沙宏娥，傅 朝，刘维成，徐丽丽，刘 娜，刘新雨，马绎皓

（1.兰州中心气象台，甘肃 兰州 730020；
2.甘肃省酒泉市气象局，甘肃 酒泉 735008）

甘肃陇东东部的庆阳位于黄土高原腹地，属于暖温带季风性大陆气候，地处半干旱半湿润过渡地带，夏季降水量自西北向东南呈阶梯状递增，其北部夏季平均降水量少于200 mm，而东南部超过300 mm，暴雨日数也呈现由西北向东南递增的特征［1］。在全球气候变暖背景下，近年来庆阳乃至西北干旱半干旱区暴雨落区和量级异常现象时有发生，如2018年庆阳暴雨落区较常年偏向北部半干旱区［2］，2019年6月位于干旱区的酒泉出现极端暴雨［3］且近几十年来该区域极端降水相对强度明显增强［4］等，暴雨或极端强降水事件在干旱半干旱区不再“罕见”。2022年7月15日，庆阳中部出现罕见特大暴雨，降水中心位于中部偏北的庆城县北部、华池县西南部、环县南部，最大日雨量达373.2 mm，多站日雨量和小时雨量突破历史极值，暴雨造成的洪涝、中小河流洪水及崩塌等给人民生命财产、工农业生产、公共基础设施等造成重大损失。这次过程发生在地面冷锋前暖区内的弱天气尺度强迫环境中，暴雨发生时地面冷锋位于暴雨区西北方向250 km 左右，是西北地区少有的且较为典型的暖区暴雨［5］，降水极端性、中心落区偏北和暖区暴雨性质等特征与该地区常见暴雨差异较大，因此开展此次极端暴雨事件的触发、维持机制研究，对提高干旱半干旱区暴雨和极端降水预报与气象灾害防御能力有重要意义。

暖区暴雨概念最早来源于华南前汛期暴雨研究，通常指发生在锋前西南暖湿气流或西南风和东南风汇合气流中的一类暴雨［6］。近年来，华北、西北等地陆续发现一类无明显天气系统强迫触发的盛夏暖区对流性暴雨［7-8］，与华南暖区暴雨特征相似，深厚的暖湿气团中温度梯度小、天气尺度强迫弱、对流不稳定明显、触发和发展机制复杂是此类暴雨的共同特点［9］。大量研究表明，华南和华东南部暖区暴雨与西南季风爆发密切相关，也可伴随梅雨锋前的低空西南急流发生［10-11］，暖区暴雨和锋面暴雨可能共存而形成两条雨带［12］，地形抬升、海陆风效应［6］和低空急流附近风速脉动及其激发的重力波［13］或风速辐合、切变［14-15］及高低空急流耦合［16］是暖区暴雨触发及维持机制，边界层急流与地形激发的深厚中尺度涡旋可引发极端暴雨［17］。华北暖区暴雨通常指地面冷锋系统或对流层中高层干冷空气侵入前发生在暖区的降水，多由气流与山脉迎风坡形成的中尺度辐合［18-19］、地面辐合线［20-21］触发，中尺度对流系统（mesoscale convective system，MCS）的后向传播和列车效应［22］以及凝结潜热与对流系统内动力正反馈作用［23-24］是重要维持机制。

西北地区暴雨与夏季风和高原季风相关性大［25］，与西太平洋副热带高压及其外围暖湿气流输送密切相关，暴雨落区和范围由水汽输送通道和冷暖气流交汇位置大致决定［26-27］，通常发生在低槽前西南暖湿气流背景下低层偏北风与偏南风形成的切变线附近［28］，由700 hPa 切变线、低涡、地面冷锋或辐合线触发［29］。西北暖区暴雨虽然较少发生，但因其累积雨量大、降水强度大、持续时间长、强降水范围集中等特点［30-31］，给人民生命财产安全带来极大隐患。研究表明，西北暖区暴雨触发维持机制与华北地区相似［8，31-32］，在南疆西部还曾发现低层假相当位温θse锋区、地面切变线和干线［33］触发的暖区暴雨，低空急流的发展与维持是对流系统主要维持机制［8，30，34］。然而，现有研究成果对于暖区暴雨对流组织过程、对流与环境反馈影响等方面的深入研究较少，多尺度天气系统综合影响机制尚不明晰，是目前制约西北暖区暴雨时间、空间、强度精细化预报和极端性预报的关键因素，因此也正是本文重点探讨的科学问题。

