期—间冰期尺度，而且成为了解气候理论和气候变化基本规律的有效的工具［31］；
C G C M s是最完备的地球气候系统模式，能够准确、全面、深入地研究地球气候系统，特别是可以细致地描述气候史上一些具有深远影响的气候事件，因而能够更深入地揭示这些迷人（C ha r m i ng）事件产生的机制和机理。

中等复杂程度的地球系统模式（E M I C s）涵盖了地球系统的大多数组成部分，对各部分之间的反馈和过程能够给予比较详细的描述，从而非常接近完备的地球系统的概念，同时具有低廉的计算要求，使其应用几乎覆盖了简单模式以及大气环流模式（C G C M s）的所有研究领域。

E M I C s既可以充分的描述今天的气候，又可以重现器测记录以来的气候变化，而且可以在古气候资料的强迫下模拟出不同于今天的古气候状态，特别的，E M I C s能够成功的模拟出古气候史上突变事件的大体特征，并能在理论上给出合适的解释。

当然，E M I C s并不是完美无缺的，例如它的分辨率较粗糙，对地球系统细节的描述也相当的简化，因而模拟无法达到C G C M s的高度。

但是，E M I C s已经能够刻画出地球系统变化的大体特征，并进行C G C-M s在目前计算条件下无法企及的长期气候变化研究，而且这些长期研究为C G C M s进行更深入地研究提供了有效的帮助。

同时，E M I C s从出现到发展到今天不过短短的几十年，尚处于发展的初始阶段，随着人类对地球系统认识的深入以及计算能力的不断增强，E M I C s必定会得到更大的发展，从而在地球系统模拟中起到更加重要的作用。

应该说E M I C s作为简单模式和C G C M s的补充，在二者之间架起了一座桥梁，在地位上并不次于C G C M s，已经成为评估地球系统的必不可少的、值得
4
7 地球科学进展 第22卷
要的、非常有用的工具。

在未来的几十年或者更长的时期内，对古气候时间尺度（千年甚至更长）的气候自然变化的研究，E M I C s很可能依然是我们唯一的选择。

结合当前E M I C s的应用和发展，我们认为E M I C s未来将会在下面几个方面取得突破，这在一定程度上也代表了其发展方向：
（1）以交互的方式加入人类活动的贡献，使E M I C s成为真正意义上的地球系统模式，而不再是仅仅描述自然地球系统。

（2）改进模式的计算能力，使其耗费更少的计算时间，从而使得E M I C s能够进行更长时间尺度上的模拟研究。

（3）结合观测和理论研究，改进物理、化学、生物过程和各种反馈的参数化方法，对地球系统细节的描述将更为详尽有效。

（4）更加注重气候突变机制的研究，区分自然和人为因素在突变阶段性转折和突变中的相对贡献。

（5）改进降尺度方法，更加强化全球变化背景下的区域气候的长期变化研究。

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