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文档简介

热量交换方式土壤温度温度与农业生产第二章农林气象学2011年1月我国异常偏冷平均气温1961年来最低

全国1月平均气温历年变化(1961-2011年)

1月以来,冷空气活动非常频繁,除青藏高原及周边地区气温偏高外,全国其余大部地区气温较常年同期偏低2~4℃,其中新疆中北部、内蒙古中西部、宁夏、甘肃北部、贵州中南部、湖南南部、江西西南部、广东西北部、广西等地偏低4℃以上。2011年全国1月(1-24日)气温距平实况图

二、辐射热交换太阳辐射是地球表面增温的主要热源一、分子传导

物体通过分子的热运动,传导热量的方式。是土壤中热交换的主要方式三、对流

流体在各个方向上流动时,随流体流动而进行的热量交换方式。第一节热量交换方式辐射(长波)热交换是地表与大气之间热交换的主要方式空气在垂直方向上大规模有规律的升降运动

★作用:使上下层空气混合,产生热量交换大规模空气在水平方向上的运动低层大气与高层大气热交换的主要方式

★分类:热力对流动力对流四、平流

★定义:★定义:水平方向上热交换的主要方式★作用:缓和地区之间、纬度之间温度的差异有很大作用

五、乱流(湍流)空气在各方向上小规模的不规则运动★分类:热力乱流动力乱流★

定义:低层大气热交换的主要方式一、地面热量平衡RLEPB图2-1(白天或夏季)图2-1地表面热量收支示意图

1、地表面昼夜热量收支平衡方程:白天

R-P-B-LE=0第二节土壤温度白天和夏季:地面净辐射R为正值,P、B、LE三项为负值夜间

-R+P+B+LE=0夜间和冬季:R为负值,P、B、LE三项为正值RLEPB(夜间或冬季)箭头指向地面的是收入项,表示地面得到热量,为正值;箭头离开地面是支出项,表示地面损失热量,为负值。2、地表层昼夜热量收支平衡方程:Qs

RLEPBQs

LERPB(白天或夏季)(夜间或冬季)白天R–P-B`-LE=Qs夜间-R+P+B`+LE=-Qs二、土壤的热特性1、热容量★

定义:

在一定过程中,物体温度变化1℃所需吸收或放出的热量。

★分类:质量热容量(比热、比热容)容积热容量♠质量热容量:★定义:单位质量的物质,温度变化1℃所吸收或放出的热量。★单位:J/(kg·℃)(或J/(g·℃))

♠容积热容量:★定义:单位体积的物质,温度变化1℃所吸收或放出的热量。★单位:J/(m3·℃)(或J/(cm3·℃))

★计算:♠Cm、Cv之间的关系:(2-3)★单位:J/(m·S·℃)(或W/(m·℃))♠热流量方程:λ:导热率,B:热通量;ΔT/ΔZ:温度梯度,负号表示热流方向由高温指向低温。★方程的意义:

当其他条件相同时,导热率大的物质,热流量大,传热速度快;反之则小。(2-4)土壤中固体成分的导热率最大,水居中,空气最小。♠土壤导热率分析:见表2-1♠土壤导热率影响因子:土壤孔隙度土壤湿度★单位:m2/S(或㎝2/S)

K:导温率,λ:导热率,Cv:容积热容量★定义:单位容积的物质,通过热传导,由垂直方向获得或失去λ焦耳(J)的热量时,温度升高或降低的数值称为导温率。♠计算公式:(2-5)3、导温率(导温系数)★土壤导温率对土壤温度分布的影响:

直接决定着土壤温度的垂直分布及最高、最低温度出现的时间。三、土壤温度的变化◆表征温度变化的几个物理量:

较差:指一定周期内,温度最高值与最低值之差。

日较差:一天内最高温度与最低温度之差。年较差:一年中最热月平均温度与最冷月平均温度之差。

位相差:最高温度与最低温度出现的时间差。

1、地面温度和热量收支的关系地面温度变化与地面热量收支示意图1.地面温度日变化曲线;2.地面热量支出日变化曲线;3.地面热量收入日变化曲线。Tm:地面最低温度;TM:地面最高温度

