典型海洋环境观测数据产品运用现状及对我国的启示

发布时间:2022-07-03 12:50:05 | 作者:环球体育靠谱吗


  海洋环境观测材料在海洋科学研讨、海洋安全保证与权益保护、辅佐决议方案支撑方面发挥了重要作用。世界规模内运用比较广泛的海洋环境观测数据产品首要由海洋科技强国研发发布并继续更新,我国奉献较少。以典型海洋环境观测数据为例,系统整理了数据特色、质量操控流程、办理运用和敞开同享现状,比照剖析了我国研讨现状及存在的问题,并针对问题从数据同享机制、渠道树立、数据研发等方面提出进步我国海洋科学数据产品的运用服务才能的主张。

  孙苗, 王子珂, 童心, 等. 典型海洋环境观测数据产品运用现状及对我国的启示[J]. 大数据, 2022, 8(1): 73-83.

  海洋观测数据及产品在支撑科技立异、跨学科交融展开和应对气候改变等方面具有重要作用,观测数据产品质量、时空掩盖规模和敞开同享程度是影响数据及产品运用规模、了解海洋环境系统性改变、改写海洋认知的要害性要素。作为评价气候改变相关科学的威望世界安排,联合国政府间气候改变专门委员会(IPCC)于2014年发布的第五次评价陈述(IPCC AR5)中用于评价海洋改变的海洋环境观测数据产品均来自国外,我国则奉献很少,这反映出我国海洋观测数据产品在运用层面存在局限性的问题。因而,充沛把握海洋科技强国研发发布的海洋环境观测数据产品的运用状况,深层开掘其数据特色、要害技能和敞开同享方式,从而为扩展我国海洋观测数据产品的运用供给参阅和学习具有科学和现实意义。

  现在全球改变研讨需求长时序、大标准海洋环境数据产品或数值模仿产品,其间数值模仿产品也依赖于很多的环境观测数据和先进的同化技能,如全球简略海洋材料同化剖析(simple ocean data assimilation,SODA)系统在同化剖析进程运用的温盐数据大部分来自世界海洋数据库(world ocean database, WOD)、全球海洋观测网(array for real-time geostrophic oceanography, Argo)的观测数据、归纳海洋-大气数据集(comprehensire ocean-atmosphere data set,COADS)以及卫星高度计的SLA (sea level anomaly)观测数据等材料。欧洲中期天气预告中心(ECMWF)的全球海洋再剖析数据(ECMWF re-analysis, ERA)的同化方案中交融了WOD数据、全球温盐剖面方案(global temperature and salinity profile plan,GTSPP)数据、Argo观测材料、法国卫星海洋存储、验证、解译(archiving, validation, and interpretation of satellite oceanographic, AVISO)等。这些展开比较老练、运用比较广泛的海洋环境观测数据产品遍及具有堆集时刻长、质控技能先进、更新频率安稳以及敞开同享程度高级特色,且均由国外少量几个海洋科技强国研发供给。我国在海洋环境观测数据产品研发及运用方面整体处于赶跑阶段。

  本文选取上述具有代表性的海洋环境观测数据集,经过深化研讨其数据特色、质量操控流程、办理运用和敞开同享现状,总结其广泛运用的成功经历,一起剖析国内海洋科学数据产品现状及存在的问题,并提出展开主张,为我国海洋环境观测数据产品未来的展开供给参阅。

  作为经过科学质量操控的海洋剖面和海洋生物观测数据集,WOD由世界海洋数据和信息沟通委员会(IODE)赞助。该数据集首要来历于近350个全球或区域海洋观测材料搜集方案,首要数据包含全球海洋学数据抢救方案、全球海洋数据库方案、全球Argo浮标观测方案、世界海洋数据库方案、全球温盐剖面方案、世界海洋环流试验、全球海洋通量联合研讨、海洋鸿沟试验等项目观测数据,包含由大面观测站、温盐深剖面仪(conductivity temperature depth, CTD)、机械式温深仪(mechanical bathythermograph,MBT)、投弃式温深仪(expendable bathythermograph, XBT)等11种海洋观测仪器获取的温盐、氧气、pH值、二氧化碳等20多种参数数据。

