Hourly change in sediment plume at the Yellow River mouth during the water-sediment regulation
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摘要: 2002年黄河实施调水调沙以来，黄河入海泥沙普遍以异轻羽状流的形式在河口附近的有限区域内堆积下来。采用2011年、2012年以及2013年调水调沙期间3期静止轨道海洋水色卫星(GOCI)数据对黄河口附近海域进行悬浮物浓度反演，提取了黄河口羽状流的逐时变化信息；通过黄河口水动力数值模拟以及风场、潮汐等实测数据分析，阐明了羽状流逐时变化的驱动机制。研究结果表明：黄河调水调沙前后黄河口羽状流表现出单向变化和往复变化两种不同的变化过程；而悬浮物浓度的逐时变化显示：河口附近不同站位的悬浮物浓度逐时变化过程差异较大，同一站位的悬浮物浓度可在1小时之内升高或降低约100mg/L。单向变化型羽状流主要受单向潮流的控制，且GOCI观测时段位于一个落潮或者涨潮过程，河流动力较弱；往复变化型羽状流受涨、落潮往复潮流的控制，涨、落潮流向的转换驱使羽状流向相反的方向运动，而且羽状流位于潮流切变带以内，切变锋对羽状流的形态、分布范围具有明显的切变效应。Abstract: Since the water sediment regulation (WSR) was put into operation in 2002, most of the Yellow River sediment has been deposited in a confined near-shore zone as a result of hypopycnal plume. On the basis of GOCI satellite images collected in 2011, 2012 and 2013, we analyzed the hourly changes in sediment plume at the Yellow River mouth through the inversion to suspended matter concentrations. Wind fields along with tide data during the satellite-observation period were comprehensively analyzed, and the hydrodynamic regime in the mouth area was numerically modeled to uncover the influence forces of these changes. The results show that the hourly changes in sediment plume can be classified into two types: 1) one-orientation changes—the sediment plume moves gradually towards a definite direction (landwards or seawards); 2) back-and-force movement—the sediment plume shifts landwards or seawards in the first few hours and then moved backwards. In addition, the total suspended mater (TSM) at the Yellow River mouth varies both spatially and temporally, reflecting an intensive interaction between different hydrodynamic processes. For some sites, the hourly changes in TSM may exceed 100 mg/L. One-orientation changes are primarily controlled by tidal currents with a minor influence from river input, whereas back-and-force movements are controlled by the changes of ebb and flood tide. Shear front generated near the river mouth is also believed an important process behind the back-and-force movement of sediment plume.
