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这样一来，日军的兵力优势就不复存在了。甚至形成了防御方兵力大于攻击方的反常情形。意识到危险的大本营决定紧急进行弥补。
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9月1日，大本营正式决定组建第一军司令部，统一指挥第三、第五两个师团，并额外加强重炮部队和野战通信部队。同时决定将第三师团一半的兵力海运元山，归野津道贯统一指挥，以尽量形成一线兵力优势。[22]
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但野津不敢等待相关兵力集结完毕，故而，他仅带上了其中的一小部分兵力，这就是第四路日军——元山支队，该支队兵力4 700余人，携75毫米山炮18门。由佐藤正步兵大佐指挥。从元山登陆后西行，经阳德、成川至顺安，截断作为清军退路的平壤西北大道，然后分出一半兵力南下，加强朔宁支队，攻击平壤城北。[23]从而形成了如下表所示的四路进军格局：[24]
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①大岛旅团另有2门在成欢之战中缴获的清军火炮，并用于对平壤的攻击，但口径不详。见《日清战争实记》选译。《续编·中日战争》，第8册，第35页。
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各军定于9月15日上午7时，分从南、北、西三方面，对平壤城发起总攻击。其要点有二：
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其一：平壤地势北高南低，一旦日军控制玄武门外制高点牡丹台，居高临下，架炮上山，即可形成极大之战术优势。
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其二：平壤城东、南均为大同江环绕，一旦日军在北、西两面形成严密包围圈，即可：或迫使清军向西、北方向突围；或以大同江为地理障碍压迫清军至江畔全歼。
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此计划如能实现，清军必遭歼灭性打击。但是，从元山至平壤城西直线距离约160公里，从元山至汉城直线距离约180公里，从汉城至平壤直线距离约200公里，其间山河纵横，行军难度极大，日军在此近万平方公里的广大区域内，兵分四路，分别迫近平壤城之南、西、北三个方向。风险性之高，不言自明。何况日军一线兵力虽然增加到17 000余人（其中直接参与攻击平壤城的总兵力15 000人），并对平壤清军形成了双重包围圈，但一线兵力优势依然非常微弱，且将面临新的后勤挑战。
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反观清军一方，仅在大岛旅团的进军路线上设置了若干警戒前哨，故而，其对大岛旅团的行踪较为了解，对其他几股日军则不甚明了。好在朝鲜地方官员和民众一再提供日军情报，有效地弥补了清军的短板。但清军主力始终坚守平壤，仅在9月7日晨派出7 000余人南下至中和，相机迎击。不料至中和后，“天气已晚，遂相度地势，各分扎要隘。夜越三更，忽言敌至。黑夜昏昏，不辨东南，竞施放各枪炮，不问敌在何方。彼此自攻，互相击杀，混击一时许，带伤者、击毙者兼有之。及闻确报，始知敌人尚远。”[25]对战的实为夜间出哨之盛军与毅军，“两阵死者凡二十人，伤者百人”。[26]清军士气为之大挫，旋即撤回平壤。
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9月11日（八月十二日），清军已大致查明三路日军的方位和前哨位置。[27]9月12日（八月十三日）8时，朔宁支队前卫部队与北线清军前哨部队交火。[28]9时25分，大岛旅团前卫部队与清军南线前哨部队交火。[29]黄昏时分，朔宁支队与元山支队取得联络。当晚，配属师团主力的骑兵队渡过了大同江。
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13日，叶志超召集诸将会议，布置防务，划分各军防区。叶志超首先宣读了李鸿章的指示：“倭情诡诈，必须严防。”然后会商决定各部任务分配如下：[30]
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⑦按左宝贵军入朝者共9个营（6个步营、2个马营、1个炮营），除去3个营被调往后方保护后路安全外，尚余3个步营、2个马营、1个炮营。以往史书多称左宝贵率3营守城北，当仅计算了步营数量。
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同一天，野津道贯派出30名骑兵，一日内狂奔疾驰60公里，14日又继续强行军，这才勉强和元山支队建立起联络。[31]但这个联络显然只具备象征意义，在此间近百公里的崎岖战线上，区区30名骑兵显然连一条完整的搜索线都无法维持。同样是在13日，元山支队占领了平壤以北20公里处的顺安，切断了清军的兵站线。但第五师团主力却直到计划中的总攻时间（9月15日早晨7时），仍在途中跋涉。
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14日，元山支队与北线清军巡逻队交火。[32]当日晚，野津道贯、立见尚文和大岛义昌之间，终于通过传令兵建立起初步联系，但这个联系非常微弱。针对平壤城之完密包围圈更未能建立。
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至15日14时许，师团主力仍未抵达平壤城西，而城北、城南的战斗愈趋激烈。在得到卫汝贵部增援的情况下，马玉崑不仅守住了大同江东岸的阵地，而且给当面日军造成了较大的杀伤。（在当天的战斗中，大岛旅团的伤亡率接近12%）但城北的战斗则渐趋于对日军有利。野津道贯受限于通信手段，根本不清楚各处战况，但他肯定清楚的一点是：日军的战斗已变成几个方向上的零星攻击，完全没有起到预计的合击效果。对此，野津又急又怒，“咬牙切齿”地对部下说：“我今率兵于千里之外与敌作战，蕞尔此城也不能攻占，我有何颜归国进谒我天皇陛下？我意已决，在明日的战斗中，全军一齐进逼平壤城下，冒敌弹，攀胸墙，胜败在此一举。如若我军幸而得占城池，我愿足矣；如若不幸失败，平壤城下乃我的坟墓。”[33]
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但是，立见尚文率领的朔宁—元山混合部队，成功夺取了牡丹台和玄武门，形成了居高临下，俯视平壤城的态势。清军猛将左宝贵亦在此战中阵亡。城北高地的失守和左宝贵之阵亡，极大地动摇了守军的士气和斗志。南线清军被迫放弃追击。叶志超和诸将匆忙会商后，决定连夜弃城逃走。
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当晚，清军自20时起，冒大雨分从城西和城北撤离，旋即遭到城外高地上日军的火力拦击，至天明，战场上除被击毙的死人死马及被俘清军外，已无清军踪影。拂晓时分城北日军自玄武门率先入城。7时，师团主力自静海门入城。10时，城南日军自朱雀门入城。
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平壤战役至此结束，清军共计伤亡约2 000人（阵亡者中包括盛宣怀的弟弟盛星怀），另有683人被俘。[34]日军则伤亡失踪共计698人，其中战死180人，受伤506人，失踪12人。[35]清军伤亡中的约1 500人和几乎所有俘虏都是当晚撤退时造成的。而日军死者中的140人、伤者中的290人是大岛旅团15日在大同江东岸激战中的损失。另日军此战缴获物资甚丰，主要物资有：火炮35门，步枪1 000余支，炮弹792发，子弹56万发，行军帐篷1 092顶，军用锅354口，各种粗细杂粮4 700石，大车156辆，乘马及驮马250匹，金砖43公斤，金锭等53公斤，银锭540公斤。[36]
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事后回顾，可以很清晰地看出，平壤会战分为两个阶段：
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第一阶段（9月1日—9月11日），日军循战场外线机动，相互失去联络。
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第二阶段（9月12日—9月15日），各路日军逐渐建立初步联络，并对清军发起围攻。
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这就引出了三个问题：
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