川中丘陵区农田生态系统太阳辐射及土壤热通量数据集（2005–2021年）

中国生态系统研究网络（CERN）专题 II 区论文（已发表） • 版本 ZH2 Vol 9 (3) 2024

A dataset of solar radiation and soil heat fluxes for agro-ecosystems in the hilly area of Central Sichuan Province (2005–2021)

高美荣，章熙锋，王艳强，况福虹，朱波

GAO Meirong, ZHANG Xifeng, WANG Yanqiang, KUANG Fuhong, ZHU Bo

DOI: 10.11922/11-6035.csd.2024.0059.zh
CSTR: 32001.14.11-6035.csd.2024.0059.zh
: 10.57760/sciencedb.11444

： 2024 - 03 - 25

： 2024 - 09 - 18

： 2024 - 05 - 11

： 2024 - 09 - 27

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2883 16 0

摘要&关键词

摘要：太阳辐射是地表生态系统的主要能量来源，是生态系统维持本身正常运转和发展的原始动力；地表层土壤热通量是地表能量平衡的重要参数之一。四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站（简称盐亭站）是国家布局在亚热带四川盆地农业生态区的唯一农田生态系统监测野外站。该区域具有优越的光、热、水资源，非地带性土壤紫色土广泛分布，形成亚热带湿润季风气候与非地带性紫色土的最佳农业组合，农耕活跃，是四川盆地农业的主体区域。本研究基于盐亭站综合气象观测场Vaisala（芬兰）自动气象观测系统，经过数据采集、处理、数据质量控制与评估，集成2005–2021年紫色土典型农田生态系统太阳辐射和土壤热通量数据集，太阳辐射监测包括总辐射、反射辐射、紫外辐射、净辐射和光合有效辐射。数据集包含5个EXCEL文件，有各类辐射的时值、日值和月值观测及统计数据，数据量32.7 MB。本数据集可为生态系统生产能力评估、应对气候变化等方面的研究提供数据支持。

关键词：紫色土；农田生态系统；辐射；土壤热通量；盐亭站

Abstract & Keywords

Abstract: As the primary source of energy for surface ecosystems, solar radiation is the original driving force for ecosystems to maintain their normal operation and development. Soil heat flux in the surface layer is an important parameter for keeping the earth's surface energy balance. Sichuan Yanting National Field Scientific Observatory for Agro-Ecosystems (Yanting Station) is the sole national field station focused on monitoring agro-ecosystems in the subtropical Sichuan Basin agro-ecological zone. This region is characterized by superior light, heat, and water resources, along with a widespread distribution of purple soil in the non-zone soils. The combination of a subtropical humid monsoon climate and purple soil fosters active farming, making it the primary agricultural area in the Sichuan Basin. Based on the Vaisala (Finland) automated meteorological observation system in the integrated meteorological observation field at Yanting Station, we produced s dataset of solar radiation and soil heat fluxes for agro-ecosystems during 2005–2021, in the following of data collection, processing, and data quality control. The solar radiation monitoring includes total radiation, reflected radiation, ultraviolet radiation, net radiation and photosynthetically active radiation. The dataset has five EXCEL files containing hourly , daily and monthly values, with a data volume of 32.7 MB. This dataset can provide data support for research on the assessment of ecosystem production capacity, response to climate change, etc.

