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國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程專題 I 區(qū)論文（評審中） ? 版本 ZH2

2014–2019年海南富克站VHF相干散射雷達回波數(shù)據(jù)集

Very high frequency coherent scatter radar dataset during 2014–2019 from Fuke, Hainan station

金晗，燕春曉，陳罡，閻敬業(yè)

Jin Han, Yan Chunxiao, Chen Gang, Yan Jingye

?>>

DOI:? 10.11922/csdata.2020.0076.zh
PID:? 21.86101.1/csdata.2020.0076.zh
:? 10.12176/01.06.007
?

： 2020 - 07 - 19

： 2020 - 12 - 14

6178 35 0

摘要&關(guān)鍵詞

摘要：子午工程海南富克站甚高頻（very high frequency，VHF）相干散射雷達位于我國海南省儋州市富克鎮(zhèn)（109.1\(°\)E，19.5\(°\)N），隸屬于中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心。雷達波束正交于電離層E和F層磁力線，其回波主要來自沿磁力線排列的電離層場向不規(guī)則體的后向散射。2014–2019年甚高頻相干散射雷達連續(xù)不間斷地對海南地區(qū)電離層E層至F層高度范圍內(nèi)的等離子體不規(guī)則體進行探測，從原始探測數(shù)據(jù)同相、正交相（I、Q）信號中實時計算出回波強度并上傳至子午工程數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站。通過這一數(shù)據(jù)可以得到我國低緯地區(qū)（海南）電離層場向不規(guī)則體發(fā)生率隨太陽活動、季節(jié)和地方時的變化，以及電離層不規(guī)則體發(fā)生情況的逐日變化和暴時響應(yīng)特征。本數(shù)據(jù)集能夠為我國電離層物理領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)的研究、工程項目、空間天氣預(yù)報提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：相干散射雷達；低緯電離層；場向不規(guī)則體；準(zhǔn)周期回波；擴展F；數(shù)據(jù)共享

Abstract & Keywords

Abstract:?The Very High Frequency (VHF) coherent scatter radar of Meridian Project locates in Fuke, Hainan island of China (109.1 E, 19.5 N), and belongs to National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences. The radar beams are set to be perpendicular to the magnetic field lines in ionospheric E- and F-layers in order to obtain the backscattered echoes from ionospheric field-aligned irregularities. The VHF coherent scatter radar continuously detected the plasma irregularities in E- and F-region from 2014 to 2019, and the real-time echo intensity calculated from I/Q signals is uploaded to Meridian Project Data Center. Through this dataset, the dependences of ionospheric irregularities occurrence on solar activity, seasons and local time in the low-latitude region (Hainan) can be derived, as well as the day-to-day variations and response characteristics during geomagnetic storms of irregularities. The dataset will provide support for related research and projects on space environment, as well as space weather forecast.

Keywords:?coherent scatter radar;?low-latitude ionosphere;?field-aligned irregularities;?quasi-period echoes;?spread F;? data sharing

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱	2014–2019年海南富克站甚高頻相干散射雷達回波數(shù)據(jù)集
數(shù)據(jù)作者	金晗、燕春曉、陳罡、閻敬業(yè)
數(shù)據(jù)通信作者	燕春曉（cxyan@nssc.ac.cn）
數(shù)據(jù)時間范圍	2014–2019年
地理區(qū)域	海南富克站（109.1\(°\)E，19.5\(°\)N）
探測距離分辨率	0.711 km或0.355 km
數(shù)據(jù)量	23313條記錄
數(shù)據(jù)格式	*.dat
數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址	http://dx.doi.org/10.12176/01.06.007
基金項目	國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程項目
數(shù)據(jù)庫（集）組成	數(shù)據(jù)集由海南富克站VHF相干散射雷達觀測回波強度數(shù)據(jù)組成，共包括23313個數(shù)據(jù)文件，每2小時一個數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)內(nèi)容由文件頭和數(shù)據(jù)段組成。文件頭包括臺站代碼、設(shè)備代碼、觀測起始時間、觀測區(qū)域、觀測模式、掃描波位數(shù)、波束掃描周期、脈沖重復(fù)頻率、相干積累數(shù)和非相干積累數(shù)組成。數(shù)據(jù)段按照掃描波位時序排列的若干數(shù)據(jù)塊組成，記錄了掃描完成時間、波位序號、回波距離、回波強度（dB值）。