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Keywords:
- water-sediment regulation (WSR) /
- sediment plume /
- hourly changes /
- driving forces
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黄河历史上年均入海沙量约占全球的6%，居世界第二位，含沙量高达25kg/m3, 居世界第一位[1]。黄河巨量的泥沙进入水浅的渤海之后，快速堆积下来，经过叶瓣的往复叠加，形成庞大而复杂的沉积体系。但是1950年以来，气候变化、流域内大型水库建设、黄土高原水土保持以及工农业引水增加极大地改变了黄河入海水沙的格局[2-4]。特别是1999年小浪底水库运行之后，黄河入海水沙通量、水沙组合、年内分布等均发生重大变化[5-7]，由此引发一系列河口沉积动力过程的改变。前人通过现场调查等方法查明了黄河调水调沙期间入海泥沙的传输方式、扩散路径及通量[8, 9]，提出了黄河入海泥沙的传输由异重流向异轻羽状流的行为转变[6]；而小浪底控制下的入海峰值流量减小使黄河口羽状流分布范围极为有限，绝大多数泥沙沉积在离河口20km以内的区域[10, 11]。
羽状流是三维时空变化的水流泥沙结构[12, 13]，其时空演变受控于河流径流输入以及风浪、潮汐、海流、海底地形等环境要素[14-19]。前人研究发现：黄河口流场切变带对悬浮泥沙表现出辐聚和阻隔两种效应：其悬沙捕集效应是黄河口泥沙快速堆积的关键机制[16, 20]；而潮流驱使羽状流向河口两侧摆动[18]，亦可以推动羽状流向海运移[21]。风浪及潮汐引起的拉格朗日余流对入海泥沙输运的驱动效应显著；而表层余流季节性变化较大，是冲淡水大面积扩散以及细颗粒沉积物远距离搬运的主要动力[22]。
前人通过现场调查发现2012年调水调沙期间黄河口主流处定点站位的悬浮物浓度具有明显的周期变化特征(约6小时)，并与潮汐变化周期一致[23]；而2005年黄河调水调沙期间，现场调查亦发现了河口入海主流的快速摆动[24]。与现场调查手段相比，卫星水色遥感技术克服了传统方法的时空局限性，被广泛应用于研究陆架区的悬浮体分布以及大型河口羽状流的时空变化[18, 25, 26]。但是传统极轨方式运行的海洋水色卫星影像不能满足河口羽状流高时间分辨率变化研究[27]。韩国于2010年6月发射了世界上第一颗静止轨道水色卫星COMS(Communication Ocean and Meteorological Satellite)，该卫星搭载的GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)水色成像仪可以提供覆盖我国渤、黄、东海的一日八景、时间间隔1h的卫星影像(空间分辨率500m)。GOCI提供了6个可见光以及2个近红外波段，能够探测叶绿素浓度、溶解有机物以及悬浮泥沙浓度。目前，这种先进的遥感技术在黄河口羽状流研究中的应用尚未见报道。
本文以2011年、2012年和2013年黄河调水调沙前后3期GOCI逐时遥感影像为基础，通过悬浮物浓度反演，分析了羽状流的逐时变化过程。通过黄河口水动力数值模拟，结合风场、潮汐实测数据，探讨了羽状流逐时变化的驱动机制。
1. 资料与方法
选取2011年7月9日(3景)、2012年7月16日(8景)、2013年6月14日(8景)3期GOCI影像，以黄河口附近海域为研究区(如图 1所示)。利用韩国海洋卫星中心(KOSC)提供的GOCI影像处理软件GDPS对GOCI Level-1B数据进行几何校正、辐射校正和大气校正。其中，大气校正采用KOSC提供的标准算法；悬浮体浓度反演采用Hu等[28]开发的悬浮体反演模型。基于GOCI反演结果，分析黄河口羽状流的逐时变化特征，结合2011年7月9日逐时风场数据以及潮位资料(2012年7月16日以及2013年6月14日无实测风场及潮位资料)，分析其时空变化的控制因素，揭示黄河口羽状流在不同径流及环境动力条件下的时空演变过程。
采用Mike21FM水动力模型对2011年7月9日的黄河口附近水动力进行了数值模拟，验证潮流对羽状流逐时变化的驱动效应。该模型利用非等距网格技术(Flexible Mesh Approach)对计算区域进行空间离散。水动力模型包括潮位边界、海面风摩阻、海底摩阻、辐射应力张量、科氏力、点(源)排水量等动力过程。模型采用潮汐驱动的方式，开边界设置中国日照—韩国釜山一线。模型计算范围为东经117°~127°，北纬35°~41°。外海的计算网格步长为10~20 km，黄河口附近海域网格为50m左右。在计算过程中，利用2011实测黄河口附近水深数据以及DHI Cmap提取的水深数据作为模型水深输入条件；计算岸线为2010年1月Landsat8影像提取的岸线；黄河入海径流条件基于利津水文站实测的日平均流量和含沙量；风速为孤东站实测的逐时风场数据；通过给定的潮汐预报边界对2011年全年潮位进行预测，给定计算潮位开边界。