太阳高度角:随太阳高度角增大辐射日变化大,日较差也越大。纬度增高,日较差减小。土壤热特性:导热率大的土壤日较差小;热容量大的土壤,温度日较差小.土壤颜色:深色ΔT日>浅色ΔT日

地形:凹地>平地>凸地天气:晴天ΔT日>阴天ΔT日

(2)年变化

年恒温层(土壤温度没有年变化):

土壤温度的年较差为零时的深度。低纬约5~10m处;中纬度约10~20m;高纬约25m左右。

★影响因子纬度、土壤的自然覆盖、土壤热特性、地形、天气

陆地上最热月一般出现在7月,最冷出现在1月,海洋则分别出现在8月和2月。定律一:最高和最低温度出现的时间随深度增加而落后,其落后的时间与土壤深度成正比.

日变化,大约深度每增加10cm,最高和最低温度出现的时间落后2.5~3.5小时.如地面最高温度出现的时间是13时,10cm处是16时,20cm处是19时……。年变化,深度每增加1m,年最高和最低温度约落后20~30天。

定律二:若土壤深度按算术级数增加,则土壤温度的振幅按几何级数减小.

如:地面温度日振幅(日较差的二分之一)为16℃,12cm处日振幅为8℃,即日振幅减小了1倍,则可推测在24cm处,日振幅为4℃,36cm处为2℃…….

定律三:不同周期的温度振幅随深度的减小不同,若使振幅缩小到同样倍数,它们的深度与其周期的平方根成正比。(公式2-8)

对日变化和年变化的振幅,有年变化振幅=19.1×日变化振幅,如某地地温日振幅在12cm处减小一半,则年振幅减小一半的深度为19.1×0.12=2.29米四、土壤温度的垂直分布:土壤温度垂直分布★

日射型:土壤温度随深度的增加而降低.13时★

辐射型:土壤温度随深度的增加而增加。01时★

早上过渡型:由辐射型向日射型转变,早上或春季

图中07时★

傍晚过渡型:由日射型向辐射型转变,傍晚或秋季

图中19时受热型放热型五、土壤的冻结和解冻

当土壤温度降到零度以下,土壤中水分与潮湿土粒发生凝固或结冰,使土壤变得非常坚硬,即土壤的冻结。坚硬的土层并不十分厚,在它下面还是比较松软的土。含有冰晶的土就是冻土。地理分布:

★冻结:分布于高纬度地带和高山垂直带上部。

我国东北地区冻土层可达3米以上,华北平原约1米以内,西北地区在1米以上,秦岭淮河以南几乎没有冻土。

我国多年冻土分为高纬度和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭,面积为38~39万平方公里。高纬度的多年冻土是欧亚大陆多年冻土南缘,平面分布服从纬度地带性规律,即纬度越高的地方冻土面积约大,厚度越厚。高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山,以及东部某些山地,如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等。高海拔多年冻土形成与存在,受当地海拔高度的控制。

土壤的解冻:由上而下和由下而上同时解冻。

冻土的应用:管道、房屋的地基,各地最大冻土的深度。

年平均温度低于-3~-5℃,一般都有永冻土。我国永冻土面积约214.8万km²,其中大小兴安岭38.2、青藏高原150.0、祁连山13.4、天山9.8、阿尔泰山3.4.…..五台山(2896m),年平均温度-4.1℃,1975年夏季在80cm处发现冻土,1976年夏季在1m处发现永冻土。

第三节水层温度一、影响水温变化的因子★水面反射率小于陆地

★水的吸收率大于陆地

★水是半透明体,

★水的热容量大

★热量主要消耗于蒸发

★水是流体,通过乱流、对流、平流交换热量二、水体温度的变化★

日变化:

水面最高温度出现在午后15~16h,最低温度出现在日出后的2~3h内。

日较差:在中纬度湖面上2.0~5℃,洋面0.2~0.3℃(热带0.5-1.0℃、温带0.4℃

、寒带0.1℃.日变化所及深度约30米。★

年变化:

水面最高温度一般出现在8月,最低温度则出现在2~3月。

日、年较差:均小于陆地★

位相:

