1960-2010年中国降水区域分异及年代际变化特征

  • 王艳姣 , 1 ,
  • 闫峰 , 2
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  • 1. 中国气象局国家气候中心,北京 100081
  • 2. 中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091
通讯作者:闫峰(1973-),男,江苏连云港人,博士,主要从事气候变化和环境遥感研究,E-mail:

作者简介:王艳姣(1976-),女,湖北仙桃人,副研究员,主要从事气候变化分析研究,E-mail:

网络出版日期: 2014-10-25

基金资助

国家973计划项目(2013CB430201)

公益性行业(气象)专项(GYHY201206013)

国家自然科学基金项目(41301458)

Regional differentiation and decadal change of precipitation in China in 1960-2010

  • WANG Yanjiao , 1 ,
  • YAN Feng , 2
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  • 1. National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
  • 2. Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

Online published: 2014-10-25

Copyright

《地理科学进展》杂志 版权所有

摘要

利用1960-2010年中国1840个台站年降水量数据,采用经验正交函数(EOF)和旋转经验正交函数分解方法(REOF)对降水进行分区,并对各区降水的变化特征进行了研究。结果表明:基于多站点资料结合REOF方法实现的降水分区与中国降水实际区域分异特征比较符合,并与中国气候区划相一致。中国各区降水变化特征分析表明,东部各区降水在20世纪70年代末、80年代末-90年代初和21世纪初发生雨带的南北移动过程,其中夏季雨带的移动主要受东亚夏季风和大气环流年代际变化的影响。西北地区降水以1985/1986年为突变年,西北西部地区降水由前期偏少转为偏多,主要与来自阿拉伯海和里海异常偏多的水汽输送有关;西北东部地区降水由前期偏多转为偏少,主要与季风的年代际减弱有关。东北地区降水在80年代初由前期接近正常转为偏多,90年代末降水由前期偏多转为偏少,主要与季风和西北太平洋水汽输送的年代际变化相关。西南部各区降水阶段性变化明显,2000年以前西南东北部地区降水与西部地区基本呈反向变化,主要受青藏高原地形、东亚季风和副热带高压等因素的影响,降水阶段性变化明显、成因复杂。

本文引用格式

王艳姣 , 闫峰 . 1960-2010年中国降水区域分异及年代际变化特征[J]. 地理科学进展, 2014 , 33(10) : 1354 -1363 . DOI: 10.11820/dlkxjz.2014.10.007

Abstract

Based on precipitation data from 1840 meteorological stations in China in 1960-2010, this study examines the regional differentiation of precipitation and characteristics of its change in the recent 50 years. Using the empirical orthogonal function (EOF) and rotated EOF (REOF) methods, precipitation in China is divided into 11 regions, which are grouped into four areas according to their geographic locations: East China area (North China, Huanghuai and Jianghuai, the middle and lower reaches of the Yangtze River, and Jiangnan and South China regions), Northwest China area (Midwest Inner Mongolia, western part of the Northwest China, and eastern part of the Northwest China regions), Southwest China area (southeastern part of the Southwest China, western part of the Southwest China, and northeastern part of the Southwest China regions), and Northeast China. Compared with the results of previous studies, precipitation regions derived with the REOF method in combination with detailed long time series precipitation data are consistent with the regional differentiation of actual precipitation and the climate division of China. The analysis shows that precipitation in the East China area changed in the late 1970s, from the late 1980s to the early 1990s, and in the beginning of the 21st century respectively, featuring recurrent south-north shifts of the rain belt in both directions, which were mainly influenced by the interdecadal variability of the East Asian summer monsoon and atmospheric circulation. Precipitation in the Northwest China area experienced a major change in the mid-1980s. The western part of the Northwest China area became wet compared to the dry period in the previous years, whereas the eastern part of the area became dry compared to the previous wet years. The decreasing precipitation in the eastern Northwest China area was related to the continually weakening of the East Asia summer monsoon, while the increasing precipitation in the western Northwest China area were mainly due to the anomalous high moisture transport from the Arabia Sea and the Caspian Sea. Precipitation in the Northeast China area underwent similar abrupt changes in the early 1980s and the late 1990s respectively-it changed from the previous near normal level to high in the early 1980s, and from high to low in the late 1990s. The changes were influenced by the East Asian summer monsoon on the one hand, and related to the anomalous moisture transport form the Northwest Pacific Ocean on the other. Evident changes in precipitation have been detected over each region in the Southwest China area-precipitation changes over the western and northeastern parts of this region were in opposite directions before 2000. Precipitation in the Southwest China area is not only influenced by the terrain of the Tibetan Plateau, but also affected by the East Asian monsoon and the subtropical high, which cause complicated changes in precipitation of the area.

