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台灣地區歷史地震波形與紀錄之整理

鄭世楠 王子賓

清雲科技大學空間資訊與防災科技研究中心

江嘉豪 蔡宜宏 潘昌志 中央氣象局地震測報中心

摘 要

本計畫擬以二年的時間重新蒐集並整理台灣地區自1897年12月Gray-Milne型地震儀設置以後至1960年間的歷史地震波形與相關紀錄。建置的資料包括各項地震(Gray-Mine, Omori, 強震型與Wiechert)儀器參數、歷史地震波形紀錄等，同時規劃歷史地震波形與相關紀錄儲存與展示程序。由建置完成的歷史地震波形資料

庫，進行歷史地震波形數化工作。期能在計畫結束後能建立一完整的歷史地震波

形資料庫，所得結果將建置於中央氣象局地震測報中心的地震資料庫。目前已整

理建置完成有272張歷史地震波形紀錄，包括格雷米爾恩型地震儀紀錄7張、大森式地震儀紀錄27、位移強震儀紀錄37張、衛赫式地震儀紀錄201張。

This plan compiles Taiwan historical earthquake waveform and document

since Gray-Milne seismograph set up in December of 1987. The materials of the construction include every seismograph (Gray-Milne, Omori, strong-motion, Wiechert) instrument parameter, historical seismograms. Design historical seismograms and documents to store and show the procedure. Carried on digitization and processing by the historical waveform database. The result of historical waveform data will be set up the database of Central Weather Bureau. This year plan has collated build completed 272 historical earthquake waveform records, including 7 of the Gray-Milne seismograph records, 27 of the Omori seismograph records, 37 of displace-strong-motion seismograph records, and 201 of the Wiechert seismograph records.

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壹、前言

台灣位處於環太平洋地震帶西側，在歐亞大陸與菲律賓海板塊間的碰撞與擠

壓作用下，自古以來常發生破壞性地震。地震儀的歷史相當短，有地震紀錄的地

震僅剛超過一百年，1960年以後才有較佳解析度的地震紀錄，限制了地震學的研究，更顯得歷史地震波形與紀錄的重要性(Kanamori et al., 2010, 2011, 2012)。2011年2月25日於中央大學舉行Taiwan Historical Earthquake Workshop，與會學者(中、美、日)均認為臺灣有相當豐富且重要的歷史地震波形與紀錄，急須有系統的整理與分析。有鑑於此，本計畫擬以二年時間，有系統整理臺灣地區自1897年12月Gray-Milne型地震儀設置以後至1960年間的歷史地震波形與相關紀錄。建置的資料包括各項地震(Gray-Mine, Omori, 強震型與Wiechert)儀器參數、歷史地震波形紀錄等，同時規劃歷史地震波形與相關紀錄儲存與展示程序。由建置完成的歷史地震

波形資料庫，進行歷史地震波形數化工作。期能在計畫結束後能建立一完整的歷

史地震波形資料庫，所得結果將配合建置於中央氣象局地球物理資料庫系統

(Geophysical Database Management System；GDMS)，以作為研究地震活動、板塊構造以及評估地震災害潛能和工程規劃的基本參考資料。

貳、研究方法及進行步驟

臺灣地區自1897年12月Gray-Milne型地震儀設置後進入地震觀測儀器化時代，但因早期地震儀器倍率較低、頻寬較窄，地震紀錄的品質較不理想。1960年代WWSSN設立後提供品質較佳的地震紀錄，1973年TTSN設立後提供現代化的地震波形紀錄，1991年CWBSN提供的波形紀錄，在量與質上都可謂是世界級的品質(圖1)。對於1960年以前佳解析度較不理想的地震紀錄，限制了地震學的研究，顯得歷史地震波形與紀錄的重要性(Kanamori et al., 2010)。本研究擬以二年的時間重新整理台灣地區自1897年12月Gray-Milne型地震儀設置以後至1960年間的歷史地震波形與相關紀錄。建置的資料包括各項地震(Gray-Mine, Omori, CMO強震型與Wiechert)儀器參數、歷史地震波形紀錄等，同時規劃歷史地震波形與相關紀錄處理、儲存與展示程序。由建置完成的歷史地震波形資料庫，進行歷史地震波形數