Keywords: purple soil; agro-ecosystems; radiation; soil heat fluxes; YGA

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	川中丘陵区农田生态系统太阳辐射及土壤热通量数据集（2005–2021年）
数据通信作者	高美荣（gmr@imde.ac.cn）
数据作者	高美荣，章熙锋，王艳强，况福虹，朱波
数据时间范围	2005–2021年
地理区域	观测点位于四川省绵阳市盐亭县大兴镇林园村（105.459°E，31.2716°N）；地理区域范围涉及四川盆地中部紫色土丘陵区，其一般指位于长江上游以北，剑阁、苍溪、仪陇等县以南，龙泉山以东，华蓥山以西的腹地。
数据量	33.6 MB（解压后）
数据格式	*.xlsx
数据服务系统网址	https://doi.org/10.57760/sciencedb.11444
基金项目	中国生态系统研究网络（CERN）盐亭紫色土农业生态系统定位研究站运行项目；国家科技基础条件平台四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站运行服务项目；中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所科研项目资助（IMHE-JCCX-01）。
数据库（集）组成	数据集共包括5个数据文件，（1）2005–2021年自动站每日逐时太阳辐射与土壤热通量及其累计值，1个文件（有5个数据表），数据量32461 KB；（2）2005–2021年自动站逐日太阳辐射与土壤热通量总量及其累计值（含日照时数）、极值以及出现时间，2个文件，数据量578 KB；（3）2005–2021年自动站逐月太阳辐射与土壤热通量总量月合计（含日照时数）、太阳辐射极值以及出现日期与时间，2个文件，数据量128 KB。观测指标有总辐射、反射辐射、紫外辐射、净辐射、光合有效辐射、土壤热通量值和日照。

Dataset profile

Title	A dataset of solar radiation and soil heat fluxes for agro-ecosystems in the hilly area of Central Sichuan Province (2005–2021)
Data corresponding authors	GAO Meirong (gmr@imde.ac.cn)
Data author	GAO Meirong, ZHANG Xifeng, WANG Yanqiang, KUANG Fuhong, ZHU Bo
Time range	2005–2021
Geographical scope	Linyuan Village, Daxing Town, Yanting County, Sichuan Province (105.459°E, 31.2716°N), covering the purple soil hilly area of Sichuan Basin, which generally refers to the hinterland located in the north of the upper reaches of the Yangtze River, south of Jiange, Cangxi, Yilong and other counties, east of Longquan Mountain and west of Huaying Mountain.
Data Volume	33.6 MB (After decompressed)
Data formate	*.xlsx
Data service system	<https://doi.org/10.57760/sciencedb.11444>
Source of funding	Yanting Purple Soil Agro-ecological Experimental Station Operation Project ; Chinese Ecosystem Research Network; Sichuan Yanting Agro-ecological National Ecosystem Research Station Operation Project; National Platform for basic conditions of science and technology; the Science and Technology Research Program of Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences (IMHE-JCCX-01).
Dataset composition	The data set consists of 5 data files: (1) one file (with 5 sheets) for daily hour-by-hour solar radiation, soil heat fluxes,and their cumulative values from 2005 to 2021, with a data volume of 32461 KB; (2) 2 files for the total daily solar radiation and soil heat flux of the automatic station from 2005 to 2021, their cumulative value (including sunshine hours), extreme value and occurrence time, with a data volume of 578 KB; (3) 2 files for the total monthly solar radiation and soil heat flux of the automatic station from 2005 to 2021 (including sunshine hours), monthly occurrence date and time of solar radiation extreme value, with a data volume of 128 KB. The observed indexes include total radiation, reflected radiation, ultraviolet radiation, net radiation, photosynthetically active radiation, soil heat flux value and insolation.

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引言

太阳辐射是地表生态系统的主要能量来源，是生态系统维持本身正常运转和发展的原始动力。作为陆地生态系统中物质和能量交换过程的重要组成部分，通过与地表大气圈、生物圈和水圈的交互作用实现地表能量交换，并促使地表辐射能量平衡^[1]。它对植物光合作用、蒸腾作用及生态系统碳交换等过程有重要的影响^[1]，例如太阳总辐射量和散射辐射比例改变会直接影响作物光合生产力，并进一步影响作物产量^[2-3]。因此，它是农业、生态、水文、气象等领域模型的重要输入参数^[4]。随着地球科学研究的不断深入，如何获取区域准确的地表太阳辐射数据，评估和认识其时空分布特征变得日趋重要^[5]。

地表层土壤热通量是地表能量平衡的重要参数之一，它可以解释地表浅层与深层之间传输的能量，同时对地-气间的物质能量传输及分配有重要影响。此外，地表层土壤热通量也是地表蒸散发模拟的重要因子，会极大地影响地表蒸散发的模拟精度^[6]。