  在数据更新方面,WOD数据集具有安稳的更新频率,按季度在线发布更新搜集的新数据,每4年发布经详细排重和质量操控的数据光盘。2018年9月发布了WOD18数据集,现在该数据集包含超越1 570万个丈量站点,以及35.6亿条剖面丈量数据。WOD18版数据核算了137个标准深度上的数据,比WOD13多了97个标准深度。经整理比照,到2021年9月2日,各版别数据量见表1。经过比照能够发现,WOD数据集在不断完善进步观测仪器的数量和数据总量。在质量操控方面,WOD数据集具有严厉的质量操控流程,WOD18数据会集每一个数值和每一个观测断面都有相应的质量操控标识与之对应,用于标识数据是否存在问题、是否可用或具有代表性等信息。WOD关于不同海洋要素的质量操控等级不同,用于核算气候态均匀的要素(如温度、盐度等)的质量操控等级最高,仅自动化质量操控检测阶段就包含针对31个海洋区域102个标准等级的监测。

  在数据敞开同享和运用技能方面, WOD由美国国家环境信息中心(NCEI)揭露发布,并供给ASCII、netCDF等多种格局。为了进一步便利用户运用,WOD研发了数据格局转化和世界海洋数据库检索系统(WODselect)等东西集,经过用户指定查找条件查询检索,对数据资源进行抽取,并在NCEI的网站上供给文件传输协议(file transfer protocol,FTP)供用户下载运用,并完成ASCII到多种数据格局的转化。此外,WOD选用数字目标标识符(digital object identifier,DOI)对数据会集的每个站点的仪器、研讨人员、研讨安排、项目和数据办理员等内容进行详细标识,在保证了数据版权的一起便利数据引证。

  WOD数据集具有时空掩盖度高、数据质量操控进程牢靠、敞开同享运用技能老练等特色,其发布安排NCEI经过树立完好的事务化海洋环境观测数据更新机制和一致的海洋数据资源敞开同享的国家级渠道,保证了数据的安稳性和威望性,为研讨人员节省了很多数据搜集、整合处理的时刻。WOD数据集多年来被广泛运用于海洋温盐、生物、化学、海气相互作用等范畴的研讨。

  ICOADS是现存十分完好、归纳的海外表气候观测材料,数据最早可追溯至1662年。1981年,作为ICOADS的前身, COADS项目由美国国家海洋和大气办理局(NOAA)和美国国家科学基金委的国家大气研讨中心(NCAR)一起协作履行,并于2002年更名为ICOADS。ICOADS的数据分为两类:一类是观测数据,包含船、浮标和其他观测渠道的数据,数据要素品种彻底;另一类是2°(1800年至今)和1°(1960年至今)分辨率的月核算格网化数据,也是现在运用比较广泛的数据。ICOADS 3.0版(R3.0)涵盖了1662—2014年的数据,并更新了2014年至今的月度数据和产品,包含气温、云类型、湿度、盐度、海平面压力、海面温度、海外表风、风波等数据,总数据量为202.75 GB。

  跟着数百年来丈量技能和观测仪器设备的不断更新,ICOADS聚集了不同观测系统的观测效果,并经过严厉的质量操控,发布了多个版别数据集,满意不同用户对数据时空规模、分辨率的要求。每个版别的发布都伴跟着详细的数据剖析陈述,陈述包含质量操控评价、数据去重状况、各版别数据比照、每个数据要素采样和处理状况、仅有数据标识状况等信息,为用户深化了解该版别数据供给了深化的技能支撑。此外,ICOADS还做了很多的数据修正作业,经过飞行记载的数字化,不断开掘原始数据中的新信息,更新进步数据集的时空掩盖度和数据产品质量。

  该数据集由NOAA办理,并经过NCEI等多个安排进行免费发布同享,ICOADS中心团队树立了世界协作沟通机制,为数据产品制造供给科学主张。2019年该数据集支撑了海洋学和海洋气候学联合技能委员会(JCOMM)第五届海洋气候学讲习班、原位海洋风讲习班,并被广泛运用于海洋环境研讨及论文宣布,到2018年3月26日,ICOADS支撑多达1 000余篇学术论文的宣布,在再剖析和格网化数据产品研发方面被引证40 000余次,触及十几个研讨范畴,为科学传达供给了有力服务。