化工作。

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圖1、台灣地區地震波形紀錄沿革示意圖。

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歷史地震波形與相關紀錄包括以下四部分：

一、原始波形歷時紀錄：地震儀所收錄之歷史地震波形歷時資料直接記錄在滾筒

之燻煙紙上，為類比式的記錄。這時期的地震儀包括格雷－米爾恩型

(Gray-Mine)、大森型(Omori)、位移強震型(CMO strong motion)與威赫式(Wiechert)地震儀等。圖2顯示台南測候所Omori地震儀收錄1902/11/21地震(ML=6.7, MS=6.8)波形。

二、複製地震紀錄：包括各類報告附錄波形紀錄相片與手描繪波形紀錄等，如圖3顯示「台灣地震調查一班」(大森房吉, 1906)報告中附錄之台南測候所格雷-米爾恩(Gray-Milne)型地震儀收錄1904年11月6日斗六地震波；

三、微縮影片地震紀錄：早期儲存歷史地震波形紀錄大都採用微縮影片方式，如

圖4顯示1906年3月17日梅山地震波形；

四、文字敘述地震紀錄：自台北測候所設立後累積相當多的文字敘述的觀測記錄，

這類資料雖欠缺地動歷時紀錄，但仍為珍貴的資料。本計畫將著重於世界各

地大地震的文字觀測記錄，如圖5顯示台北測候所對於1906年美國舊金山大地震之文字敘述觀測記錄(收錄於鄭世楠等, 1997)。

考慮後續資料處理使用與儲存等因素，將上述歷史地震資料以高解析度掃描

儀進行數化處理，處理程序如圖6所示。原始地震紀錄波形紀錄因年代久遠，加上許多波形紀錄並沒有適當的儲存，造成許多資料變形、硬化、潮濕、發霉、蛀蟲、

破損等(圖7)，故首先將原始紀錄進行除濕、平整與編號，其次進行去霉、除虫、修補等工作，修補完成的紀錄以高解析度掃描儀進行數化處理，以300 dpi解析度儲存為TIFF與JPG格式，再進行日期確認、儀器辦別與方向辨識後重新編號，整理好的原始波形紀錄與數化波形資料建置於資料庫中。

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圖2、台南測候所Omori地震儀收錄1902/11/21地震(ML=6.7, MS=6.8)東西向波形紀錄。

圖3、台南測候所格雷-米爾恩(Gray-Milne)型地震儀收錄1904年11月6日斗六地震三分量波形紀錄(根據大森房吉, 1906)。

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圖4、澎湖測候所格雷-米爾恩(Gray-Milne)型地震儀收錄1906年3月17日梅山地震三分量波形紀錄(微縮影片，原圖儲存於日本東京大學)。

圖5、台北測候所對於1906年美國舊金山大地震的文字敘述觀測記錄(收錄於鄭世楠等, 1997)。

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圖6、歷史地震波形紀錄處理程序。

圖7、歷史地震波形紀錄受損情形。

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考慮後續資料處理、使用與儲存等因素，將傳統以類比式的微縮影片儲存歷