受观测设备及其维护成本等影响，目前我国总体热观测数据缺乏。四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站（简称盐亭站，代码YGA）位于亚热带四川盆地农业生态区，是中国科学院生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）和国家生态系统观测研究网络（CNERN）布局的以中亚热带四川盆地紫色土丘陵区为核心研究对象的唯一基础性、公益性的农田生态系统长期试验与观测平台。川中丘陵区具有优越的光、热、水资源，非地带性土壤紫色土广泛分布，形成亚热带湿润季风气候与非地带性紫色土的最佳农业组合，农耕活跃，是四川盆地农业的主体区域^[7-8]。本数据集基于盐亭站综合气象观测场的长期联网自动站观测数据和人工观测数据整理计算而成，观测过程严格遵循CERN生态系统大气环境观测规范，经过野外站初级质量控制和大气分中心二次质量审核后，保证观测数据的真实性和可靠性，且与其他联网野外台站气象数据格式统一，具有良好的可比性。在自然资源的可持续利用、国家粮食安全和区域生态安全等方面的研究与决策上，可提供科学数据重要支撑。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

1.1.1 盐亭站综合气象观测场地理位置特征

盐亭站综合观测气象场（YGAQX01，105.459°E，31.2716°N，海拔439 m）位于四川盆地中北部的盐亭县大兴镇林园村，地处嘉陵江二级支流弥江、湍江的分水岭上，地形为中深丘，由水平沙泥岩互层形成多级梯地，山顶为园丘、长岗状。沟谷切割较深，冲沟发育，相对高差10–200 m。全区受东南季风控制，年平均温度为17.3℃。多年平均降雨量826 mm，降雨季节分布不均，夏秋季降水占全年约80%以上，无霜期294 d，具有四川盆地典型亚热带湿润季风气候特征。土地利用方式有旱坡地、林地、水田等^[7]。土壤为石灰性紫色土，质地为中壤。该区植被为桤木（Alder cremastogyne）、柏木（Cypresses funebris）人工混交林，目前基本演替成纯柏林，多分布在坡顶、坡中和坡坎上，主要农作物有小麦、玉米、水稻、油菜等^[8]。

1.1.2 盐亭站综合气象观测场地

1997年，盐亭站按照中国生态系统研究网络（CERN）农田生态系统大气环境观测规范要求^[9]，设立了长期气象观测场，开展川中丘陵区农田生态系统大气环境长期观测。观测设施设备的布设、安装与维护，观测方法与数据处理，遵照《地面气象观测规范》^[10]、《陆地生态系统大气环境观测指标与规范》^[11]和《气象和大气环境要素观测与分析》^[9]执行。

本数据集的原始观测数据来源于盐亭站综合气象观测场的Vaisala（芬兰）自动气象观测系统，盐亭站气象观测场自动站设施设备更新见表1^[12]。辐射和土壤热通量传感器布设示意图见图1。

表1 气象观测场自动站设备更新表

年份	气象场面积	仪器设备型号	生产商	备注
2004–2014	25 m×25 m	2014–2023	芬兰维萨拉公司	2004年10月安装设备
2014–2023	25 m×25 m	MAWS301	芬兰维萨拉公司	2014年10月安装设备

图1 辐射与土壤热通量传感器安装布设示意图

Figure 1 Schematic diagram of radiation and soil heat flux sensor installation and deployment

1.2 数据采集方法

1.2.1 传感器安装

（1）辐射传感器

辐射传感器均为热电堆式辐射传感器，分别包括CM11总辐射表（光谱范围285–2800 nm）、CM6B反射辐射表（光谱范围305–2800 nm）、LI-190SZ光合有效辐射表（光谱范围400–700 nm）、QMN101净辐射表（光谱范围0.2–100 μm）、CUV3紫外辐射表（光谱范围285–400 nm）和QSD102日照计（阈值120 W/m²）。按照技术要求，日照计和这些辐射传感器安装在辐射观测支架上，支架横杆距地面1.5 m^[11]。支架正南北安放，传感器安装从南端依次为净辐射表、总辐射表、反射辐射表、光合有效辐射表、紫外表和日照计。