  ICOADS经过广泛的协作、谨慎的数据办理发布技能流程和遵循原始材料修正数据集的办法,保证了其材料的科学性和完好性。经过多渠道、多渠道的敞开同享和宣扬推行,为数据集在多学科范畴运用供给了有用手法。

  GTSPP由政府间海洋学委员会(IOC)的IODE和政府间海洋学委员会-世界气候安排(IOC-WMO)的归纳全球海洋服务系统(IGOSS)技能委员会一起主张,项目于1989年正式发动,意图是研发一个端对端的海洋温盐数据办理系统,树立一个海洋数据办理系统的典型范式。

  在安排安排办理方面,为了进一步进步数据的科学性和可用性,GTSPP其时的数据办理安排——美国国家海洋数据中心(NODC)与斯克里普斯(Scripps)海洋研讨所通力协作,树立了“联合环境数据剖析(JEDA)”中心项目。该项意图施行,一方面进步了NODC所持有数据的质量,保证分发给其他数据中心或区域数据中心后的数据可运用性;另一方面,协助NODC产出了一大批有用的数据产品。GTSPP正是沿用了这种科学家团队与数据中心协作的方式——研讨安排在数据搜集和专业上供给技能支持,数据中心则担任事务化处理、保存和分发数据,才使得GTSPP的数据产品具有高质量数据和完好的文档记载。

  在质量操控办法方面,首先是质量操控标签。GTSPP选用两种质量操控标签:榜首种针对每一个剖面赋予一个编码,用于阐明数据经过了哪些测验查验;第二种用于阐明数据的质量,通常用置信度表明。质量操控标签的运用处理了来自不同数据办理安排的版别不一致、质量操控程序不一致的问题。其次是质量操控查验,首要包含格局和逻辑查看进程、数据冗余查验、科学评价等阶段。GTSPP数据冗余查验的标准选用的是热带海洋全球气候(tropical ocean-global atmosphere, TOGA)次外表数据中心的相关研讨经历,如每15 min或5 km规模内只采样一个站。科学评价阶段需求有观测数据搜集进程和要素特色的先验常识,大致分为5个阶段:剖面的采样ID、方位和时刻一致性查验;剖面数据内部的一致性查验,如逆温现象;气候态查验;剖面一致性查验;目视查看等相关内容。

  在数据办理方面,GTSPP具有继续更新办理的数据库(continuously managed database,CMD),面向用户供给及时更新的数据和便利运用的数据格局,CMD中还存储了齐备的质量操控标签、元数据信息,让用户革除数据办理的杂乱进程,进步数据的复用性。加强对数据处理流程的监控,GTSPP别离经过WMO的全球通讯系统(global telecommunication system,GTS)和IODE的数据办理系统实时、延时接纳温盐数据并进行处理,一起增加了数据流程办理功用,定时揭露数据更新状况,保证世界规模内各数据中心的数据集能最大极限地跟进更新进展。注重用户关于数据的报错,及时向仪器操作人员反应问题,GTSPP树立了完善的数据反应机制,有利于及时发现和调整由仪器毛病或人为操作导致的数据过错。

  Argo是首个全球大洋次表层观测阵列方案,由美、法等国家的海洋学家于1998年主张,经过布放自潜式Argo剖面浮标,组成一个实时和高分辨率的全球海洋观测网,并凭借卫星定位和通讯系统,实时(24 h)、准确、大规模地获取全球海洋内部的海水温度、盐度剖面材料。Argo方案由34个国家一起参加,各国担任自己国家的经费设置与仪器布放、数据处理及分发作业,每年总费用约4 000万美元,每天搜集400条观测材料,每月大约搜集12 000条数据材料。

  在团队建造方面,NOAA活跃倡议鼓舞欧洲、南美洲、亚洲国家和澳大利亚参加到Argo世界协作中,在1999年3月召开了世界Argo科学团队(现改名为Argo辅导小组)榜首次会议,并谋划Argo的详细施行方案,决议将Argo数据无限制地向全球免费揭露同享。这一方针的拟定决议了Argo后续在世界规模内的广泛运用和专业必定。