最高温度和最低温度出现的时间,大约每深入60m落后一个月。

年较差:深水湖和内海表面的温度15~20℃,海洋上,热带地区为2~4℃,中纬度地区为5~8℃。

水温日较差和年较差随深度加深而减小,日变化消失层深度可达15~20m,年变化可传到100~150m深处。★垂直变化:湖泊水温的垂直分布★

夏季:水表层趋于等温分布。在等温层以下有一个跃变层。跃变层以下是等温层。★

冬季:水温的垂直分布几乎呈等温状态。当水面温度降到4℃以下时,表层冷水不再下沉,使水面以下的水温在4℃左右。

等温层跃变层等温层

一般,湖水在温度接近4°C时密度最大,当密度随深度增加时,湖水稳定;密度随深度减小时,产生对流混合,发生上下循环,或称翻转。如融冰之后,湖水增温,表面水的密度增加,水团下沉,湖水上下循环。当湖面增温至4°C以上,上下循环终止。秋冬时期,湖水冷却,也发生类似过程,当湖面冷却至4°C以下时,这一过程即告停止。

深冬时节,江河封冻,而海面却波涛汹涌,海浪起伏?

水温的垂向分布。温带双循环湖有下列情况:①夏季,表层水温较高,底层较低,但不低于4℃,称为正温成层;②秋季,表面冷却引起湖水循环,湖水上下层温差与密度差逐渐减小,当上层水温接近4℃时,形成同温现象;③冬季,当温度降至4℃以下,表层水温较低,底层较高,但不高于4℃,称为逆温成层;④春季,湖泊解冻以后,湖面开始增温,引起湖水循环,当上层水温接近4℃,再度形成上下同温现象。

海水冻结时产生的冰晶,是淡水冰?

淡水在0℃结冰,叫做冰点。海水的冰点是一个不确定的温度。海水中含有大量的盐,所以海水冰点的变化与海水盐度和密度有密切的关系。

海水的凝固点低于淡水,并且随着盐度的增加而降低。当海水表面趋向于结冰温度时,密度增大,海面海水下沉,引起水的垂直对流,进行混合。表层水开始结冰,析出盐类而使邻近水层的盐度增大,使邻近的海水的凝固点再次下降。因此,海洋只有混合均匀,从表层到海底各深度的水温接近凝固点时,海面才会凝固结冰。所以,海冰不象湖水河水结冰那样容易。第四节空气温度热量交换方式:平流、对流、乱流、潜热交换。一、空气温度的日变化和年变化1、日变化:

最高温度出现在14~15时,比地面最高温度出现的时间落后1-2个小时。最低温度出现在日出前.

影响气温日较差的因素:纬度、季节、地形、下垫面的性质、天气条件等。纬度:随纬度的增高日较差减小,热带气温日较差平均10~20℃,温带平均8~9℃,极地平均3~4℃。季节:一般夏季气温日较差大于冬季,而一年中气温日较差在春季最大地形:凹地>平地>凸地

天气条件:晴天>阴天、有风<无风

下垫面的性质:海洋<陆地、沙土>粘土、深色土>浅色土、干松土>潮湿土海拔高度:随海拔高度的增加,日较差减小2、年变化:最冷、最热月出现的时间:

最热月最冷月大陆7月1月海洋8月2月影响气温年较差的因子:纬度、距海远近、地形和海拔、云量和降水★纬度:随纬度增加而增大。表2-3★距海远近:远海区>近海区表2-4★地形及天气状况:同与日较差3、气温的非周期变化“倒春寒”“秋老虎”★世界上气温变化最剧烈的地方——美国的南达科他州的斯比尔菲什那里曾经在2分钟内,气温从-4℃猛升到45℃,人们一下子度过了几个季节

实际上,一个地方气温的变化是周期性变化和非周期性变化共同作用的结果?4、气温的空间变化1、水平分布特点:

等温线(特别是南半球)趋向东西向排列,由赤道向两极逐渐降低,北半球1月比7月的等温线密集,则说明冬季的温差大于夏季;赤道附近的气温年变化很小,随着纬度的增加,年变化幅度也增大。不同季节,气温水平分布不同,在水平方向上温度的分布有以下特点。

最高温度不位于赤道,冬季在5~10°N,夏季在20°N。★世界冷极在南极,为-90℃(乔治峰),热极在索马里境内,为63℃。2、近地层气温的垂直分布近地气层温度的垂直分布