（2）土壤热通量传感器

土壤热通量采用自校准传感器，型号为HFP01SC土壤热通量板，安装在深度距地面3 cm红色面向上，用浮土覆盖至与地面相平。

1.2.2 数据采集与算法

2005–2014年与2014–2021年分别采用芬兰VAISALA公司生产的MILOS520和MAWS301自动监测系统，利用其数据采集器按照设置的各传感器灵敏度、采样速率及算法进行数据采样、数据处理、数据存储及数据传输^[11]。

（1）辐射观测的内容具体包括观测整点时刻辐照度、时曝辐量、日曝辐量和日最大辐照度及其出现时间以及光量子通量密度。每10 s采测1次，每分钟采测6次辐照度（瞬时值），去除1个最大值和1个最小值后取平均值。存储整点（地方平均太阳时）00分钟采集的各辐射量辐照度，同时计算、存储的各辐射量曝辐量（累计值），挑选小时每分钟最大值及出现时间进行存储。每日24时（地方平均太阳时）计算当日各辐射要素最大辐照度和出现时间并存储，累加计算各辐射要素日总量。一月中辐射曝辐量日总量缺测9天或以下时，月平均日合计等于实有记录之和除以实有记录天数。缺测10天或以上时，该月不作月统计，按缺测处理。

（2）日照以太阳直接辐射达120 W/m²为阈值，每分钟记录存储有无日照信息，整点小时（地方平均太阳时）计算小时日照分钟数存储，若无日照记为0。

（3）土壤热通量每12 h自动校准传感器1次，计算得出参数用于热通量测量。采样频率和存储要求同辐射要素。辐射、土壤热通量和日照时数均计算累计值。

1.3 数据处理方法

定时下载数据采集器生成的日数据文件，采用CERN大气分中心指定数据处理软件对日数据文件进行处理和运算，并生成规范的数据报表。报表经台站初步质控和审核后，提交至CERN大气分中心。大气分中心进行质控和二次审核后，反馈给台站并汇交至CERN综合研究中心和国家生态科学数据中心^[7]，完成各观测数据入库工作。

2 数据样本描述

本数据集共包括5个数据文件：（1）2005–2021年自动站每日逐时太阳辐射与土壤热通量及其累计值，1个文件（有5个数据表），数据表依据不同年份时段分别包含四个SHEET表，SHEET表的列字段名是一致的，数据量32461 KB；（2）2005–2021年自动站逐日太阳辐射与土壤热通量射总量及其累计值（含日照时数）、极值以及出现时间，2个文件，数据量578 KB；（3）2005–2021年自动站逐月太阳辐射与土壤热通量射总量及其累计值（含日照时数）、极值以及出现时间，2个文件，数据量128 KB。观测指标包括有总辐射、反射辐射、紫外辐射、净辐射、光合有效辐射、土壤热通量值和日照。以下分别对每个数据子集进行样本描述（表2–6）。

表2 每日逐时太阳辐射与土壤热通量及其累计值数据样本描述

数据项名称	数据类型及小数位数	量纲	示例
生态站代码	文本型		YGA
年	整数型	年	2021
月	整数型	月	12
日	整数型	日	20
时	整数型	时	23
总辐射	浮点型，1	W/m²	282.2
反射辐射	浮点型，1	W/m²	33.8
紫外辐射	浮点型，1	W/m²	10.7
净辐射	浮点型，1	W/m²	158.1
光合有效辐射	浮点型，1	μmol/m²s^-1	626.2
瞬时土壤热通量	浮点型，1	W/m²	54.5
总辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	0.500
反射辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	0.084
紫外辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	0.023
净辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	0.262
光合有效辐射总量	浮点型，3	mol/m²s^-1	1.171
土壤热通量累计值	浮点型，3	MJ/m²	0.092

表3 每日逐时太阳辐射与土壤热通量总量数据样本描述

数据项名称	数据类型及小数位数	量纲	示例
生态站代码	文本型		YGA
年	整数型		2005
月	整数型		7
日	整数型		22
总辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	26.684
反射辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	4.733
紫外辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	1.158
净辐射总量	浮点型，3	MJ/m²	16.885
光合有效辐射总量	浮点型，3	mol/m²s^-1	51.113
土壤热通量	浮点型，3	MJ/m²	2.473
日照小时数	整数型	hour	12
日照分钟数	整数型	min	23