  在仪器设备研发技能方面,不断更新迭代,经过进步传感器的安稳性,由开始0~2 000 m深度的海洋丈量温度、盐度浮标,不断扩展至丈量6 000 m深度温盐特色的浮标,再到现在的丈量海洋生物地球化学特色信息的浮标,Argo不断走向深海大洋,丈量参数也从单一的温盐特色要素向温度、盐度、压力、氧气、pH、硝酸盐、叶绿素、辐照度等多要素扩展。在浮标运用寿数和恶劣环境耐受程度上,Argo团队也不断改善技能,进步数据质量和掩盖规模。经过改善电池功能,浮标的规划寿数由20世纪初的3~5年延长到2019年的挨近7年;选用铱星通讯,缩短了通讯时刻,节省了能量,进步了Argo数据的垂向搜集精度;经过改善浮标的冰感知丈量算法,降低了在极地无冰期海水丈量中的浮标死亡率。

  在数据办理处理和敞开同享方面, 90%以上的剖面数据能够经过GTS和互联网在24 h内更新取得,美国数据汇会集心(Data Assembly Center,DAC)处理了全球Argo一半以上的数据,主导拟定了数据处理指南和实时质量操控程序,并对世界协作参加成员进行训练。Wong A P S等人树立了供科学研讨的延时Argo数据处理系统,Johnson G C等人改善了大部分Argo浮标上布置的美国海鸟科技公司(Sea-Bird Scientific)CTD传感器的呼应算法,定量化核算了传感器呼应的校对值,这些作业为进步Argo数据质量做出了重要奉献。现在,作为Argo材料的同享发布安排之一,NCEI于2018年6月从头上线了全球Argo数据仓库(GADR),选用专题实时环境散布式数据服务(thematic real-time environmental distributed data services,THREDDS)技能支撑Argo数据、信息和服务的查询和同享,研发了可视化东西以推进科学研讨的新发现。

  在数据运用方面,作为十分丰富的全球海洋内部材料来历,Argo数据对人们了解海洋生物/化学性质,把握全球气候改变影响下的海洋时节、年际和年代际标准改变发挥了重要作用。现在全球大多数海洋预告中心将Argo数据作为全球和区域布景场的海洋次表层参数,且Argo数据具有较高的时效性,被广泛运用于短期、长时刻的海洋与气候的方式预告与再剖析作业,推进了数值方式和方式查验的展开。仅2021年1—8月,将Argo数据运用于科学研讨而宣布的学术论文就有300余篇。经调研比照,自1998年以来,将Argo数据运用于科学研讨的论文数量约为4 900篇,如图1所示。

  1999年至今,30多个国家布放超越1.6万个浮标,美国位列榜首,占比近50%,我国位列第八,占比仅挨近3%。经过以上剖析能够得出,美国在Argo规矩拟定、浮标技能、数据办理和质量操控,以及主导Argo世界协作方面均处于绝对优势方位。

  AVISO项目选用HY-2A、SARAL/AltiKa、CryoSat-2、OSTM/Jason-2、Jason-1、Topex/Poseidon、Envisat、GFO、ERS-1&2和Geosat等卫星的数据,研发发布卫星高度计数据产品。数据包含海外表高度、风场、浪、示踪物等参数,依照时效性可分为近实时数据和延时数据,近实时数据和延时数据又分为沿轨数据和格网化数据,其间格网化数据又分为两星交融(two-sat merged)数据和多星交融(all-sat merged)数据。2019年增加了Sentinel-3B单使命校对海外表反常数据集(L2P),2020年增加了HY-2C、JasonCS/Sentinel-6B等使命数据。经过不断交融多源卫星数据产品、保证数据安稳更新,AVISO为深化了解海洋表层、次表层多标准现象供给了名贵的大面积长时序高度计材料。

  经过30多年的技能更迭和材料堆集, AVISO的高度计产品现已演变成一种具有出产力的技能,构成了老练稳健的数据同享服务运用范式(如图2所示)。法国国家空间研讨中心(CNES)研发的星载多普勒雷达和无线电定位组合系统(doppler orbitography and radio-positioning integrated by satellite,DORIS)能够将卫星在轨道上的准确方位操控在厘米规模内。此外,研发的多使命地上部分(SSALTO)和多使命地上部分高度计数据处理系统(SSALTO/Duacs)别离用于处理单卫星和多卫星数据。Duacs技能的首要特色是能够处理多卫星来历的异质数据、近实时的呼应功率和全天候的高效运作。