Dataset Profile

Title	Very high frequency coherent scatter radar dataset during 2014–2019 from Fuke, Hainan station
Data corresponding author	Yan Chunxiao (cxyan@nssc.ac.cn)
Data authors	Jin Han, Yan Chunxiao, Chen Gang, Yan Jingye
Time range	2014–2019
Geographical scope	Fuke, Hainan island of China (109.1\(°\)E, 19.5\(°\)N)
Range resolution	0.711km or 0.355 km
Data volume	23,313 entries
Data format	*.dat
Data service system	<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.007>
Source of funding	Chinese Meridian Project
Dataset composition	The dataset comprises echo intensity data of VHF coherent scatter radar at Fuke, Hainan, totaling 23313 data files, with one data file every 2 hours. The data content consists of a file header and data segments. The file header consists of station code, equipment code, observation start time, observation area, observation mode, scanning wave number, beam scanning period, pulse repetition frequency, coherent accumulation number and incoherent accumulation number. Data segments are composed of several data blocks arranged according to the scanning timing sequence, which is composed of the time of each scan, beam number, echo range and echo intensity (dB).

引言

電離層中存在著許多不同尺度的等離子體密度不規(guī)則體（plasma irregularities），研究表明電離層不規(guī)則體的形成與電離層中多種不穩(wěn)定性有關(guān)。電離層不規(guī)則體主要包括偶發(fā)E層（Sporadic E）和擴展F層（Spread F）。一般認為主要發(fā)生在日落后的赤道及低緯電離層F層不規(guī)則體是由瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor）不穩(wěn)定性引起的，而電離層E層不規(guī)則體則可能與梯度漂移（gradient drift）不穩(wěn)定性或者風(fēng)剪切（wind shear）不穩(wěn)定性等有關(guān)。當(dāng)無線電波穿過這些電離層不規(guī)則體后，信號的幅度和相位會發(fā)生快速的隨機起伏（即電離層閃爍），導(dǎo)致測量誤差增大，從而影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位以及通信系統(tǒng)的性能，嚴重時甚至可能造成信號中斷。電離層不規(guī)則體的產(chǎn)生機制以及演化規(guī)律一直是電離層物理研究中的重要科學(xué)問題，對于衛(wèi)星導(dǎo)航定位和通信系統(tǒng)有著重要的科學(xué)意義與實際應(yīng)用價值。

電離層不規(guī)則體的探測手段有很多，包括非相干散射雷達、相干散射雷達、數(shù)字測高儀、電離層TEC與閃爍監(jiān)測儀、全天空氣輝成像儀以及衛(wèi)星原位測量等，其中相干散射雷達由于具有全天候連續(xù)觀測并具備較高時空分辨率等優(yōu)勢一直是國內(nèi)外學(xué)者開展相關(guān)研究所依賴的重要觀測手段。國內(nèi)學(xué)者基于相干散射雷達陸續(xù)開展了一些關(guān)于我國低緯電離層不規(guī)則體產(chǎn)生機制和變化特性的研究，例如寧百齊等^[1]、李國主等^[2]和胡連歡等^[3]基于三亞（18.4\(°\)N，109.6\(°\)E）VHF雷達的觀測數(shù)據(jù)分別分析了電離層E層連續(xù)性回波、準(zhǔn)周期回波以及太陽活動低年夏季F層回波的特性。Li等^[4]結(jié)合三亞VHF雷達和位于Kototabang（0.2\(°\)S，100.3\(°\)E）的EAR雷達（Equatorial Atmosphere Radar）的觀測數(shù)據(jù)研究了相鄰經(jīng)度夜間F層不規(guī)則體發(fā)生率與重力波活動的相關(guān)性。尚社平等^[5]利用海南富克站VHF雷達的觀測數(shù)據(jù)研究了不同結(jié)構(gòu)類型的E層場向不規(guī)則體的發(fā)生特征。Chen等^[6]結(jié)合海南富克站VHF雷達和數(shù)字測高儀漂移數(shù)據(jù)研究了我國低緯E層準(zhǔn)周期回波形態(tài)與背景電離層經(jīng)向等離子體漂移速度變化之間的強相關(guān)性。Jin等^[7]基于海南富克站VHF雷達的F層觀測數(shù)據(jù)，研究了2017年9月7-8日磁暴發(fā)生期間海南地區(qū)日落后F層不規(guī)則體的暴時響應(yīng)特征及其可能的激勵機制。目前學(xué)界關(guān)于中、低緯及赤道電離層不規(guī)則體的逐日變化和暴時響應(yīng)特性的認識依然存在不足，還存在許多亟待解決的問題。