1.1 资 料

欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代全球大气再分析产品（ERA5）的小时数据，空间分辨率为0.125°×0.125°，垂直方向为1000～300 hPa 共20 层要素数据和对流有效位能（convective available potential energy，CAPE）数据，用于天气尺度背景与环境场和物理量诊断分析；
国家气象观测站及区域气象观测站地面逐小时数据，用于降水实况和地面中小尺度系统分析；
庆阳C 波段多普勒天气雷达产品和国家气象信息中心气象大数据云平台（天擎）的雷电探测系统闪电定位数据（http：//10.1.64.154/cmadaas/），用于对流系统发展演变特征分析。

文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）1711号的中国地图制作，底图无修改。

将降水强度大于等于20 mm·h-1的降水定义为短时强降水［35］，日降水量（R）等级采用国家标准降水量等级（GB/T 28592—2012），即50≤R＜100 mm 为暴雨、100≤R＜250 mm 为大暴雨、R≥250 mm 为特大暴雨。

1.2 凝结潜热加热率计算方法

采用地面观测降水量估算对流潜热分布［36］，其公式如下：

式中：Hcc(J)为估算的凝结潜热；
R（mm）为降水量；
L为常数2.5×106m2·s-2；
g为重力加速度；
PB、PT（Pa）分别为云底、云顶气压。

暖区对流降水云滴凝结碰并主要发生在-10 ℃层以下［37］，因此利用ERA5 再分析资料，将-10 ℃层以下、相对湿度大于80%的最高气压层确定为云顶气压，抬升凝结高度以上、相对湿度大于80%的最低气压层确定为云底气压，再将凝结潜热转换为加热率，其表达式如下：

式中：Hc（℃·h-1）为加热率；
cp为水汽比定压热容，其值为1.005 J·g-1·℃-1。

2.1 降水实况

2022年7月15日00：00—18：00（北京时，下同），甘肃庆阳出现极端降水天气过程，暴雨主要集中在庆阳中部，15站大暴雨、5站特大暴雨出现在马莲河流域庆城北部、华池西南部和环县南部（图1），最大日雨量373.2 mm（庆城翟家河），最大小时雨量84.9 mm（04：00—05：00，庆城马岭）。此次降水过程由锋前暖区降水和锋面降水组成，大暴雨、特大暴雨发生在00：00—12：00暖区降水阶段，该阶段少数站点多次发生短时强降水，短时强降水高频区、小时雨量及日雨量大值中心高度重合，多站日雨量和小时雨量突破历史极值，具有极端性。

图1 2022年7月14日20：00至15日20：00庆阳市累积降水量（a，彩色圆点，单位：mm；
填色为地形高度，单位：m；
红三角为翟家河站）、短时强降水（填色为最大小时雨量，单位：mm；
圆圈为发生次数，三角为最大次数）分布（b）及15日00：00—13：00代表站小时降水量演变（c）Fig.1 The distribution of accumulated precipitation（a，color dots，Unit：mm；
the color shaded for the terrain height，Unit：m；
the red triangle for Zhaijiahe station） and short-term heavy precipitation（the color shaded for maximum hourly precipitation，Unit：mm；
the circles for heavy rainfall frequency，the triangle is the maximum frequency）（b） from 20：00 BST 14 to 20：00 BST 15 July 2022 in Qingyang and the evolution of hourly rainfall at representative stations from 00：00 BST to 13：00 BST 15 July 2022（c）

2.2 环流形势

2022年7月14日08：00 至15日08：00，200 hPa南亚高压中心由111°E西退至102°E附近，甘肃陇东南对流层高层由高压脊后显著正涡度平流输送区转为高压脊前显著负涡度平流输送区，其辐合效应在500 hPa副热带高压（简称“副高”）西北侧588 dagpm等高线陕北境内形成波动高压脊，庆阳位于该高压脊西南侧，存在明显的中层正涡度平流，其辐散效应利于700 hPa 宁夏南部暖性低涡稳定少动。随着副高加强西伸，700 hPa 高压中心西移，高低压系统间梯度增大，导致14日夜间低层西南气流增强，进而增强了水汽输送和偏南急流的动力扰动。可见，高、中、低层天气系统配置（图2）有利于庆阳对流系统的发生发展，特大暴雨发生在地面冷锋前约250 km 处的暖区内，天气尺度斜压强迫弱、垂直风切变小，是典型的暖区暴雨。