1 引言

20世纪以来在全球气候变暖的背景下,世界范围天气气候异常事件增多给人类带来了极大的影响。中国地处东亚季风区,受季风影响,气候的年代际变化特征与全球变化有所不同。众多学者对中国不同区域夏季降水变化特征进行了研究。对于东部地区,研究认为20世纪70年代以前华北为多雨区,80年代后多雨区由华北南移到长江中下游地区(黄荣辉等, 1999; 杨修群等, 2005; Ding et al, 2007; 张人禾等, 2008)。对于西北地区,李栋良(2003)、施雅风(2003)和杨莲梅(2007)等研究发现,西北地区降水也存在显著的年代际变化趋势,20世纪80年代末以来,西北地区降水处于年代际变化相对偏多期。对于西南地区,董谢琼等(1998)、马振峰等(2006)和熊光洁等(2012)的研究指出:西南地区降水区域性差异大,降水正负趋势分布差异显著。对于东北地区,孙力等(2000)研究认为,东北地区60年代中期-80年代初降水减少比较明显,且具有突变性质。可见受全球气候系统的年代际变化影响,中国各区降水都表现出显著的年代际变化特征,特别是90年代以来,随着全球变暖趋势的增加以及东亚季风恢复增强,对中国降水的区域分布特征及趋势变化产生了影响。
纵观已有针对中国降水区域分异及其变化特征的研究,可以发现主要存在以下问题:①在研究数据方面,已有的研究多采用中国500多或700多台站对降水特征进行分析(王勇, 2007; 李聪等, 2012),由于中国地形差异大,降水空间分布极不均匀,采用500多或700多站点资料分析全国降水在表征局地降水区域性差异的代表性方面可能存在一定的不足;②在研究空间范围方面,由于中国降水的区域性差异较大,已有的研究多选择中国的某个区域降水特征进行分析,如东部(Ding et al, 2007; 张人禾等, 2008)、西北地区(李栋良等, 2003; 施雅风等, 2003)、西南地区(马振峰等, 2006; 熊光洁等, 2012)或更小的区域如流域(陈睿智等, 2012)或省区(郝成元等, 2011)等,对全国性降水分区特征研究相对较少;③在研究时段方面,已有的研究多为描述20世纪50年代-90年代降水变化特征,对90年代以后降水变化特征研究相对较少;④已有的研究多针对中国夏季降水变化特征进行分析,对年降水量分析相对较少。中国位于东亚季风区,季风主要影响中国东部地区,对于西北和东北地区的影响相对较小。东部地区夏季降水量一般占年总降水量的60%~70%,因此年降水量也能在一定程度上较好地反映出东部夏季降水变化特征。针对以上问题,本文采用更详细(1840个台站资料)和更长时间序列(1961-2010年)的降水量资料,从年降水量的角度对中国降水的区域性分异及各区降水的年代际变化特征进行了系统的分析,为全面了解近50年来中国降水区域分异及年代际变化特征提供理论支持。

2 资料和方法

本文所用资料为中国气象局国家气候中心提供的中国地区2425个台站1960-2010年月降水量资料。通过对资料进行简单质量检验和处理,剔除了资料缺测和突变性较大的站点,最终选出1840个可用站点的月降水量资料。
经验正交函数分解方法(EOF)和旋转经验正交函数分解方法(REOF)是气候学研究中应用较为广泛的方法(魏凤英, 1999)。REOF通过对EOF各主成分和对应的载荷向量进行最大方差正交旋转,使分离出的典型空间模态上,只有气候变量变化高度一致的区域具有高载荷,其余区域接近0,能较好地简化空间结构并突出局部区域特征。国内外学者已成功地将EOF和REOF方法应用于气候分区,并取得了效果较好(Liu et al, 2013; Wang et al, 2014),因此,本文也采用EOF和REOF相结合的方法进行降水量分区研究。首先,采用EOF方法对1960-2010年中国1840个台站年降水量标准化距平场进行经验正交分解,得到空间载荷向量和时间系数;其次,对EOF各主成分和对应的载荷向量进行最大方差正交旋转,得到旋转载荷向量,并根据旋转载荷向量空间分布场得到中国降水区域分异特征和各区域降水变化序列;最后,采用线性回归方法对中国各区域降水序列进行变化趋势分析,并采用滑动T检验分析了中国各区域降水序列突变性特征。