★日射型:图中12时★

辐射型:图中0时★

早上过渡型:图中06时★

傍晚过渡型:图中18时-90℃,南极南极北极2010.02.23随着气温回升,新疆的积雪开始大量融化,不少建筑物上出现壮观的“冰瀑”2010年1月,伊犁地区就曾因连续暴雪出现多次雪崩

2011年1月15日,内蒙古呼伦贝尔牙克石市街头冰雾弥漫,这已是从1月8日起该地气温连续第八天低于-40.0℃,为入冬以来持续时间最长的低温极寒天气。极低的气温使得呼吸出的空气瞬间在衣服和脸上结冰据台湾《联合报》2010年12月6日报道,波兰11、12月的严寒天气共造成52人被冻死,11月有15人丧生,12月头5天就有37人遇难。死者多为流浪街头的人,死于无暖气的废弃屋或花园的小棚中。波兰出现的最低温度为摄氏零下32度,出现于波兰东北部的毕莱史托克地区。生活适宜的温度??现代医疗气象研究表明,一般室内温度在20-23℃为最适宜,夏季在25-28℃,相对湿度为50%-70%范围内睡眠最适宜。

一日之际在于晨,一年之际在于春。春天气候逐渐转暖,是一年中最美好的季节。也是“百草发芽,百病发作”的季节。

人在自然环境、水中、风中感觉??A:早春当防流行病

B:警惕旧病复发C:春季要防皮肤病

生理零度:当气温为28~29℃时,人体的皮肤不感温,这个温度称为生理零度。气温t<25℃气温t=25~28℃气温t>29℃自然环境冷感温感热感水温<29℃水中水温29~37℃水温>37℃热感温感冷感海洋中海温年平均>28℃的区域只占海洋面积的6%。

环境温度过高或过低都会给人带来不适,过低的海温是造成海难死亡的重要原因。不同水温人存活时间水温℃01015-20时间(h)0.252.5-310

落水者当体温从37℃降到32℃的过程中,人体出现剧烈颤抖,体温从32℃降到30℃的过程中进入昏迷状态而不省人事;当体温降到30℃以下时,因心脏衰竭而导致死亡。风速越大,体感温度越低,当气温为0℃时,风速小于2.5米/秒以下,体感温度与气温相同;当风速为10米/秒时,体感温度为-12℃;风速20米/秒,体感温度-18℃时;气温为-15℃时,10米/秒的风速,体感温度-30℃,对裸露的肌肤可造成冻伤。风冷效应:因为大风而令人们更加感觉寒冷的现象“风冷相当温度”即“体感温度”不同风速下环境温度与体感温度比较风级体感温度环境温度0级2级3级4级5级6级7级8级2℃21-6-9-11-14-16-17-1℃-1-3-9-12-16-18-20-20-7℃-7-9-17-28-23-26-28-30-18℃-18-21-30-43-40-43-46-48-23℃-23-26-35-51-47-50-54-563、气温垂直递减率:

γ>0,表示气温随高度的增加而降低;γ=0,表示气温不随高度变化;γ<0,表示气温随高度的增加而增加。影响因子:陆地>海洋,沙漠、燥土>浅草地、湿土,晴天>阴天4、逆温:

在一定条件下,气温随高度的增高而增加,这种现象称为逆温

逆温层:发生逆温的气层称为逆温层。

当发生逆温时,冷而重的空气在下,暖而轻的空气在上,不易形成对流运动,使气层处于稳定状态,阻碍了空气垂直运动向上发展,因而又称阻挡层。★概念:

★逆温的分类:

辐射逆温、平流逆温、湍流(即乱流)逆温、下沉逆温、地形逆温、锋面逆温和融雪逆温等。

辐射逆温

夜间由地面、雪面或冰面、云层顶部等辐射冷却形成的逆温。

一般为200~300m。

高纬地区冬季有时可达2,000m左右。

大陆上常年都可出现,以冬季最强,夏季最弱辐射逆温形成的条件:晴朗无风或微风的夜间◆

平流逆温:

暖空气移到冷的下垫面上,发生接触冷却,愈近地表面的空气降温愈多,而上层空气受冷地面的影响小,降温较少,于是产生了逆温现象,这种逆温称为平流逆温。

夜间加强,白天减弱。

冷的下垫面暖空气暖空气◆

其他逆温:★锋面逆温冷暖空气相遇时,较轻暖空气爬到冷空气上方,在冷暖空气交界面附近(即锋面附近)出现的逆温,称为锋面逆温。

逆温层冷空气暖空气★融雪逆温:在积雪地区,因暖空气流经冰、雪表面产生融冰、融雪现象,而冰雪的融化需要从近地面气层吸收大量的热量,从而使贴近地层的气温较低,形成逆温,这种逆温称为融雪逆温。

暖空气吸热融雪冰雪面★地形逆温:在山区夜间,由于山上冷空气沿斜坡向下移动到低洼地区并聚积于底部,使原来在洼地底部的较暖空气被迫抬升形成的逆温,称为地形逆温。冷空气暖空气冷空气暖空气

逆温的实际应用:

农业上常利用逆温层防寒避冻、防治病虫害;工业上避开逆温出现的时间来排放污染物质。

思考题:假设大气污染物以恒稳速率排放,那么在无风且晴朗的一天里,从避免吸入污染物的角度看,早晨是最适合锻炼的时间么?中国1月份平均气温分布图-30-15-15-15-15-20-20-20-15-10-15-15-20-5-10-15-15-15-20-25-25-25-30-10-15-5005101515151520205101515-15-1515155中国7月份平均气温分布图202020242424202020162626262422222020202020242426242426262828282424282888121212161224202222我国实测最高气温49.6℃,新疆吐鲁番?艾丁湖湖底海拔最低温度最高49.7℃我国实测最低气温-53℃,黑龙江漠河查阅有关2009年12月、2010年12月我国北方部分地区的最低温度资料如新疆北部、内蒙、东北等漠河撒哈拉沙漠1、空气干绝热变化

热力学第一定律:任一孤立系统由状态Ⅰ微小变化至状态Ⅱ时,从外界吸收的热量dQ,等于该系统内能的变化dU和对外作功dW之和。二、空气的绝热变化和大气稳定度(一)空气的绝热变化★

干绝热过程

空气是干空气或未饱和的湿空气(没有水汽凝结),与外界之间无热量交换时(dQ=0)的状态变化过程。★绝热增温

当空气块下降过程中,因外界气压增大,外界对气块作功,在绝热的条件下,所作的功只能用于增加气块的内能,因而气块温度升高。这种因气块下沉而使温度上升的现象,称为绝热增温。★

绝热冷却

当空气块上升过程中,因外界气压减小,气块体积膨胀,对外作功,在绝热的条件下,作功所需的能量,只能由其本身内能来负担,因而气块温度下降。这种因气块绝热上升而使温度下降的现象,称为绝热冷却。★干绝热直减率(γd=0.98℃/100m)

干空气和未饱和的湿空气因作干绝热升降运动而引起气块温度随高度的变化率,称之为干绝热直减率。★湿绝热过程

饱和湿空气在上升或下降的绝热变化过程中,会产生水的相变,从而释放或吸收热量使空气块的内能发生变化,称此过程为湿绝热过程。

γm不是常数,它是气压和温度的函数,随着气压的减小、温度的升高而减小。2、湿空气的绝热变化★湿绝热直减率(γm)(二)、大气静力稳定度1、大气稳定度的概念

处在静力平衡状态中的大气,空气因受外力因子的扰动后,大气层结(温度和湿度的垂直分布)有使其返回或远离原来平衡位置的趋势或程度,称之为大气稳定度。定义:★稳定

假如有一块空气在外力的作用下,产生垂直运动,但外力除去后:

若气块逐渐减速,趋于回到原位,这时气块所处的气层,对于该气块而言是稳定的。★中性

若既无回到原位,有无继续加速先前的趋势,而是保持原有运动状态,这时气块所处的气层,对于该气块而言是中性的。★不稳定

若气块按原方向加速运动,这时气块所处的气层,对于该气块而言是不稳定的。2、大气静力稳定度的判断

通常用气温直减率(γ)与上升气块的干绝热直减率(γd)或湿绝热直减率(γm)的对比来判断。

扰动方向高度(m)10020030013℃12℃11℃13℃12℃11℃13℃12℃11℃γ=0.8γ=1.0γ=1.211.2℃12.0℃12.8℃11.0℃12.0℃13.0℃10.8℃12.0℃13.2℃G>FG<FG=FG=FG>FG<FA:γ<γd稳定B:γ=γd中性C:γ>γd不稳定合力方向★对于未饱和空气γ>γd不稳定;γ=γd中性;γ<γd稳定★对于饱和湿空气γ>γm不稳定;γ=γm中性;γ<γm稳定