  从传统的地质、大洋环流运用到固体地球和沿岸、海洋改变、冰地势和水文等运用,AVISO已为全球1 000多个实践团队供给了高品质的数据产品。依照学科范畴区分,数据支撑地球物理、海洋、冰川、气候、大气、水文、海岸和生物等范畴研讨。以海洋运用为例,数据产品能够服务于多标准的海洋环流、潮汐、海平面上升、温室气体效应、运用海洋学等专题研讨。

  2001年,我国发动“科学数据同享工程”,首批在地球系统科学、海洋、气候等9个范畴展开数据同享试点。近年来,我国印发了《国家科技资源同享服务渠道办理办法》(国科 发基〔2018〕48号)、《科学数据办理办法》(国办发〔2018〕17号)、《科技方案项目科学数据汇交作业方案(试行)》(国科办基〔2019〕104号)等一系列方针文件,逐渐完善和标准科学数据同享服务系统机制,清晰办理职责及运转服务要求,推进科学数据资源敞开同享。2019年,科学技能部、财政部在原有科学数据国家渠道的基础上调整构成20个国家科学数据中心,并将其作为国家科技立异基地的重要组成部分。

  我国开始构成以政府科技部分为主导、主管科技部分分制、职责部分承当、科学数据中心施行的整体办理架构,但从国家系统机制到各级当地科技方案办理部分和各行业范畴的相关方针机制的拟定与树立健全仍需必定的时刻。比较于海洋科技强国早在20世纪90年代就着力构建数据敞开同享的系统机制而言,我国数据敞开同享起步较晚,没有树立与数据同享相关的法律法规,海洋范畴短少专门的安排安排和谐、监督海洋数据资源的敞开同享。考虑到海洋数据灵敏性问题,如安在保证数据安全的前提下,构成针对海洋数据敞开同享的可操作文件仍是一项重要议题。

  国家海洋信息中心建造运转的国家海洋科学数据中心树立了国家海洋科学数据同享服务渠道,供给多元化海洋数据的敞开同享服务;别的,建造运转了全球海洋和海洋气候材料中心我国中心(CMOC/China)、西太平洋海洋数据同享服务系统(ODINWestPac)、我国大洋材料中心,面向全球和海上丝绸之路沿线国家免费供给海洋环境数据的同享服务和专题服务。我国极地研讨中心建造运转的国家极地科学数据中心面向极地科学范畴,展开各类海洋数据的聚集办理与按需同享。此外,我国科学院建造运转的国家地球系统科学数据中心、我国科学院数据云、海洋科学大数据中心、南海海洋数据中心等,面向不同海域的观测要素,不定时更新、同享海洋环境观测数据。滨海省市涉海科技部分也聚集了一些观测材料,不定时揭露发布。

  我国海洋环境观测数据敞开同享渠道很多、数据散乱散布、数据方式多样,没有构成一致的行业标准,数据跨渠道同享存在壁垒,同享方式单一。相较于欧洲海洋观测与数据网(EMODNET)、美国NCEI、英国海洋数据中心(BODC)、澳大利亚海洋数据网络(AODN)等海洋数据渠道,我国海洋数据的同享服务整体上没有构成合力,在为国家严重工程建造、科学研讨和技能立异等供给支撑方面,没有彻底开释数据盈利。

  在自主化海洋环境数据产品研发方面,我国科学院大气物理研讨所研发了海洋数据处理和质量操控系统,研发构成国内首套长时刻序列全球海洋环境改变系列数据产品,该数据产品在《气候改变中的海洋和冰冻圈特别陈述》《气候状况陈述》等具有世界影响力的归纳陈述中被运用,具有较好的数据产品质量和世界影响力。国家海洋科学数据中心研发发布了潮汐潮流预告数据产品和温盐核算剖析数据集,近年来产品在时空掩盖和数据产品查验方面均有较大进步,但数据运用规模、世界影响力有待扩展。

  现在运用较广泛的海洋科学数据产品均具有长时序、严质控、继续更新且更新频率高级特色,我国曩昔构成的科技方案项目效果多存在于科学家手中,数据散落在各涉海单位、企业和高校,导致海洋数据产品同享运用缺少、发布涣散,难以更新迭代,没有构成产品谱系。各类环境要素来历广泛,质量操控标准不一致,要害技能在事务化作业中没有得到充沛运用,质量操控多处于格局查验、一致性查验、反常值除掉等根本进程且缺少与世界同类产品质量操控进程的比照。自主化数据产品较少,难以支撑原创性效果运用宣布,影响严重科技立异效果产出。