3 降水区域分异特征

为了分析中国降水的区域分异特征,采用EOF方法对中国1960-2010年1840个台站降水标准化距平场进行分解。表1列出前12个EOF对降水量场总方差的贡献率和累积贡献率。由于中国地域辽阔、地形复杂,各地降水空间分布差异显著且变率较大,加之选取站点数多,所以载荷向量收敛速度慢,但各载荷向量仍保留了中国区域主要降水特征信息,前12个载荷向量的累积方差贡献率为60.1%。
Tab. 1 Contribution and cumulative contribution of EOF and REOF rotated vectors to the total variance of precipitation fields

表1 EOF载荷向量和REOF旋转载荷向量对总方差的贡献率和累积贡献率

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
EOF 贡献率/% 12.2 9.2 8.6 5.2 4.6 4.1 3.5 3 2.7 2.4 2.3 2.2
累积贡献率/% 12.2 21.4 30.0 35.2 39.8 43.9 47.5 50.4 53.1 55.5 57.8 60.1
REOF 贡献率/% 10.8 10.3 10.2 10.1 10.1 10.0 9.9 9.9 9.7 9.1
累积贡献率/% 10.8 21.1 31.3 41.3 51.4 61.4 71.3 81.2 90.9 100.0
在EOF分析的基础上,采用North等(1982)提出的特征值误差范围计算方法,结合各区降水序列变化分析,确定对前10个主成分及对应的载荷向量进行旋转。由表1可以看出,选取前10个特征向量进行旋转,旋转后的特征向量方差分布相对均匀,且累积方差为100%。此外,选取的前10个特征向量的累积方差为55.5%,因此旋转后的特征向量基本能包含中国地区降水的空间分布信息。分析前10个旋转向量场空间分布情况(图1),发现第1旋转向量(RLV1)中,大值区(粗黑线等值线内旋转向量绝对值≥0.5,下同)主要位于内蒙古中西部至华北北部,旋转载荷向量大值中心主要位于内蒙古中西部地区,称为内蒙古中西部型(图1a)。第2旋转向量(RLV2)中,大值区位于华北中南部至黄淮北部以及东北东南部地区,旋转载荷向量大值中心主要位于华北南部,称为华北型(图1b)。第3旋转向量(RLV3)中,大值区位于江南中东部和华南中东部地区,旋转载荷向量大值中心主要位于江南南部至华南北部,称为江南和华南型(图1c)。第4旋转向量(RLV4)中,大值区主要位于西南地区东南部至华南西部,称为西南东南部型(图1d)。第5旋转向量(RLV5)中,大值区主要位于黄淮、江淮和江汉地区,旋转载荷向量大值中心位于黄淮,称为黄淮和江淮型(图1e)。第6旋转向量(RLV6)中,大值区主要位于西北地区东部和中部部分地区以及西南东部部分地区,旋转载荷向量大值中心位于西北地区东部,称为西北东部型(图1f)。第7旋转向量(RLV7)中,大值区主要位于长江中下游地区,称为长江中下游型(图1g)。第8旋转向量(RLV8)中,大值区主要位于西北地区西部和中部部分地区以及西藏西部,由于西藏西部没有站点,加之该区旋转载荷向量大值中心位于新疆的西部和北部,因而该区称为西北西部型(图1h)。第9旋转向量(RLV9)中,有两个大值区域,一个位于西藏东南部至四川西部以及云南西北部,该区旋转载荷向量为≥0.5的正值区,称为西南西部型;另一个位于西南东北部至江南西部,该区旋转载荷向量为≤0.5的负值区,称为西南东北部型(图1i)。第10旋转向量(RLV10)中,大值区主要位于东北三省和内蒙古东部,称为东北部型(图1j)。因此,根据以上10个旋转特征向量空间分布场,结合各旋转向量高荷载区域,将中国降水区域划分为西北西部、西北东部、内蒙古中西部、华北、黄淮和江淮、长江中下游、江南和华南、西南西部、西南东南部、西南东北部和东北地区等11个区。
Fig.1 Spatial distributions of the first 10 rotated vector loadings for REOF