海南富克站VHF相干散射雷達是由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心自主研制的用于探測電離層不規(guī)則體精細結(jié)構(gòu)的科學(xué)裝置，是我國子午工程項目^[8]重點建設(shè)的無線電探測設(shè)備之一，于2010年12月建成并通過驗收，從2014年開始穩(wěn)定運行至今。雷達波束在東西方位面內(nèi)進行多波位的快速掃描探測，能夠?qū)崟r地獲取我國海南上空電離層不規(guī)則體的時空分布特征、演化狀態(tài)及緯向漂移速度，為研究我國低緯地區(qū)電離層不規(guī)則體的回波特性、產(chǎn)生機制和演化規(guī)律提供了有效的手段。

1 ? 數(shù)據(jù)采集和處理方法

海南富克站VHF相干散射雷達的相控陣天線陣列采用72副線性極化的五單元八木天線用于發(fā)射和接收，天線陣列共4行，每行由18個八木天線單元構(gòu)成，如圖1所示是海南富克站VHF相干散射雷達的天線陣列，右下角是雷達的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和室內(nèi)顯示控制設(shè)備。天線列在東西方位面內(nèi)進行架設(shè)，應(yīng)用典型的多普勒波束掃描技術(shù)實現(xiàn)雷達波束在方位角\(±\)22.5\(°\)范圍內(nèi)，以7.5\(°\)為步進，在7個方向上進行波束掃描，從而獲取電離層E、F層不規(guī)則體的空間分布結(jié)構(gòu)及其緯向漂移特征。將方位角從22.5\(°\)至?22.5\(°\)間隔為?7.5\(°\)的7個波束依次編號為Beam1-7，其中Beam 4指向地理正北，偏離地磁正北約1\(°\)。雷達的詳細技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 ? 海南富克站VHF相干散射雷達

表1 ? 雷達的詳細技術(shù)參數(shù)

雷達系統(tǒng)
工作頻率	47 MHz	探測范圍	固定單波束：80–330.311 km 掃描波束：80–700.8 km
峰值功率	54 kW	距離分辨率	固定單波束：0.355 km 掃描波束：0.711 km
最大帶寬	2 MHz	發(fā)射波形	7位，13位巴克碼
最大占空比	10%（典型值1.23%）	脈沖寬度	0.5–208 ??s
脈沖重復(fù)頻率	100–2000 Hz（典型值200 Hz）
天線系統(tǒng)
天線陣列	18\(×\mathrm{?}\)4五單元八木天線	天線面積	2000 m²
半功率波束寬度	4.5\(°×\mathrm{?}\)21.7\(°\) （橢圓形波束）	增益	25.7 dBi
工作模式	掃描波束或固定單波束	天線駐波比	\(\le \mathrm{?}\mathrm{?}\) 1.3
天線陣列工作模式	多普勒波束掃描
波束指向	方位角和仰角分別為Beam 1-7: (22.5\(°\)，59.15\(°\)), (15\(°\)，60.35\(°\)), (7.5\(°\)，61.06\(°\)), (0\(°\)，61.36\(°\)), (-7.5\(°\)，61.24\(°\)), (-15\(°\)，60.70\(°\)), (-22.5\(°\)，59.72\(°\))