2. 结果
2.1 羽状流逐时变化特征
2011年7月9日、2012年7月16日以及2013年6月14日3期的悬浮物浓度反演结果显示：黄河口羽状流的分布范围、形态均表现出显著不同的逐时变化过程，可将羽状流的逐时变化分为“单向变化”和“往复变化”2种类型。单向变化型是指黄河口羽状流在遥感观测期间一直向某一方向偏移；往复变化型是指河口羽状流的逐时变化呈现出往复性，即先向某一方向偏移、后以相反的方向整体偏移。
(1) 单向变化型
2011年7月9日的羽状流逐时变化属于单向变化型。2011年7月9日为黄河调水调沙后期，入海流量约为2210m3/s。从GOCI影像的彩色合成图来看，河口羽状流自10:30开始逐步向东南方向偏移，羽状流的主轴在两个小时内偏转近50°，由东北方向转为近正东方向，反映了入海主轴的快速摆动，如图 2a-c所示。此外，从羽状流3个小时的运动轨迹来看(图 2d)，羽状流的形态及分布范围变化不太明显。
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图 2 2011年7月9日黄河口羽状流3小时彩色合成图(a, b, c)及逐时运动轨迹(d)Figure 2. 3-hour true-color images (a, b, c) and tracks (d)of the Yellow River sediment plume on July 9, 20112012年7月16日的羽状流逐时变化也属于单向变化型。2012年7月16日利津站入海径流为1500m3/s左右，8个小时的GOCI监测结果显示：河口羽状流的分布范围较小，羽状流逐渐向西北方向(孤东海堤方向)偏移；偏移的趋势在8小时内保持不变，但偏移速率不大，河口羽状流在逆时针偏转的同时，表现出向远离河口方向离散的趋势，指示了入海泥沙的向海扩散, 如图 3a-h所示。而8:30、10:30、15:30的运动轨迹(图 3i)亦可以看出羽状流逐渐向近岸运移的趋势以及分布范围、形态的逐时变化。
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图 3 2012年7月16日羽状流8个小时的彩色合成图(a, b, c, d, e, f, g, h)及逐时运动轨迹(i)Figure 3. 8-hour true-color images(a, b, c, d, e, f, g, h) and tracks(i) of the Yellow River sediment plume on July 16, 2012(2) 往复变化型
2013年6月14日的羽状流逐时变化属于往复变化型。2013年6月14日黄河入海流量为1150m3/s左右，黄河口羽状流自8:30开始先顺时针向东南方向逐渐偏移，至13:30开始逐渐向北偏移(图 4a-h)；整个变化过程中偏移速率较快，黄河入海主流快速迁移。从运动轨迹来看(图 4-i)，羽状流的形态和分布范围均发生很大变化。
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图 4 2013年6月14日羽状流8个小时的彩色合成图(a, b, c, d, e, f, g, h)及逐时运动轨迹(i)Figure 4. 8-hour true-color images(a, b, c, d, e, f, g, h) and tracks (i) of the Yellow River sediment plume on June 6, 20132.2 羽状流悬浮物浓度的逐时变化
基于GOCI悬浮物浓度逐时变化反演结果，选取黄河入海口附近6个站点(位置如图 5所示)，以2012年7月16日为例，分析河口区6个典型站位悬浮物浓度(Total Suspended Matter)的逐时变化过程。
如图 6所示，2012年7月16日黄河口附近6个站位的悬浮物浓度在8:30—15:30的逐时变化过程显著不同。其中，P1站悬浮物浓度的逐时变化表现为升高和降低逐时交替，且变化幅度较大。8:30时的悬浮物浓度为18mg/L，而9:30的悬浮物浓度超过116mg/L，1小时之内浓度变化接近100mg/L；10:30时再次下降至32mg/L，之后再次快速升高。P2站比P1站离河口更远，悬浮浓度相对较低。悬浮物浓度从8:30的不足10mg/L逐渐上升至10:30的约150mg/L，之后缓慢下降，整体上表现出“先升高后降低”的变化趋势。