史地震資料，改成以高解析度掃描儀數化後的數化式檔案儲存。由於波形資料數

量相當龐大，為利於後續使用將蒐集整理的波形紀錄進行分類與編號。目前採用

「年月日_測站_儀器」作為編號依據，其中年月日為地震波形紀錄的日期，測站為收錄之觀測站名稱(如表1所示)，包括，台北(TAP)、新竹(HSN)、台中(TCU)、台南(TAI)、高雄(KAU)、恆春(HEN)、阿里山(ALS)、玉山(YUS)、澎湖(PNG)、宜蘭(ILA)、花蓮(HWA)、新港(HIS)、台東(TTN)、大武(TAW)等測震站。地震儀器包括格雷-米爾恩型地震儀(G1)、大森式水平向地震儀(東西向)(O1)、大森式水平向地震儀(南北向)(O2)、位移強震儀(S1)、簡單型地震儀(P1)、衛赫式地震儀(垂直向)(W1)、與衛赫式地震儀(水平向)(W2)等，儀器代碼如表2所示。圖2台南測候所Omori地震儀收錄1902/11/21地震東西向波形紀錄則以19021121_TAI_O1命名，圖3台南測候所格雷-米爾恩型地震儀收錄1904年11月6日斗六地震波形紀錄則以19041106_TAI_G1命名，圖4澎湖測候所格雷-米爾恩型地震儀收錄1906年3月17日梅山地震波形紀錄以19060317_PNG_G1命名。 表 1、歷史地震波形紀錄測站代碼一覽表 測站代碼 測站英文名稱 測站中文名稱 設置地震儀時間 TAI TAINAN 台南 1900/01/- TAP TAIPEI 台北 1897/12/19 TCU TAICHUNG 台中 1902/01/- HEN HENGCHUN 恆春 1906/01/- PNG PENGHU 澎湖 1900/01/- TTN TAITUNG 台東 1904/09/- HWA HWALIEN 花蓮 1914/01/- ALS ALISHAN 阿里山 1933/07/- KAU KAOHSIUNG 高雄 1931/06/- ILA ILAN 宜蘭 1936/06/01 HSN HSINCHU 新竹 1938/08/01 HIS HSINKONG 新港 1941/02/- TAW TAWU 大武 1942/11/- YUS YUSSHAN 玉山 1944/01

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表 2、歷史地震波形紀錄地震儀器代碼一覽表 代碼 地震儀英文名稱 地震儀中文名稱 備註 G1 Gray-Mine Seismograph 格雷-米爾恩型地震儀 O1 Omori Seismograph-EW 大森式地震儀(東西向) O2 Omori Seismograph-NS 大森式地震儀(南北向) S1 Low magnification Seismograph 位移強震儀 P1 Portable Seismograph 簡單型地震儀 W1 Wiechert Seismograph-UD 衛赫式地震儀(垂直向) W2 Wiechert Seismograph-NS,EW 衛赫式地震儀(水平向)

為了將將原始的地震記錄轉換成為真實的地動歷時記錄，必需進行適當的處

理。資料處理過程與步驟參考林燈河(1987)、Inoue. and Matsumoto(1988)、葉永田等(1996, 1997)、鄭世楠等(1997)的方式，以中央研究院地球科學研究所處理SMA-1強震儀之類比式地震記錄的方法與計算機程式(Hudson, 1979；王惠敏,1988)做為資料處理的骨架。主要的程序如下：

(1).數位化(Digitizing)：傳統式微縮影片波形紀錄是透過微縮影片閱讀機進行篩選，還原(放大)取得歷史地震波形紀錄，波形記錄放大三倍後再採用點圖機數位板進行數位化的工作(圖8)。由於微縮影片閱讀機與點圖機成本高使用不方便等因素，本研究以掃描機進行數位化工作替代以往數位板方式，採用300 dpi解析度將整張紀錄轉化為影像檔，分別以TIFF(70-90 MB)與JPG(4-7 MB)格式儲存，以利後續資料處理、波形紀錄儲存與成果展示。圖9顯示台南測候所位移強震儀收錄1937/12/13地震(ML=6.2)地震波形紀錄，以300 dpi掃描結果(編號為19371213_TAI_S1)，由圖上方N-S，E-W與圖下方U-D方向紀錄局部放大顯示，300 dpi的解析度已足以使用。依照前述分類方式先進行整理並命名，再由地震中心協助掃描工作，數化成影像檔後採用地理資訊系統軟體進行點圖，將

類比式紀錄轉換為數位式紀錄；圖10顯示1904年11月6日斗六地震台中測候所大森式地震儀所收錄之地震波形紀錄，利用掃描儀數化為影像檔

19041106_TCU_O1，再採用地理資訊系統軟體定位後情形，圖右顯示類比式波形紀錄經過點圖程序以數位式波形紀錄。

(2).筆桿長度修正(Correction of arm length)：歷史地震均為機械式的類比記錄，感應器的訊息透過筆桿記錄在統筒上的薰煙紙上。當振幅較大時即會產生圓弧的