表4 逐日太阳辐射与土壤热通量极值及其出现时间数据样本描述

数据项名称	数据类型及小数位数	量纲	示例
生态站代码	文本型		YGA
年	整数型		2021
月	整数型		8
日	整数型		10
总辐射极值	浮点型，1	MJ/m²	1108.8
总辐射极值出现时间	时间	hh:mm	10:40
反射辐射极值	浮点型，1	MJ/m²	194.8
反射辐射极值出现时间	时间	hh:mm	10:40
紫外辐射极值	浮点型，1	MJ/m²	57.8
紫外辐射极值出现时间	时间	hh:mm	10:39
净辐射极值	浮点型，1	MJ/m²	801.7
净辐射极值出现时间	时间	hh:mm	10:39
光合有效辐射极值	浮点型，1	μmol/m²s^-1	1720.1
光合有效辐射极值出现时间	时间	hh:mm	10:40
土壤热通量极值	浮点型，1	MJ/m²	242.9
土壤热通量极值出现时间	时间	hh:mm	10:16

表5 逐月太阳辐射与土壤热通量总量月合计数据样本描述

数据项名称	数据类型及小数位数	量纲	示例
生态站代码	文本型		YGA
年	整数型		2021
月	整数型		12
总辐射总量月合计	浮点型，3	MJ/m²	169.115
反射辐射总量月合计	浮点型，3	MJ/m²	32.240
紫外辐射总量月合计	浮点型，3	MJ/m²	8.308
净辐射总量月合计	浮点型，3	MJ/m²	45.810
光合有效辐射总量月合计	浮点型，3	mol/m²s^-1	244.977
土壤热通量月合计	浮点型，3	MJ/m²	-18.417
日照小时数月合计	整数型	hour	72
日照分钟数月合计	整数型	min	51

表6 逐月太阳辐射与土壤热通量总量极值及其出现日期数据样本描述

数据项名称	数据类型及小数位数	量纲	示例
生态站代码	文本型		YGA
年	整数型		2020
月	整数型		5
总辐射总量日极值	浮点型，1	MJ/m²	492.5
总辐射总量日极值出现日期	整数型		16
总辐射总量日极值出现时间	时间型	hh:mm	10:43
反射辐射总量日极值	浮点型，1	MJ/m²	222.4
反射辐射极值出现日期	整数型		31
反射辐射极值出现时间	时间型	hh:mm	10:55
紫外辐射总量日极值	浮点型，1	MJ/m²	60.9
紫外辐射极值出现日期	时间		16
紫外辐射极值出现时间	时间型	hh:mm	11:13
净辐射总量日极值	浮点型，1	MJ/m²	853.3
净辐射极值出现日期	整数型		31
净辐射极值出现时间	时间型	hh:mm	10:56
光合有效辐射总量日极值	浮点型，1	μmol/m²s^-1	1624.8
光合有效辐射极值出现日期	整数型		21
光合有效辐射极值出现时间	时间型	hh:mm	10:55

3 数据质量控制和评估

辐射观测质控除了定期对观测传感器进行校准外，数据的审核是以基本物理机制为指导，判定各个辐射参数间、辐射参数与气象要素间的内部关系，同时考虑与这些参数时空变化有关的统计规律。在评价辐射观测结果时，遵循只剔除与仪器测量系统故障、仪器安装错误或严重违反观测规范而产生的数据资料，以免丢失具有重大科学意义和实际意义的资料^[11]。

3.1 传感器维护

日照计和辐射观测表每两年校准一次，校准工作由CERN大气分中心在北京进行，校准后返回野外站，安装并设置为校准后的灵敏度继续观测；热通量传感器为自校准型，一般情况下不用另行校准，发现数据异常，返回厂家检验或更换。数据观测员负责自动辐射气象站运行的日常维护，查看各要素传感器是否正常，保证自动辐射气象站设备处于正常连续的运行状态。