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图 6 2012年7月16日P1-P6站悬浮物浓度逐时变化Figure 6. Hourly changes in Total Suspended Matter (TSM) at P1-P6 stationsP3站位于黄河入海口，受黄河入海泥沙的持续影响，悬浮物浓度明显大于其他站位。在8小时遥感观测期间，P3站的悬浮物浓度“下降-升高”逐时交替明显，最大浓度接近220mg/L，而最小浓度亦超过30mg/L。而P4站位于P3的外侧，虽然位置相近，但是悬浮物浓度的8小时变化趋势与P3完全不同，表现为先降低、后维持6小时稳定、之后再次升高的变化过程。P5和P6站的悬浮物浓度均低于25mg/L，变化幅度也相对较小，两者的逐时变化过程基本一致。其中P5站位悬浮物浓度自8:30先是微弱上升，9:30之后缓慢下降，至13:30再次小幅回升。而P6站的悬浮物浓度自8:30逐步下降，至13:30开始小幅上升。
以上分析可以看出，即使在紧邻河口的区域，不同站位的悬浮物浓度也相差较大，其逐时变化过程亦有较大差异，反映了黄河入海泥沙分布范围极为有限，也印证了河口区复杂的水动力过程。
3. 讨论
前人研究已经阐明了潮流、风场、切边带等河口环境要素对黄河入海泥沙输运的影响[16, 20, 22]。综合分析现场观测的黄河入海水沙数据、风场及潮汐数据，结合黄河口附近海域的水动力数值模拟，从风场、径流、潮流等环境要素分析羽状流逐时变化的驱动因素。
(1) 风场
前人通过数值模拟发现，风对黄河口羽状流分布形态以及运动路径的驱动效应非常明显[21]，特别是秋冬季节强北风可以驱使河口羽状流沿近岸进入莱州湾；而夏季较强的东南风可以推动羽状流向渤海中部运移。从2011年7月9日孤东站实测逐时风向、风速可以看出(表 1)，8:00—16:00时段风向为东北，虽然风向与河口羽状流的逐时运移方向基本一致，但是风速很小(< 2.0m/s)，而且羽状流形态以及分布范围的变化不大。因此，对于2011年7月9日的羽状流逐时变化而言，风的驱动效应不大。
表 1 2011年7月9日孤东站逐时风场信息Table 1. Hourly-recorded wind field data at Gudong station on July 9, 2011时间(h) 风向 风速(m/s) 01时 西南 3.1 02时 西南 4.3 03时 西南 3.3 04时 西南 3.5 05时 西南 3.2 06时 西南 0.7 07时 西南 1.4 08时 西北 1.2 09时 西北 1.2 10时 西北 1.0 11时 西北 1.4 12时 西北 1.4 13时 西北 1.8 14时 西北 1.6 15时 西北 1.7 16时 西北 1.8 17时 西北 3.3 18时 西北 2.8 19时 西北 2.8 20时 西北 3.4 21时 东南 3.4 22时 东南 4.7 23时 东南 3.9 24时 东南 2.7 (2) 潮流
黄河口附近海域的潮流基本上为与岸线平行的往复流，涨潮流为东南方向，落潮流为西北方向。前人研究发现：潮流及其引起的河口切变锋对黄河口泥沙的传输和沉积具有重要的作用[16]，黄河口外侧锋面的运动轨迹受潮流的驱动作用非常明显，在落潮期间可自斜坡转折点向海迁移10km之多，随后在涨潮流的作用下向岸移动。2011年7月9日孤东站逐时潮位变化过程显示，10:30—12:30正是涨潮时段(图 7)，潮流流向为东南方向，与羽状流的运动方向基本一致。因此，风力较弱的情况下，该日羽状流的逐时变化应该是潮流的驱动所致。
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图 7 2011年7月9日孤东站潮位逐时变化Figure 7. Hourly changes of tide level at Gudong station on July 9, 2011从2011年7月9日黄河口附近海域的水动力模拟结果来看，10时黄河三角洲在清水沟老黄河口南侧海域，流向近S向，在莱州湾湾口流向近NE向，在现行河口北侧流向近NW向(图 8a)；11时莱州湾内呈现落流状态，老黄河口南侧海域流向仍然为近S向，但是在现行河口北侧流向转变为近SE向(图 8b)，在外海流速较小，出现转流状态。12时莱州湾内呈现落憩状态，在老黄河口南侧海域，流向近S向，流速较小；在莱州湾湾口流向近NE向，出现了转流状态，在现行黄河口附近海域流向近E向(图 8c)。而13时莱州湾内呈现涨流状态，在老黄河口南侧海域流向近S向(图 8d)，出现转流状态。