為了探測到來自電離層不規(guī)則體的后向散射回波，雷達波束必須與地磁場正交，因此八木天線傾斜架設(shè)，天線所在平面與地面呈62.5\(°\)夾角，波束的仰角設(shè)置參考國際地磁參考模型IGRF-2010。在仰角和方位角方向上雷達的半功率波束寬度分別是21.7\(°\)和4.6\(°\)，能夠滿足在電離層E層和F層高度范圍內(nèi)雷達波束與地磁場正交的條件，從而可兼顧對電離層E層和F層不規(guī)則體的探測。

圖2 ^[10]是雷達的總體系統(tǒng)框圖，左側(cè)所示是雷達的天線陣列，72副天線按照18\(×\)4排成矩陣，每一個八木天線與一個T/R模塊連接，每一個T/R模塊連接一個數(shù)字收發(fā)單元。數(shù)字收發(fā)單元的硬件包括FPGA、ADC、DAC和DSP，其主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、發(fā)射波形信號處理、外部時鐘同步等。雷達采用中央控制計算機進行指令的傳送和數(shù)據(jù)處理，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字收發(fā)單元和中央處理器之間的數(shù)據(jù)交換。詳細的雷達硬件系統(tǒng)設(shè)計見崔嘯^[9]。

圖2 ? 海南富克站VHF相干散射雷達的總體系統(tǒng)框圖^[10]

當(dāng)雷達發(fā)射信號時，中央計算機將數(shù)字波形參數(shù)傳輸?shù)礁鱾€預(yù)處理單元，通過數(shù)字收發(fā)單元的D/A輸出模擬信號，經(jīng)過功率放大器和天線合成波束向外輻射出去。經(jīng)電離層不規(guī)則體后向散射的回波信號由雷達各個八木天線單元接收，經(jīng)過前端低噪聲放大、A\D采樣、數(shù)字I/Q解調(diào)、低通濾波等，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央計算機進一步波束合成、相干積累得到雷達探測回波數(shù)據(jù)。對原始探測數(shù)據(jù)的同相、正交相（I、Q）信號進行取模得到回波強度數(shù)據(jù)的dB值并實時上傳至子午工程數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站，而I、Q數(shù)據(jù)儲存在臺站本地硬盤中，可以用于進一步多普勒分析。

2 ? 數(shù)據(jù)樣本描述

數(shù)據(jù)集記錄的是海南富克站VHF相干散射雷達探測回波的強度（dB值），每2小時生成一個數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)格式為*.dat。本數(shù)據(jù)集的dat文件以FKT_VHF01_DFI_L11_02H_YYYYMMDDhh0000.dat形式命名并存儲，其中YYYY、MM、DD、hh分別為觀測時的年份、月、日、時。數(shù)據(jù)由文件頭和數(shù)據(jù)項組成。第一行是文件頭，文件頭具體格式說明如表2所示。

表2 ? 探測回波強度數(shù)據(jù)文件頭格式說明

第N列	數(shù)據(jù)項中文名稱	數(shù)據(jù)項英文名稱	記錄格式	物理單位(中英文)	無效缺省值	數(shù)值范圍
01	臺站代碼	station	A3	/	/	HNS-FKT
02	設(shè)備代碼	instru	A3	/	/	VHF
03	觀測起始時間	start_time	A14(YYYYMMDDhhmmss)	/	/	/
04	觀測區(qū)域	obser_region	A1	/	/	“E”/ “F”
05	觀測模式	obser_mode	A5	/	/	“Scan”/ “Fixed”
06	掃描波位數(shù)	pointing_num	I1	/	/	1–7
07	波束掃描周期	scan_cyc	F5.2	秒/s	/	0–300
08	脈沖重復(fù)頻率	prf	I4	赫茲/Hz	/	128–2048
09	相干積累數(shù)	acc_num	I4	/	/	<1024
10	非相干積累數(shù)	acc_num2	I4	/	/	<1024