現象，此項修正即是去除由筆桿造成的圓弧效應。本文採用 Inoue and Matsumoto(1988)的方法來計算筆桿的長度。方法如圖11所示：先挑選振幅較大且較明顯的波相，推求出此波相的等時線(如圖11中之虛線)，次由點圖數位板讀出等時線上的3個點；P1、P2與P3，最後由線段P1.P2與P2.P3的垂直中分線之交點得到C，則線段P1.C(=P2.C =P3.C)的長度即為筆桿的長度(R)；

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圖8、歷史地震波形紀錄數位化流程是意圖，圖左為傳統類比式數化流程，圖右為本研究使用數位式數化流程。。

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NS

EW

UD 圖9、台南測候所位移強震儀收錄1937/12/13地震(ML=6.2)地震波形紀錄，以300 dpi

掃描結果(編號為19371213_TAI_S1)。

N S E W D U

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圖10、1904年11月6日台中測候所大森式地震儀收錄之東西向紀錄數化為影像檔採

用地理資訊軟體定位情形(圖左)，圖右顯示點圖後成為數位資料情形。

圖11、估算筆桿長度的方法(修改自Inoue and Matsumoto, 1988；葉永田等, 1997,

1998)

(3).等間隔內插(Equal spacing interpolation) 為利於後續之資料處理與計算機程式之運算，將數位化後之非等間隔的歷時數位記錄，內插為每秒10點之等間隔記錄，即每點間隔(t)為0.1秒；

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(4).基線修正(Baseline correction) 基線修正的方法主要是採用最小二乘法(least square method)去除基線傾斜的現象，再由零均值基線修正(zero-mean base-line correction)去除基線偏移的誤差；

(5).儀器效應修正(Instrument correction) 此項修正的目的即是去除儀器效應，而將所收錄的訊號還原為真實的地動情形。利用快速富氏轉換 (Fast Fourier Transform; FFT)，將前項修正後之時間域的波形記錄轉換至頻率域，由儀器參數(自然週期與阻尼比)計算出該儀器所對應的儀器響應與相位差來進行儀器儀器校正的工作，然後再進行快速富氏逆轉，轉換回時間域，完成儀器效應修

正的工作；

(6).帶通濾波(Bandpass filter) 由於數位化處理過程可能引進高頻雜訊(noise)，而在儀器效應修正時可能造成低頻雜訊的放大。為去除可能引進的高頻與低頻的雜

訊，此步驟採用帶通濾波器以去除這些雜訊。

原始的類比式地震記錄經由以上六個步驟處理後，便可得到實際的地動位移

歷時波形。

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参、結果與討論

一、目前已將整理272張歷史地震波形紀錄，包括格雷米爾恩型地震儀紀錄7張、大森式地震儀紀錄27、位移強震儀紀錄37張、衛赫式地震儀紀錄201張，詳細的資料如表3所示。其中原始波形紀錄(薰煙紙)最早可追朔至1902年3月1日台南測候所大森式地震儀東西向紀錄(19020301_TAI_O1)，報告附錄波形紀錄相片與手描繪波形紀錄最早可追朔至1900年6月29日台南測候所格雷－米爾恩型地震儀所收錄的紀錄(19000629_TAI_G1)。

二、本計畫改善以往類比式地震紀錄數位化程序，以掃描儀代替數位板方式，採

用300 dpi解析度將整張紀錄轉化為影像檔，分別以TIFF與JPG格式儲存，以利後續資料處理、波形紀錄儲存與成果展示。數化成影像檔後採用地理資訊

系統軟體進行點圖，將類比式紀錄轉換為數位式紀錄。

三、尚未進行分類的波形紀錄仍有相當多，同時台北以外的測站仍存放部分波形

紀錄，未來將持續整理與分類相關的波形紀錄。這些歷史地震波形紀錄相當

寶貴，部分資料年齡已超過百年，後續將整理出更多的紀錄，為利於日後查

詢使用並存放這些寶貴的資料，建議地震中心宜規劃儲存與展示空間。

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表3、目前已整理波形紀錄一覽表 地震儀 波形紀錄編號 備註 格雷米