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图 8 2011年7月9日10时至13时(a, b, c, d)黄河三角洲附近海域逐时流场图Figure 8. Tide fields at 10:00, 11:00, 12:00 and 13:00 (a, b, c, d) July 9, 2011 respectively for the Yellow River delta悬沙浓度及流场的模拟结果显示：7月9日10时黄河口西侧海域出现了一个逆时针涡旋，近岸侧流向为自西向东，在远岸侧流向自东向西，在口门附近流向近北向。高悬沙浓度的分布由河口附近向北侧外海输移扩散，河口东西两侧悬沙浓度均较低，如图 9a所示。而11时在河口西侧海域出现的逆时针涡旋变强，在近岸侧流向为自西向东，在远岸侧流速较小，河口附近海域流向为NE向，在现行黄河口SE侧海域流向近S向；高悬沙浓度的分布由10时的向北侧分布变为向NE向分布(图 9b)，黄河口羽状流在海流的作用下由北向东偏移。12时的悬沙高浓度的分布向黄河口NE侧输移，11时出现在河口西侧的逆时针涡旋消失(图 9c)。而13时的悬沙浓度及流场示意图可以看出(图 9d)，现行河口附近海域流向近E向，在现行黄河口东侧海域流向近SE向；河口羽状流由12时的NE侧分布输移至河口的东侧海域。
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图 9 2011年7月9日10时至13时(a, b, c, d)黄河口附逐时近悬沙浓度及流场示意图Figure 9. Suspended sediment distribution and tide field at 10:00, 11:00, 12:00 and 13:00(a, b, c, d), July 9, 2011 respectively for the Yellow River delta以上分析可以看出：数值模拟的2011年7月9日悬浮泥沙输移变化规律与GOCI解译的羽状流输移规律基本一致，羽状流自10:30逐步向东南方向输移；当黄河以1500m3/s流量入海时，羽状流的逐时变化主要受河口附近流速、流向的控制，而径流输入处于相对较弱的地位。
(3) 切变锋
黄河口由于近岸区域与10m深线以外区域的潮汐相位差导致在涨、落潮相互转换的时段存在“内涨外落型”和“内落外涨型”两种不同形态的切变锋，分别历时2小时左右，呈弧带状近似平行于海岸分布。切变锋对河口泥沙的向海传输有重要的阻隔作用[29]。李广雪通过光学卫片分析了河口切变带与羽状流平面特征的关系，划分了四种不同的羽状流形态(图 10)，对应的入海流量分别为1120、4470、2980和782m3/s[16]。
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图 10 (a) 外涨内落型切变带; (b)外落内涨型切变带；(c)外落内涨型切变带；(d)无流场切变带(据李广雪等(1994)修改)Figure 10. Four types of the Yellow River sediment plume altered by different shear fronts而2011年7月9日以及2012年7月16日的羽状流平面分布形态的逐时变化不大，黄河入海径流的射流效应以及潮流对羽状流的推移效应明显，而未受到切变锋切变转移的影响；而2013年6月14日的羽状流的逐时变化除了呈现出运移方向的往复性变化之外，其平面分布形态的逐时变化也很显著，应是切变锋的切变转移所致，因此，2013年6月14日羽状流逐时变化应主要受控于涨、落潮往复流以及切变锋的复合效应。
以上各环境要素的分析可以看出，羽状流的逐时变化应该是河流径流输入、潮流以及切变锋共同作用的结果，而当风力较弱时，风对羽状流的驱动效应不明显。单向变化型(2011年7月9日、2012年7月16日)羽状流主要受单向潮流的控制，且GOCI观测时段位于一个落潮或者涨潮过程，河流动力较弱。往复变化型(2013年6月14日)羽状流受涨、落潮往复潮流的控制，涨、落潮流向的转换驱使羽状流向相反的方向运动，而且羽状流位于潮流切变带以内，切变锋对羽状流的形态、分布范围具有明显的切变效应。
4. 结论
(1) 黄河口羽状流的逐时变化表现出“单向变化”和“复合变化”两种不同类型的变化特征：单向变化型羽状流在8小时之内向某一方向偏移，且偏移幅度较大；复合变化型羽状流的整体运动过程具有往复性，或先向岸偏移再向海推进，或先向海推进后向岸整体运移；
(2) 在紧邻河口的区域，悬浮物浓度差异较大，其逐时变化过程亦有很大不同，反映了河口区复杂的水动力过程。同一站位的悬浮物浓度可在1小时之内升高或降低100mg/L以上；
(3) 径流、潮流与河口切变锋的共同作用是控制羽状流逐时变化的主要动力，而风的驱动效应不明显。单向变化型羽状流主要受潮流的控制，且位于一个落潮或者涨潮过程，河流动力较弱；而往复变化型羽状流受控于涨、落潮往复流以及切变锋的复合效应。
致谢: 感谢黄河水利委员会提供了调查时段的黄河利津站日均水沙数据以及孤东验潮站风场及潮位数据。 -