图2 天气系统配置示意图Fig.2 Sketch map of synoptic system configuration

2022年7月14日22：30 开始，庆阳西部不断有质心反射率因子大于50 dBZ 的对流单体快速发展、成熟、减弱消亡，随着低空急流发展，分散的对流单体逐渐组织化，新的单体于低空急流核前部生成，质心高度5.0～6.5 km，回波顶高低于10.0 km，且多个单体随西南气流向庆城西北部、华池西南部移动，依次经过同一区域形成列车效应（图略），此为对流发展第一阶段，持续至15日02：30。15日00：00—02：30 影响翟家河的多个对流单体组合反射率接近40 dBZ，回波顶高约10.0 km（图3）。

15日03：00 开始，庆阳东部有对流单体东移至庆城后快速发展成中尺度对流系统（MCS）（图4），大于35 dBZ 回波带呈东北—西南向稳定位于庆城东部、华池东南部，MCS 西南部不断有大于40 dBZ单体新生东移依次经过特大暴雨区，具有后向传播特征和列车效应，MCS 呈近似准静止风暴，生命史延长，强降水累加效应明显，此为对流发展第二阶段，持续至15日10：00 左右减弱。该阶段对流单体质心反射率因子为40～50 dBZ，质心高度为5.0～6.0 km，回波顶高大于18.0 km。与第一阶段相比，该阶段影响翟家河的对流单体回波顶高明显升高，03：00、06：30、08：00 等时刻多个对流单体回波顶高接近20.0 km（图3），以上特征表明第二阶段的MCS是深厚的低质心强对流系统，降水效率高。

图3 2022年7月15日00：00—11：00翟家河站雷达回波顶高及组合反射率因子演变Fig.3 The evolution of radar echo top height and composite reflectivity factor over Zhaijiahe station from 00：00 BST to 11：00 BST July 15，2022

图4 2022年7月15日雷达组合反射率因子时间演变（单位：dBZ）（红色标识为特大暴雨站点，其中三角为翟家河站）Fig.4 The evolution of radar composite reflectivity factor on July 15，2022 （Unit：dBZ）（The red marks are torrential rain stations，among which the triangle is Zhaijiahe station）

研究表明，闪电频数与雷暴云发展强度和雷达回波顶高呈正相关［38］，且对流性暴雨过程中以负地闪活动为主［39］。此次过程中，对流发展第一阶段庆阳市未观测到闪电活动，第二阶段闪电活动频繁（图5），其中15日04：00—05：00 闪电次数较前一时次增加6 倍，闪电次数突增与回波顶高强烈发展时间一致，表明该时段对流风暴内上升气流增强，强回波发展高度快速升高，对流发展强烈。同时，闪电活动以负闪为主的特征表明第二阶段是对流性强降水。

图5 2022年7月15日01：00—11：00庆阳平均闪电次数逐时演变Fig.5 The hourly variation of mean lightning frequency from 01：00 BST to 11：00 BST July 15，2022 in Qingyang

4.1 低层水汽及辐合特征

500 hPa 副高外围西南气流强盛的水汽输送使甘肃陇东上空形成深厚湿层，翟家河站14日夜间550 hPa以下相对湿度大于80%，强降雨时段相对湿度大于90%［图6（a）］。700 hPa 偏南气流将南海水汽向西北输送途中在云南转向后，经四川向西北地区东部输送，并在甘肃陇东南达到最强［图6（c）］，700 hPa 比湿达13 g·kg-1（图略）。850～800 hPa 水汽辐合与对流发展、小时雨量增大相对应［图6（b）］，是强降雨的水汽主要贡献层。其中，15日00：00—06：00，750～700 hPa存在水汽辐合区，水汽补充加剧了水汽辐合抬升的强度和高度。