爾恩型 19000629_TAI_G1, 19040424_TAI_G1, 19040502_TAI_G1, 19040629_TAI_G1, 19041106_TAI_G1, 19060317_TAI_G1, 19060317_PNG_G1

7 張

大森式 19020301_TAI_O1, 19020310_TAI_O1, 19020320_TAI_O1, 19020322_TAI_O1, 19020328_TAI_O1, 19020407_TAI_O1, 19020804_TAI_O1, 19021010_TAI_O1, 19021121_TAI_O1, 19021206_TAI_O1, 19030203_TAI_O1, 19030227_TAI_O1, 19030621_TAI_O1, 19030907_TAI_O1, 19030925_TAI_O1, 19031101_TAI_O1 19041106_TAP_O1, 19041106_TCU_O1, 19041106_TAI_O1, 19041106_PNG_O1, 19041106_TTN_O1, 19060121_TAP_O1, 19080111_TCU_O1, 19080111_TTN_O1, 19080111_HEN_O1, 19350421_PNG_O1, 19350717_PNG_O1

27 張

強震式 19350421_TAP_S1, 19350421_TCU_S1, 19350421_HWA_S1, 19350421_ALS_S1, 19350421_HEN_S1, 19350421_KAU_S1, 19350421_PNG_S1, 19350421_TAI_S1, 19350717_TAP_S1, 19350717_TCU_S1, 19350717_TAI_S1, 19350717_HWA_S1, 19350717_ALS_S1, 19350717_HEN_S1, 19350717_KAU_S1, 19370330_TAI_S1, 19371213_TAI_S1, 19390516_TAI_S1, 19421207_TAI_S1, 19431202_TAI_S1, 19440205_TAI_S1, 19440206_TAI_S1, 19440207_TAI_S1, 19440208_TAI_S1, 19440213_TAI_S1, 19440312_TAI_S1, 19440313_TAI_S1, 19440315_TAI_S1, 19451109_TAI_S1, 19460113_TAI_S1, 19460603_TAI_S1, 19460909_TAI_S1, 19461216_TAI_S1, 19461219_TAI_S1, 19461221_TAI_S1, 19470402_TAI_S1, 19481206_TAI_S1