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图 2 2011年7月9日黄河口羽状流3小时彩色合成图(a, b, c)及逐时运动轨迹(d)
Figure 2. 3-hour true-color images (a, b, c) and tracks (d)of the Yellow River sediment plume on July 9, 2011
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图 3 2012年7月16日羽状流8个小时的彩色合成图(a, b, c, d, e, f, g, h)及逐时运动轨迹(i)
Figure 3. 8-hour true-color images(a, b, c, d, e, f, g, h) and tracks(i) of the Yellow River sediment plume on July 16, 2012
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图 4 2013年6月14日羽状流8个小时的彩色合成图(a, b, c, d, e, f, g, h)及逐时运动轨迹(i)
Figure 4. 8-hour true-color images(a, b, c, d, e, f, g, h) and tracks (i) of the Yellow River sediment plume on June 6, 2013
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图 6 2012年7月16日P1-P6站悬浮物浓度逐时变化
Figure 6. Hourly changes in Total Suspended Matter (TSM) at P1-P6 stations
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图 7 2011年7月9日孤东站潮位逐时变化
Figure 7. Hourly changes of tide level at Gudong station on July 9, 2011
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图 8 2011年7月9日10时至13时(a, b, c, d)黄河三角洲附近海域逐时流场图
Figure 8. Tide fields at 10:00, 11:00, 12:00 and 13:00 (a, b, c, d) July 9, 2011 respectively for the Yellow River delta
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图 9 2011年7月9日10时至13时(a, b, c, d)黄河口附逐时近悬沙浓度及流场示意图
Figure 9. Suspended sediment distribution and tide field at 10:00, 11:00, 12:00 and 13:00(a, b, c, d), July 9, 2011 respectively for the Yellow River delta
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图 10 (a) 外涨内落型切变带; (b)外落内涨型切变带；(c)外落内涨型切变带；(d)无流场切变带(据李广雪等(1994)修改)
Figure 10. Four types of the Yellow River sediment plume altered by different shear fronts
表 1 2011年7月9日孤东站逐时风场信息
Table 1 Hourly-recorded wind field data at Gudong station on July 9, 2011
时间(h) 风向 风速(m/s) 01时 西南 3.1 02时 西南 4.3 03时 西南 3.3 04时 西南 3.5 05时 西南 3.2 06时 西南 0.7 07时 西南 1.4 08时 西北 1.2 09时 西北 1.2 10时 西北 1.0 11时 西北 1.4 12时 西北 1.4 13时 西北 1.8 14时 西北 1.6 15时 西北 1.7 16时 西北 1.8 17时 西北 3.3 18时 西北 2.8 19时 西北 2.8 20时 西北 3.4 21时 东南 3.4 22时 东南 4.7 23时 东南 3.9 24时 东南 2.7 
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