  经过剖析国外典型海洋环境数据在系统机制、质量操控与更新服务、基础设施才能建造、新技能运用、产品研发和敞开同享等方面的成功方式和经历,结合我国现在阻止海洋环境观测数据产品“走出去”“用起来”在统筹和谐布局、一致运用服务出口、自主化要害技能研发等方面存在的问题,提出以下展开主张。

  面向国内,树立健全海洋科学数据敞开同享相关方针系统,清晰不同等级数据的敞开同享鸿沟,一起吸纳美国等国家在跨部分和谐中树立高层和谐机制等相关经历,树立统筹和谐机制,加强方针执行的监督办理力度,和谐推进海洋科学数据同享系统展开,为数据广泛运用供给方针环境。面向世界,以牵头安排世界协作项目为要害,多方联合海洋科技强国,树立项目作业组,标准作业组办理,树立年会、陈述机制,推进拟定世界标准和技能标准,逐渐增强我国海洋数据同享的世界话语权。

  3.2 全面聚集数据资源,加强海洋资源基础设施建造,构成数据运用服务合力

  树立国家级海洋资源同享运用渠道,面向国家战略、科学研讨、社会公众等不同运用需求,全面聚集各涉海部分、企业、个人的海洋数据资源,充沛利用云核算、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技能,供给一站式查找、数据溯源、数据下载上传、处理剖析、数据认证等功用,凭借跨渠道同享和可视化技能,简化数据请求流程、进步数据获取传输安全性,供给多元化运用服务。

  3.3 立异协作方式,树立自主化数据研发要害中心技能系统,继续推进海洋科学数据产品事务化更新

  选用“研讨安排/科学家团队+数据中心/涉海单位”的“技能攻关+事务化运用”方式,研讨安排/科学家团队担任数据搜集、质量操控和要害产品研发的要害技能攻关,数据中心/涉海单位担任事务化处理、保存和分发数据产品,合力构建自主化产品研发要害中心技能系统,加大针对数据事务化更新迭代的运转保护资金投入,加强宣扬推行和验证比照运用,打造世界品牌产品系统。

  海洋科学数据资源作为重要的战略储藏力气,数据内容、质量及所掩盖的时空规模是决议数据运用纵深展开的要害要素,而海洋环境观测数据作为数据获取的榜首手材料,在整个科学数据生命周期中具有重要作用。本文深化剖析了国外典型老练的海洋环境观测数据产品,经过研讨其数据内容、更新状况、质量操控、办理运用和敞开同享等现状,开掘剖析其特色、方式和经历,比照剖析我国研讨现状及存在的问题,并针对问题从数据同享机制、渠道树立、数据研发等方面提出进步我国海洋科学数据产品的运用服务才能的主张。

  跟着各国越来越注重海洋科学数据作为出产要素在支撑国家海洋安全、权益保护、经济展开等方面发挥的重要作用,数据存储办理、开掘剖析与敞开同享服务将向着世界化、自主化、精准化方向展开,瞄准全球海洋科技展开前沿,打造一流的海洋科学数据产品谱系。

  孙苗(1987-),女,博士,国家海洋信息中心助理研讨员,首要研讨方向为海洋科学数据同享、海洋中标准涡辨认与追寻。

  王子珂(1994-),男,国家海洋信息中心研讨实习员,首要研讨方向为海洋卫星遥感、海洋科学数据同享等。

  童心(1993-),男,国家海洋信息中心助理工程师,首要研讨方向为海洋科学数据同享技能、海洋科学数据智能引荐。

  符昱(1991-),男,国家海洋科学数据中心工程师,首要研讨方向为海洋科学数据同享、海洋科学数据办理与服务。

  王漪(1987-),女,国家海洋科学数据中心工程师,首要研讨方向为海洋科学数据同享、海洋科学数据办理与服务。

  康林冲(1985-),男,国家海洋信息中心高级工程师,首要研讨方向为海洋信息化、海洋科学数据同享。

  姜晓轶(1973-),男,博士,国家海洋信息中心高级工程师,首要研讨方向为海洋信息化。

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