图6 2022年7月14日20：00至15日08：00翟家河站相对湿度（a，单位：%）与水汽通量散度（b，单位：10-7g·hPa-1·cm-2·s-1）的时间-高度剖面，7月15日05：00 700 hPa水汽通量（c，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1）Fig.6 The time-height profiles of relative humidity （a，Unit：%） and water vapor flux divergence （b，Unit：10-7g·hPa-1·cm-2·s-1）over Zhaijiahe station from 20：00 BST July 14 to 08：00 BST July 15，and water vapor flux at 05：00 BST July 15，2022 at 700 hPa （c，Unit：g·hPa-1·cm-1·s-1）

4.2 大气不稳定度

2022年7月15日04：00 对流有效位能（CAPE）高能中心位于副高控制区［图7（a）］，庆阳上空对流有效位能总体不高（CAPE＜300 J·kg-1），符合暖区暴雨不稳定能量特征，有利于低质心暖云降水的形成。

强降雨时段（15日00：00—10：00），层结不稳定性随时间变化，CAPE 先缓慢增大后快速减小，地面至550 hPa 条件对流不稳定逐渐发展并维持，二者“接力”，使大气不稳定度维持10 h 以上［图7（b）］。14日22：00，CAPE＜100 J·kg-1，这与锋前暖区深厚暖气团层结弱不稳定的热力特征有关，随着850 hPa水汽辐合和强降雨出现，对流层中层以下层结不稳定性增大，CAPE 增大，峰值出现在15日04：00（约170 J·kg-1），这与最大小时雨量出现时间和闪电次数突增、回波顶高强烈发展等中尺度对流系统观测特征高度一致。随后700 hPa 假相当位温（θse）增大使对流层低层不稳定性减弱，CAPE 快速减小。另外，15日04：00后700 hPa假相当位温增大可能与伴随低空急流发展的“湿舌”向庆阳发展有关，也可能与强降雨凝结潜热释放有关。

图7 2022年7月15日04：00西北地区东部 CAPE（单位：J·kg-1）分布（a）与翟家河站14日20：00至15日12：00假相当位温（填色区，单位：℃）的高度-时间剖面及CAPE随时间变化（虚线）（b）Fig.7 The distribution of CAPE （Unit：J·kg-1） at 04：00 BST July 15，2022 over the eastern region of Northwest China （a），the time-height profile of pseudo-equivalent potential temperature （the color shaded，Unit：℃） and the CAPE change with time（the dotted line） from 20：00 BST July 14 to 12：00 BST July 15，2022 at Zhaijiahe station （b）

对流有效位能最小时刻（15日06：00），翟家河站地面至550 hPa 为条件对流不稳定（图8），尤其地面至850 hPa、825～800 hPa 和700～550 hPa 存在3 个对流不稳定层，而850～825 hPa 和800～700 hPa 存在2 个∂θse∂p＜0 的对流稳定层（分别称为“边界层对流稳定层”和“低层对流稳定层”），对流系统的发生发展在这一时段需要动力辐合使水汽抬升至2个对流稳定层之上。

图8 2022年7月15日06：00翟家河站假相当位温廓线Fig.8 The profile of pseudo-equivalent potential temperature at 06：00 BST July 15，2022 over Zhaijiahe station

对于边界层对流稳定层的厚度和强度，地面辐合引起的上升运动便可突破而触发对流，而对于低层对流稳定层的厚度和强度则需要700 hPa 附近更为强烈的动力扰动来突破，以下将围绕低空急流及其对地面辐合和低层动力作用展开分析。

5.1 低空急流演变

环流形势分析表明，7月14日夜间低空南风气流有加强趋势，中层正涡度平流辐散效应在低层造成的减压引导低空急流向甘肃陇东发展。700 hPa风场（图9）显示，14日21：00 偏南急流形成，急流核位于陇南东部；
15日01：00急流核发展至陇南东部、天水及平凉西部，低空急流逐渐转向东北方向发展，至06：00急流核北抬至陇东南部。

5.2 低空急流与地面辐合线

7月15日凌晨，随着低空急流向东北方向发展，急流左侧正涡度平流向甘肃陇东的水汽输送逐渐增强，其辐散效应造成的地面减压逐渐增强，利于地面辐合线的建立和发展。地面上，中心位于陕北的高压底部偏东气流向西进入庆阳，东北气流沿关中平原和泾河流域北上，两支气流在庆阳中部辐合，并因低空急流发展引起的地面减压而使辐合加强（图10），低层水汽辐合增强，加之有一定对流有效位能，上升运动突破了边界层对流稳定层，从而触发对流发展。