图1 REOF前10个旋转向量空间分布场

4 降水区域变化

根据降水分区和前10个旋转荷载向量空间分布场,以旋转荷载向量绝对值高值区(≥0.5)所包含的范围提取各区站点降水量。通过计算各区年降水量距平百分率,定义降水距平百分率大于常年值(1971-2010年气候平均值)为降水偏多,小于常年值为降水偏少,等于常年值为接近常年。此外,根据11个区域所处的地理位置,归类划分为西北地区、东北地区、东部地区和西南地区4个大区进行分析。

4.1 东部地区

东部地区主要包括华北、黄淮和江淮、长江中下游以及江南和华南地区。分析东部各地区年降水距平百分率历年变化(图2),结果表明:①华北地区降水呈下降趋势,20世纪70年代末以前降水较常年同期略偏多,特别是60年代初期降水明显偏多,70年代末-21世纪初降水较常年同期偏少,21世纪初以来降水又转为偏多。采用滑动T检验检测表明,华北地区降水在1964、1977和2002年发生突变,1964年该区降水由异常偏多转为略偏多、1977年降水从前期偏多转为偏少时期,2002年降水又由前期偏少转为偏多。②黄淮和江淮地区降水长期变化趋势不明显,在70年代中期之前降水较常年略偏多,70年代中期-21世纪初降水转为略偏少,21世纪初以来降水显著增加,年均降水量较常年偏多。T检验检测表明,黄淮和江淮降水在1975年发生突变,降水从前期略偏多转为略偏少。③长江中下游地区降水呈增加趋势,60年代降水较常年同期明显偏少,70年代-80年代中期降水较前期明显增多,降水总体接近常年同期,80年代末-90年代降水转为偏多,但21世纪初以来降水又转为以偏少为主。T检验检测表明,长江中下游地区降水在1999年发生突变,降水从90年代的偏多时期转为偏少时期。④江南和华南地区降水呈增加趋势,且阶段性变化明显,60年代降水较常年同期明显偏少,70年代前期偏多,70年代中后期-80年代持续偏少,90年代-21世纪初降水转为偏多,21世纪初以来又转为以偏少为主。T检验检测表明,该区降水在1991年和2002年发生突变,1991年降水由偏少时期转为偏多时期,2002年又由偏多时期转为偏少时期。以上分析表明,中国东部各区降水长期变化趋势差异较大,其中华北地区呈减少趋势,黄淮和江淮地区无明显长期变化趋势,长江中下游、江南和华南地区降水呈增加趋势,但各区降水长期变化趋势均未通过 =0.05显著性水平的F检验。从东部各区降水的阶段性变化来看,70年代末之前,降水偏多区域主要位于华北、黄淮和江淮地区,70年代末-90年代降水偏多地区南移至长江中下游、江南和华南地区,而21世纪初降水偏多的地区又位于华北、黄淮和江淮地区。东部各区降水的阶段性变化主要反映为该区雨带的移动。
Fig.2 Annual precipitation anomalies (%) for the four regions in East China, 1960-2010

图2 1960-2010年中国东部各区年降水距平百分率变化

(直线为线性趋势线,虚线为零值,短粗直线为各区降水年代际转折时期降水距平百分率均值线,下同)

东部地区降水主要集中在夏季,而东部夏季降水的年代际变化又与东亚季风和大气环流等变化密切相关(孙颖等, 1997; 张庆云等, 1998a)。已有的研究指出,20世纪70年代末-90年代,受青藏高原冬季积雪增多、西北太平洋和热带西太平洋海温偏暖等外强迫因子影响,使得夏季东亚大陆和邻近海域海陆温差减小(Yang et al, 1994; Chang et al, 2000; Gong et al, 2002; Ding et al, 2007)。此外,由于80-90年代全球表面气温的增加,使得东亚地区夏季低层低气压系统也明显减弱(Yu et al, 2004; Zhao et al, 2010)。受上述因子的影响,东亚夏季风开始明显减弱,相应的中国东部夏季雨带逐渐南移至长江中下游以及江南和华南一带(黄荣辉等, 1999; Ding et al, 2007; 张人禾等, 2008);21世纪初以来,随着青藏高原冬季积雪的年代际减少,西北太平洋和热带西太平洋海温也由前期偏暖转为偏冷,此时东亚夏季风开始不断恢复增强,东部地区夏季雨带也出现北移趋势。