★综合判据γ愈大,大气愈不稳定

γ<γm<γd时,大气为绝对稳定

γm<γ<γd时,大气为条件性不稳定

热量是生命活动的重要条件之一,也是农业环境的一个重要因子。在研究热量条件与动植物生长发育的关系时,一般都用温度表示。本节讲述温度的生物学意义;分析气温变化对农业生物、农业环境和农事活动的影响,同时提供几种积温的求算方法及在农业上的应用第五节温度与农业生产

生物的生命活动都在一定的温度范围内进行,不论是一般的生命活动还是生长、发育,都有三个温度基本点,即维持生长发育的生物学下限温度、最适温度和生物学上限温度,这三者合称为三基点温度。(一)生物学三基点温度受害致死温度:最低、最高至死温度指标一、温度与植物的生长发育光合作用的温度指标:最低温度0-5、最适温度20-25、最高温度40-50

呼吸作用:最低温度-10、最适温度36-40、最高温度50

根据研究的结果,马铃薯在20℃时光合作用达最大值,而呼吸作用只有最大值的12%;温度升高到48℃时,呼吸作用达最大值,而光合作用却下降为0。由此可见,温度过高光合作用制造的有机物质减少,而呼吸消耗大于制造,这对作物是很不利的。

三基点温度中,最适温度接近最高温度,而远离最低温度。在确定温度的有效性、作物的种植季节和分布区域,计算作物生长发育速度、生产潜力等方面必须考虑三基点温度。如C4植物由于适应较高的温度和较强的光照,故在中纬度地区可能比C3植物高产,而高纬度地区C3植物可能比C4植物高产。植物生长在一定昼夜变温的条件下比恒温条件好。昼夜变温对植物生长有明显的促进作用。气温日变化有利于白天光合积累和夜间抑制呼吸消耗,瓜果含糖量高与气温日较差大有关;年变化对作物生长也有很大的影响,高温对喜凉作物生长不利,而喜温作物却需要一段相对高温期。

大多数动物在温度适宜的春秋季繁殖机能旺盛。A、生长发育B、动植物分布生育期长短C、产量和品质D、引种育种★周期性变温对植物的影响

15℃5℃0℃10℃20℃农业界限温度(指标温度)是指对作物有指示和临界意义(标志某些物候现象或农事活动的开始、转折或终止)的日平均气温。(二)农业界限温度初冬土壤冻结,越冬作物停止生长;早春土壤开始解冻,越冬作物开始萌动,早春作物开始播种。从早春日平均气温通过0℃到初冬通过0℃期间为“农耕期”,低于0℃的时期为农闲期。在温带地区,春季或秋季日平均气温稳定通过5℃的日期与农作物及多数果树恢复或停止生长的日期相符合,所以,日平均气温5℃以上的持续时期可作为生长期长短的标志,该时期称为作物生长期。5℃0℃大多数作物要在日平均气温稳定通过10℃,生长才能活跃,所以,日平均气温10℃以上的持续期称为活跃期。

春季日平均气温稳定通过15℃以后,喜温作物已开始积极生长,故日平均气温高于15℃的持续时期,可作为对喜温作物如水稻、玉米、棉花、烟草等是否有利的指标。春季通过20℃初日为热带作物开始生长期,水稻分蘖迅速增长。秋季低于20℃对水稻抽穗开花不利,易形成冷害导致空壳。初终日之间为热带作物的生长期。15℃10℃20℃四、积温定义分类计算举例在农业生产中的应用

温度对作物和变温动物生长发育的影响,包括温度的强度和持续时间两个方面,积温就是衡量这两个方面的综合效应的一种农业气象指标。是一种热量指标积温学说积温学说:①在其他条件得到满足的前提下,温度因子对生物的发育起着主要作用;②生物发育要求一定的下限温度。近年来的研究指出,对于某些

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