數(shù)據(jù)項是由按照掃描波位時序排列的若干數(shù)據(jù)塊組成。數(shù)據(jù)塊內(nèi)記錄了當(dāng)前波位連續(xù)照射“相干積累數(shù)乘以非相干積累數(shù)”次后獲得的各距離分辨單元的觀測回波強度數(shù)據(jù)，由波位序號、回波距離、回波強度（dB值）組成，具體格式如表3所示。每個數(shù)據(jù)塊前面配套一個獨立的數(shù)據(jù)塊時間（YYYYMMDDhhmmss），表示該數(shù)據(jù)塊所有照射和積累處理的完成時刻，表4所示是數(shù)據(jù)樣例。

表3 ? 探測回波強度數(shù)據(jù)段格式說明

第N列	數(shù)據(jù)項中文名稱	數(shù)據(jù)項英文名稱	記錄格式	物理單位(中英文)	無效缺省值	數(shù)值范圍
01	波位序號	pointing	I1	/	/	1–7
02	回波距離	echo_range	F7.3	千米/km	/	80–330.311 km 或80–700.8 km
03	回波強度	echo_re	F7.2	分貝/dB	/	-100–200

表4 ? 數(shù)據(jù)樣例

文件頭	HNS-FKT	VHF	20140302120000
數(shù)據(jù)塊時間	20140302120104
數(shù)據(jù)塊	1	80.000	37.12
	1	80.711	34.11
	1	81.422	34.84
	…………..
	1	700.089	34.28
	1	700.800	34.34
數(shù)據(jù)塊時間	20140302120120
數(shù)據(jù)塊	2	80.000	36.89
	2	80.711	35.43
	2	81.422	35.71
	.…………..

海南富克站VHF相干散射雷達主要有兩種工作模式，包括固定單波束模式和掃描波束模式。為了獲得較高時空分辨率的觀測數(shù)據(jù)，在固定單波束模式只采用一個波束（通常為Beam 4）對電離層不規(guī)則體進行連續(xù)觀測，波束掃描周期為20秒。圖3以2014年1月8日為例，繪制了20:00–22:00 UT時間內(nèi)海南富克站VHF相干散射雷達探測回波的距離–時間–強度（Range-Time-Intensity, RTI）圖像，橫坐標(biāo)為世界時UT，縱坐標(biāo)為探測距離Range，顏色代表回波強度Intensity。為了對E層不規(guī)則體的精細結(jié)構(gòu)進行觀測，這一天雷達探測距離范圍設(shè)置為80–330.311 km，距離門個數(shù)705，距離分辨率～0.355 km，時間分辨率為20 s。如圖3(a)所示在E層高度范圍內(nèi)出現(xiàn)很薄的一層電離層不規(guī)則體回波，圖3(b)是100–115 km探測距離范圍內(nèi)的局部放大圖像，可以清晰地看到在105–110 km距離范圍內(nèi)出現(xiàn)呈準(zhǔn)周期排列的E層電離層不規(guī)則體回波，即E層準(zhǔn)周期回波。

圖3 ? 2014年1月8日固定單波束模式下探測回波的RTI圖像

海南富克站VHF相干散射雷達大多數(shù)時間工作在掃描波束模式下，按照Beam1-7依次進行掃描探測，波束掃描周期為120秒，掃描波束模式下可以獲取電離層不規(guī)則體的空間分布和緯向漂移特征。以2015年3月14日為例，雷達進行掃描波束模式探測，探測距離的范圍是80–700.8 km，距離門個數(shù)為874，距離分辨率為～0.711 km。如圖4所示是海南富克站VHF相干散射雷達在2015年3月14日10:00–20:00 UT時間內(nèi)探測到的后向散射回波的RTI圖像，其中(a)-(g)分別對應(yīng)Beam 1-7探測回波的RTI圖像。雷達的7個波束同時探測到來自E層和F層的電離層不規(guī)則體回波：在探測距離100 km附近出現(xiàn)E層不規(guī)則體回波；在F層頂部出現(xiàn)若干組羽毛狀結(jié)構(gòu)的擴展F回波（topside plume），且呈明顯的東向漂移；此外還在Beam 2和Beam 3兩個波束中探測到F層底部型（bottom-type）回波。