4.2 西北地区

西北地区主要包括西北西部、西北东部和内蒙古中西部地区。分析西北地区年降水距平百分率历年变化(图3),可以发现:①从长期变化趋势来看,西北东部地区降水呈减少趋势,但未通过 =0.05显著性水平的F检验。从阶段性变化来看,80年代中期降水由前期偏多转为偏少,21世纪初以来,降水又转为偏多;滑动T检验检测表明,该区降水在1985/1986年发生突变,降水由前期偏多转为偏少。②内蒙古中西部地区降水呈减少趋势(未通过 =0.05显著性水平的F检验),在70年代末-80年代初降水由前期偏多转为以偏少为主;滑动T检验检测表明,该区降水在1979年发生突变,降水由前期偏多时期转为偏少时期。③西北西部地区降水呈显著的增加趋势(通过 =0.05显著性水平的F检验),80年代中期前降水较常年同期偏少,之后转为偏多。滑动T检验检测表明,该区降水同样在1985/1986年发生突变,降水由前期偏少时期转为偏多时期。该结果与施雅风等(2003)提出西北地区1986年后增湿结论一致,增湿区域仅限于西北西部地区。
西北地区地处内陆,除西北东部地区受季风影响外,其他大部地区主要受中高纬度环流异常影响。20世纪80年代中期以后西北东部地区降水的减少,主要与中国大陆特别是中国北方地区气压异常升高以及东亚季风的年代际减弱,使得向北输入的水汽减少密切相关(Zhao et al, 2010; 魏娜等, 2010);80年代中期以后西北地区西部降水的增多,一方面与西伯利亚上空位势高度的增加和伊朗高原上空位势高度减少有关(陈冬冬等, 2009);另一方面也与来自阿拉伯海和里海的异常偏多的水汽输送密切相关(张庆云等, 2007; 申乐琳等, 2010)。此外,西北地区降水变化还受西风带、高原季风(王可丽等, 2005)以及海温(王澄海等, 2002)等因素影响。
Fig.3 Annual precipitation anomalies (%) for the three regions in Northwest China, 1960-2010

图3 1960-2010年中国西北部各区降水距平百分率变化

4.3 西南地区

西南地区主要包括西南西部、西南东南部和西南东北部地区。分析西南地区年降水距平百分率历年变化(图4),可见其降水变化主要具有以下特征:①西南西部地区降水长期变化趋势不明显,但存在明显的阶段性变化,20世纪60年代中期、90年代初期降水由前期偏多转为偏少,70年代初和90年代末降水由前期偏少转为偏多。滑动T检验检测表明,该区降水在1966、1972、1990和1997年发生突变,其中1966和1990年降水由前期偏多转为偏少,在1972和1997年降水由前期偏少转为偏多。②西南东北部地区降水长期变化趋势不明显,60年代中期和90年代初期,降水由前期偏少转为偏多,80年代初和21世纪初降水由前期偏多转为偏少,即在2000年前基本与西南西部地区降水呈反向变化。滑动T检验检测表明,该区降水在1967、1983、1991和2002年发生突变,其中1967和1991年降水由前期偏少转为偏多,1983和2002年降水由前期偏多转为偏少。③西南地区东南部降水长期变化趋势也不明显,80年代中期以前降水接近常年同期,80年代中后期降水明显偏少,90年代降水转为偏多,21世纪初以来降水接近常年同期。滑动T检验检测表明,该区降水在1983、1989和1999年发生突变,其中降水在1983年由前期接近正常转为偏少,1989年又转为偏多,1999年以后又转为接近正常。
Fig.4 Annual precipitation anomalies (%) for each region in Southwest China, 1960-2010