图10 2022年7月14日21：00（a）和15日01：00（b）地面风场（矢量，单位：m·s-1）、流场（白色箭头线，为风场插值结果）及地形高度（填色，单位：m）Fig.10 The surface wind field （vectors，Unit：m·s-1），stream field （the white lines with arrow，the result of wind field interpolation） and terrain height （the color shaded，Unit：m） at 21：00 BST July 14 （a） and 01：00 BST July 15，2022 （b）

5.3 低空急流与经向、准纬向双次级环流

7月15日06：00 西南低空急流核北抬至陇东南部［图9（c）］，700 hPa陇东中部形成正负涡度平流分界线。为分析低空急流在特大暴雨过程中的动力作用，分别对急流左侧的特大暴雨区及急流入口区右侧与出口区右侧的涡度、垂直速度特征展开讨论。从图11可见，特大暴雨区700 hPa［图11（a）］和500 hPa［图11（b）］因正涡度平流输送有辐散效应，850 hPa［图11（c）］和地面［图11（d）］均为辐合区，对流层中下层形成下层辐合、中层辐散的正涡度柱（C）；
而在低空急流入口区右侧（A）和出口区右侧（B），500 hPa 和700 hPa 因负涡度平流输送有辐合效应，850 hPa 均为辐散，地面上分别对应陕南西部辐散中心和陕北地面高压，两区域对流层中下层形成中层辐合、低层辐散的下沉气流（实况观测该时段两区域均无降水）。低空急流左侧的正涡度柱（C）与急流入口区右侧（A）、出口区右侧（B）的下沉气流分别形成经向次级环流和准纬向次级环流（与纬向有一定夹角）［图11（e）和图11（f）］。

图11 2022年7月15日06：00 700 hPa（a）和500 hPa（b）涡度（填色，单位：10-4 s-1）及风场（矢量，单位：m·s-1）、850 hPa散度（填色，单位：10-4 s-1）及风场（矢量，单位：m·s-1）（c）和15日04：00地面风场（矢量，单位：m·s-1）及地形高度（填色区，单位：m）（d）以及沿107.5°E（e）与沿36.5°N（f）的散度（填色，单位：10-4s-1）及垂直速度（等值线，单位：Pa·s-1）垂直剖面（棕色箭头为低空急流，红色矩形区为低空急流入口区右侧和出口区右侧负涡度平流区，黑色线包围区域为庆阳市）Fig.11 The 700 hPa （a） and 500 hPa （b） vorticity （the color shaded，Unit：10-4 s-1） and wind field （vectors，Unit：m·s-1） and the divergence （the color shaded，Unit：10-4 s-1） and wind field （vectors，Unit：m·s-1） at 850 hPa （c） at 06：00 BST July 15，2022，the surface wind field （vectors，Unit：m·s-1） and terrain height （the color shaded，Unit：m） at 04：00 BST July 15，2022 （d），the zonal vertical section along 107.5°E （e） and the meridional vertical section along 36.5°N （f） of divergence（the color shaded，Unit：10-4 s-1） and vertical velocity （isolines，Unit：Pa·s-1）（The brown arrow line is low-level jet，and the red rectangular regions are negative vorticity advection areas on the right side of the entrance and the exit of low-level jet，and the area enclosed by black line is Qingyang）

两支次级环流下沉支到达地面后的辐散气流成为地面辐合线两侧气流的重要补充，辐合线两侧风速差由6 m·s-1增大至14 m·s-1，且风向夹角增大。双次级环流动力作用使庆阳中部地面辐合加强，且上升支气流稳定在庆阳中部，在数小时内达到或近似平衡，成为突破边界层对流稳定层和低层对流稳定层、触发对流系统发展及维持的重要因素。低空急流发展至陇东、地面辐合加强时间与小时雨量快速增大、雷达回波顶高快速增高、闪电次数突增时间高度一致。