圖4 ? 2015年3月14日掃描波束模式下探測回波的RTI圖像

3 ? 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

海南富克站VHF相干散射雷達探測回波強度數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到數(shù)據(jù)發(fā)布均由計算機自動處理完成，從2014年至今運行穩(wěn)定可靠，全天候連續(xù)不間斷對電離層E層、F層場向不規(guī)則體進行監(jiān)測。按照每2小時產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)文件計算，2014–2019年總共應(yīng)有26292個文件，現(xiàn)有23313個文件，缺失2979個文件，原因主要包括突然斷電和儀器停機維護導(dǎo)致的部分時間段數(shù)據(jù)丟失。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用了以下措施對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行控制：

（1）配置GPS授時模塊，系統(tǒng)時間與GPS時間同步，保證數(shù)據(jù)時間的準(zhǔn)確性；

（2）定期維護T/R組件，更換損壞和性能下降的器件，確保90%及以上的收發(fā)單元正常工作，以保證合成波束的正確性；

（3）定期校驗上傳數(shù)據(jù)文件和服務(wù)器文件，對錯誤的數(shù)據(jù)進行重新上傳，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/div>

4 ? 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)可支持太陽活動、地磁活動、季節(jié)、地方時對低緯地區(qū)電離層E層、F層米級尺度不規(guī)則體發(fā)生率影響的相關(guān)研究。本數(shù)據(jù)與其他地基監(jiān)測手段和衛(wèi)星觀測進行結(jié)合，可以支持低緯電離層等離子體漂移、多尺度電離層不規(guī)則體發(fā)生情況、電離層閃爍發(fā)生率的逐日變化和暴時響應(yīng)特征以及上述現(xiàn)象相關(guān)性的研究。本數(shù)據(jù)為我國空間環(huán)境相關(guān)的研究、工程項目和空間天氣數(shù)值預(yù)報提供數(shù)據(jù)支持。

致謝

本數(shù)據(jù)論文得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

[1]

寧百齊, 李國主, 胡連歡,等. 基于三亞VHF雷達的場向不規(guī)則體觀測研究:1.電離層E區(qū)連續(xù)性回波[J]. 地球物理學(xué)報, 2013, 056(003): 719-730.

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數(shù)據(jù)引用格式

金晗, 燕春曉, 陳罡, 等. 2014–2019年海南富克站VHF相干散射雷達觀測回波強度數(shù)據(jù)[DB/OL]. 國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心. (2020-07-14) [2020-07-19]. http://dx.doi.org/10.12176/01.06.007.

稿件與作者信息

論文引用格式

金晗, 燕春曉, 陳罡, 等. 2014–2019年海南富克站甚高頻相干散射雷達回波數(shù)據(jù)集[J/OL]. 中國科學(xué)數(shù)據(jù), 2020. (2020-12-11). DOI: 10.11922/csdata.2020.0076.zh.

金晗

Jin Han

主要承擔(dān)工作為數(shù)據(jù)服務(wù)。

（1993—），女，博士，助理研究員。

燕春曉

Yan Chunxiao

主要承擔(dān)工作為數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

cxyan@nssc.ac.cn

（1980—），男，碩士，副研究員。

陳罡

Chen Gang

主要承擔(dān)工作為數(shù)據(jù)服務(wù)。

（1980—），男，博士，教授。

閻敬業(yè)

Yan Jingye

主要承擔(dān)工作為設(shè)備研制。

（1972—），男，博士，研究員。

出版歷史

I區(qū)發(fā)布時間：2020年12月14日（版本ZH2）

II區(qū)出版時間：2021年6月29日（版本ZH3）

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