图4 1960-2010年中国西南部各区降水距平百分率变化

西南地区西临青藏高原,南邻印度洋,且其本身地形复杂(既有云贵高原,又有四川盆地),降水除受青藏高原大地形的影响外,还受东亚季风(陈艳, 2006)、副热带高压(张宇等, 2013)、高原积雪和海温(唐佑民等, 1997)等因素的影响,使得西南地区降水阶段性变化明显、成因复杂。

4.4 东北地区

分析1961-2010年东北地区降水距平变化(图5),可以看出该地区降水呈减少趋势(未通过 =0.05显著性水平的F检验)。从该区降水的阶段性变化来看,20世纪80年代初以前,降水接近常年同期,80年代中期-90年代末降水转为偏多,21世纪初又转为偏少。滑动T检验检测表明该区降水在1982和1998年发生突变,其中降水在1982年由前期接近常年转为偏多,1998年又由前期降水偏多转为偏少。东北地区降水的年代际变化一方面与季风变化有关(Ding et al, 2007; 邹旭东等, 2013),另一方面与西北太平洋水汽输送变化以及东北冷涡的活动密切相关(申乐琳等, 2010)。
Fig.5 Annual precipitation anomalies (%) for Northeast China, 1960-2000

图5 1960-2010年中国东北地区降水距平百分率变化

5 结论与讨论

采用中国1840个台站1960-2010年的降水资料,对中国降水的区域分异和年代际变化特征进行了分析,主要得出以下结论:
(1) 采用EOF和REOF法对近50多年来中国降水量标准化距平进行分区,共划分出11个区域,并根据其所属地理位置归纳为西北地区(包括西北西部、西北东部和内蒙古中西部3个子区域)、东部地区(包括华北、黄淮和江淮、长江中下游、江南和华南4个子区域)、西南地区(包括西南西部、西南东南部和西南东北部3个子区域)和东北地区4个区域。
(2) 对中国各区域降水变化特征的分析表明,中国不同区域降水变化复杂且差异显著。从各区域雨带的变化来看,东部地区降水在20世纪70年代末、80年代末-90年代初以及21世纪初发生转变,转变时期主要反映在雨带的南北移动过程。西北地区降水在1985/1986年发生突变,以80年代中期为转折点,西北西部降水由前期偏少转为偏多,而西北东部地区降水由前期偏多转为偏少。西南部地区降水阶段性变化明显,西南西部地区降水在20世纪60年代中期、80年代末-90年代初由前期偏多转为偏少,在80年代初和90年代末降水由前期偏少转为偏多,相应时段西南东北部地区降水则与西部呈反向变化。东北地区降水在80年代初和90年代末发生转变,80年代初降水由前期接近正常转为偏多,90年代末降水由前期偏多转为偏少。
本文采用更详细和更长序列的降水资料,结合REOF方法对中国降水的区域性分异及各区降水的年代际变化特征进行了分析,其分区结果与中国降水实际区域分异特征比较符合,并与中国气候区划相一致。在各区降水变化特征分析方面,20世纪90年代以前各区降水变化特征与前人研究结果相一致,如中国东部雨带的移动(黄荣辉等, 1999; Ding et al, 2007)、80年代中期西北地区干湿变化的转折(李栋良等, 2003; 施雅风等, 2003)以及西南地区(马振峰等, 2006; 熊光洁等, 2012)和东北地区(孙力等, 2000)降水的年代际变化,说明本文分区结果是合理的。此外,本文还取得了一些新的研究结果,如发现90年代以后中国降水出现的新特征(21世纪初,中国东部地区雨带出现了北移特征;90年代末,东北地区降水出现了年代际的减少等),研究结果将为全面了解近50多年来中国降水区域分异及年代际变化特征提供理论基础。已有的研究表明,中国各区降水的年代际变化与东亚季风(孙颖等, 1997; 张庆云等, 1998a)、大气环流年代际变化(张庆云等, 1998b)及其异常水汽输送(申乐琳等, 2010)密切相关,而太平洋海温(朱益民等, 2003)和青藏高原积雪(Chen et al, 2000; Wu et al, 2003)等作为重要的外强迫因子,通过影响东亚季风、大气环流和异常水汽输送,对中国降水区域分布产生影响。因此,如何从影响降水年代际变化的多因子入手,深入研究中国降水的时空变化特征成因将是未来的研究方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

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