7月15日02：00—06：00，由观测小时降水量估算得到的凝结潜热加热率与小时降水量分布一致，大值中心稳定位于庆城东北部，潜热加热局地性强、持续时间长，强降水凝结潜热释放对大气加热效应显著，与强降水期间500 hPa 温度脊（图略）向陇东发展有很好的对应关系。

15日03：00—10：00 潜热加热效应明显且持续（图12），部分时次因对流强烈发展产生极端小时降水而导致加热率突增，强降雨区潜热加热率累加效应明显，与翟家河站700 hPa假相当位温15日02：00开始增大、09：00—10：00达到最大［图7（b）］的演变密切相关。同时，15日02：00—04：00 850～400 hPa上升运动显著加强，这是低空西南急流发展、地面辐合、CAPE 和逐渐建立的对流不稳定协同配合的结果，较小时雨量和凝结潜热加热率增大提前1 h；
06：00 CAPE 显著减小，低空急流暖湿气流输送和凝结潜热加热率累加效应使对流层低层对流不稳定增强，配合增强的地面辐合和双次级环流的动力抬升，雨强和凝结潜热加热率再次增大，与前一阶段不同，此阶段上升运动的增强较雨强和凝结潜热加热率增大滞后1 h 左右。以上特征表明，凝结潜热与上升运动、强降水存在正反馈作用，强降水发生后，凝结潜热加热是条件对流不稳定加强和维持的重要原因之一，是暴雨维持的有利因素。

图12 2022年7月15日00：00—14：00翟家河站凝结潜热加热率（虚线）及垂直速度（填色，单位：Pa·s-1）逐时变化Fig.12 The hourly variation of heating rate of latent heat of condensation （the dotted line） and vertical velocity （the color shaded，Unit：Pa·s-1） over Zhaijiahe station from 00：00 BST to 14：00 BST July 15，2022

此外，潜热加热的局地性和累加效应使水平方向加热率梯度增大，位温梯度随之增大，局地热力锋生效应显著，且强降水期间持续存在，有利于中尺度辐合加强、上升运动向更小尺度发展［40］。潜热加热的强度和累加效应，一方面，因经向、准纬向双次级环流的存在，上升气流水平尺度小（γ中尺度），随高度倾斜度小，位能向动能转化率高，对流系统内中尺度上升运动增强，利于对流系统发展更深厚，同时增强的上升运动和热力锋生效应有利于双次级环流进一步加强和维持，潜热加热与次级环流形成正反馈；
另一方面，凝结潜热加热率垂直梯度分布利于低层正涡度发展［33］和地面减压、辐合加强，与水汽辐合上升运动形成正反馈，同时加热中心低层正涡度不断发展，并与其东南部高压系统间气压梯度增大，有利于低空急流向东北方向发展。

本文使用多源观测资料和ERA5 再分析数据，分析2022年7月15日西北半干旱区甘肃陇东特大暴雨天气过程的形成机制，重点探讨暴雨过程中尺度对流系统的触发和维持机制。主要结论如下：

（1）这次特大暴雨发生在500 hPa 副高西北侧西南气流中、地面冷锋前暖区内，强降水局地性强、持续时间长，具有极端性。

（2）副高外围西南水汽输送和对流层低层水汽辐合为强降水提供充沛水汽，CAPE 与条件性对流不稳定“接力”，使大气不稳定度维持10 h 以上，是本次过程特点之一，为强降水提供持续有利的中尺度环境条件。

（3）环流形势配置为MCS 发生发展提供有利背景，地面辐合线和对流层中低层双次级环流为MCS触发和维持提供充足的动力抬升条件，而低空急流的建立、加强、维持是地面辐合加强、双次级环流形成和维持的主要原因，这是本次过程另一特点。另外，凝结潜热释放引发的热力和动力作用与对流系统形成正反馈，是MCS发展、维持的另一重要因素。

（4）深厚且低质心的MCS 呈现出后向传播和列车效应特征，加之动力抬升的加强维持，使其近似准静止风暴，降水效率高和累加效应是特大暴雨产生的直接原因。

以往陇东暴雨过程大多发生在子午岭西侧，地形强迫抬升对降水有明显增幅作用。然而，这次暴雨过程MCS 在马莲河流域长时间维持，除了与此地天气系统发展维持有直接关系外，还应与地形密切相关，地形对降水的影响机制有待进一步探讨。

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