37 張

衛赫式 19390426_TAI_W2, 19390501_TAI_W2, 19390502_TAI_W2, 19360516_TAI_W2, 19431123_TAI_W2, 19431125_TAI_W2, 19440206_TAI_W2, 19440208_TAI_W2, 19440209_TAI_W2, 19440301_TAI_W2, 19440305_TAI_W2, 19440311_TAI_W2, 19440313_TAI_W2, 19440315_TAI_W2, 19460316_TAI_W2, 19460421_TAI_W2, 19460912_TAI_W2, 19460602_TAI_W2, 19530103_TAI_W1, 19530103_TAI_W2, 19530105_TAI_W2, 19530105_TAI_W1, 19530112_TAI_W1, 19530112_TAI_W2, 19530113_TAI_W2, 19530114_TAI_W2, 19530115_TAI_W2, 19530116_TAI_W2, 19530116_TAI_W1, 19530121_TAI_W2, 19530123_TAI_W1, 19530131_TAI_W1, 19530210_TAI_W2, 19530211_TAI_W2, 19530212_TAI_W2, 19530215_TAI_W2, 19530226_TAI_W2, 19530303_TAI_W2, 19530304_TAI_W2, 19530304_TAI_W1, 19530205_TAI_W1, 19530205_TAI_W2, 19530206_TAI_W1, 19530306_TAI_W2, 19530307_TAI_W1, 19530307_TAI_W2, 19530308_TAI_W2, 19530311_TAI_W2, 19530315_TAI_W2, 19530322_TAI_W2, 19530322_TAI_W1, 19530324_TAI_W2, 19530403_TAI_W1, 19530405_TAI_W2, 19530405_TAI_W1, 19530410_TAI_W1, 19530411_TAI_W2, 19530419_TAI_W2, 19530424_TAI_W2, 19530504_TAI_W2, 19530511_TAI_W2, 19530601_TAI_W2, 19530603_TAI_W2, 19530603_TAI_W1, 19530604_TAI_W2, 19530615_TAI_W2, 19530625_TAI_W2, 19530626_TAI_W2, 19530701_TAI_W2, 19530702_TAI_W2, 19530716_TAI_W2, 19530716_TAI_W1, 19530717_TAI_W2, 19530721_TAI_W2, 19530722_TAI_W2, 19530726_TAI_W1, 19530726_TAI_W2, 19530731_TAI_W2, 19530815_TAI_W2, 19530822_TAI_W2, 19530822_TAI_W1, 19530831_TAI_W2, 19530901_TAI_W2, 19530909_TAI_W2, 19530910_TAI_W1, 19530910_TAI_W2, 19530912_TAI_W2, 19530918_TAI_W2, 19530929_TAI_W2, 19530929_TAI_W1, 19531011_TAI_W2, 19531028_TAI_W2, 19531112_TAI_W2, 19531107_TAI_W2, 19531107_TAI_W1, 19531101_TAI_W2, 19531101_TAI_W1, 19531102_TAI_W2, 19531103_TAI_W2, 19531104_TAI_W2, 19531105_TAI_W2, 19531106_TAI_W2, 19531126_TAI_W2, 19531201_TAI_W2, 19531202_TAI_W2, 19531208_TAI_W2, 19531211_TAI_W1, 19531213_TAI_W2, 19531214_TAI_W1, 19531215_TAI_W2, 19350717_TAI_W1, 19351218_TAI_W2, 19351002_TAI_W2, 19351130_TAI_W2, 19350904_TAI_W2, 19350904_TAI_W1, 19350222_TAI_W2, 19360721_TAI_W1, 19360721_TAI_W2, 19360207_TAI_W2, 19360401_TAI_W2, 19360401_TAI_W1, 19360516_TAI_W2, 19360427_TAI_W2, 19360427_TAI_W1, 19360516_TAI_W1, 19361130_TAI_W1, 19360919_TAI_W1, 19360919_TAI_W2, 19371213_TAI_W1, 19371217_TAI_W1, 19381207_TAI_W2, 19381222_TAI_W2, 19381209_TAI_W2, 19381209_TAI_W1, 19381207_TAI_W1, 19381106_TAI_W2, 19380616_TAI_W2, 19381107_TAI_W2, 19381105_TAI_W2, 19381105_TAI_W2, 19380914_TAI_W2, 19380907_TAI_W2, 19380907_TAI_W1, 19381013_TAI_W2, 19380907_TAI_W2, 19380901_TAI_W2, 19380918_TAI_W2, 19381207_TAI_W1, 19381207_TAI_W2, 19381222_TAI_W1, 19380401_TAI_W2, 19380610_TAI_W2, 19380610_TAI_W1, 19380621_TAI_W2, 19381119_TAI_W2, 19390516_TAI_W2, 19391107_TAI_W2, 19390116_TAI_W2, 19411217_TAI_W11, 19411218_TAI_W1, 19411217_TAI_W12, 19410626_TAI_W2, 19410622_TAI_W2, 19411001_TAI_W2, 19411026_TAI_W1, 19411109_TAI_W2, 19411119_TAI_W2, 19411119_TAI_W1, 19420924_TAI_W2, 19420109_TAI_W1, 19420109_TAI_W2,

201 張

384

19420305_TAI_W2, 19420325_TAI_W2, 19420325_TAI_W1, 19421021_TAI_W2, 19421106_TAI_W2, 19421107_TAI_W2, 19441207_TAI_W1, 19440918_TAI_W2, 19441017_TAI_W1, 19441017_TAI_W2, 19441103_TAI_W1, 19440311_TAI_W2, 19440315_TAI_W2, 19440119_TAI_W2, 19440206_TAI_W1, 19440206_TAI_W2, 19440207_TAI_W2, 19440208_TAI_W2, 19440209_TAI_W2, 19440213_TAI_W1, 19440213_TAI_W2, 19440205_TAI_W2, 19440205_TAI_W1, 19440206_TAI_W2, 19440410_TAI_W2, 19440405_TAI_W1, 19440207_TAI_W1, 19461220_TAI_W1, 19461220_TAI_W2,

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