3.2 数据质量控制

根据CERN《陆地生态系统大气环境观测指标与规范》^[11]，辐射数据审核不仅是审核数据计算的准确性，而且要检查每一辐射参数与天气条件、太阳高度以及其他气象参数的一致性，提高观测数据质量及其可比性，以便数据顺利入库，适于进一步应用。为防止意外事故导致数据丢失和及时发现数据问题，需要定期下载数据。

从数据采集器中获取日观测数据文件，按照CERN大气分中心开发的软件进行数据校验和处理，完成对数据文件的错误检查，并生成规范和标准的气象要素观测报表。辐射曝辐量缺测数小时但不是全天缺测时，按实有记录作日合计；全天缺测时，不作日合计。

大气分中心对观测和报表数据进一步质控和审核，最后提交综合中心并反馈给台站完成数据入库工作。

4 数据价值

本数据集的观测数据严格遵循CERN生态系统大气环境观测规范，经过野外站初级质量控制和大气分中心二次质量审核后，保证观测数据的真实性和可靠性，且与其他联网野外台站气象数据格式统一，具有良好的可比性。

川中丘陵区具有优越的光、热、水资源，非地带性土壤紫色土广泛分布，形成亚热带湿润季风气候与非地带性紫色土的最佳农业组合，农耕活跃，是四川盆地农业的主体区域^[7-8]。本数据集基于盐亭站综合气象观测场的长期联网自动站观测数据和人工观测数据整理计算而成。在自然资源的可持续利用、国家粮食安全和区域生态安全等方面的研究与决策上，可提供重要的科学数据支撑。本数据集下载地址为：https://doi.org/10.57760/sciencedb.11444。未集成的1997–2004年的辐射数据可在盐亭站信息平台服务网站（http://yga.cern.ac.cn）获取，注册登录后，在资源服务栏目下可查询相关数据并下载。

致谢

感谢大气分中心的刘广仁高级工程师、胡波研究员在数据质量控制方面的指导和帮助；感谢四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站全体工作人员在气象观测场和仪器设备运行保障中的辛苦付出。

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数据引用格式

高美荣, 章熙锋, 王艳强, 等. 川中丘陵区农田生态系统太阳辐射及土壤热通量数据集（2005–2021年）[DS/OL]. V3. Science Data Bank, 2024. (2024-09-25). DOI:10.57760/sciencedb.11444.

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稿件与作者信息

论文引用格式

高美荣, 章熙锋, 王艳强, 等. 川中丘陵区农田生态系统太阳辐射及土壤热通量数据集（2005–2021年）[J/OL]. 中国科学数据, 2024, 9(3). (2024-09-27). DOI: 10.11922/11-6035.csd.2024.0059.zh.

高美荣

GAO Meirong

数据集成与质量控制，论文撰写。

gmr@imde.ac.cn

（1969—），女，陕西人，硕士，高级工程师，研究方向为土壤学，生态信息学。

章熙锋

ZHANG Xifeng

数据处理和校验。

（1990—），男，安徽人，硕士，工程师，研究方向水文水环境等。

王艳强

WANG Yanqiang

数据观测场地质量控制。

（1981—），男，重庆人，硕士，工程师，研究方向为生态学等。

况福虹

KUANG Fuhong

数据处理和校验。

（1981—），女，四川人，博士，高级工程师，研究方向为土壤学。

朱波

ZHU Bo

数据质量控制与评估。

（1966—），男，四川人，博士，研究员，研究方向为水土界面氮迁移过程及氮循环。

中国生态系统研究网络（CERN）盐亭紫色土农业生态系统定位研究站运行项目；国家科技基础条件平台四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站运行服务项目；中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所科研项目资助（IMHE-JCCX-01）。

Yanting Purple Soil Agro-ecological Experimental Station Operation Project ; Chinese Ecosystem Research Network; Sichuan Yanting Agro-ecological National Ecosystem Research Station Operation Project; National Platform for basic conditions of science and technology; the Science and Technology Research Program of Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences (IMHE-JCCX-01).

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出版历史

I区发布时间：2024年5月11日（版本ZH1）

II区出版时间：2024年9月27日（版本ZH2）