基于Argo資料的西北太平洋海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征分析

吳鈴蔚，凌 征*

(1. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

基于Argo資料的西北太平洋海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征分析

吳鈴蔚1，2，凌 征*1，2

(1. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

基于1996—2012年西北太平洋Argo剖面浮標(biāo)鹽度觀測(cè)資料，利用合成分析方法研究了海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征。結(jié)果表明海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)具有明顯的非對(duì)稱性：臺(tái)風(fēng)過(guò)后其路徑右側(cè)的海表面鹽度顯著上升；左側(cè)的則在R50內(nèi)上升，R50外區(qū)域普遍下降。進(jìn)一步分析顯示臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、移動(dòng)速度和海洋混合層深度對(duì)海表面鹽度響應(yīng)特征均有較大影響。強(qiáng)度大或移動(dòng)緩慢的臺(tái)風(fēng)能造成大范圍的海表面鹽度上升；強(qiáng)度小或移動(dòng)快速的臺(tái)風(fēng)只在路徑右側(cè)造成海表面鹽度上升，左側(cè)的則普遍下降。夏季(6-9月)臺(tái)風(fēng)過(guò)后，海表面鹽度在混合層淺的區(qū)域普遍大幅上升，在混合層深的區(qū)域則在臺(tái)風(fēng)路徑左右兩側(cè)2R50范圍內(nèi)小幅上升，在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)路徑左側(cè)區(qū)域下降。

海表面鹽度；Argo 剖面浮標(biāo)；臺(tái)風(fēng)；混合層深度

0 引言

上層海洋與臺(tái)風(fēng)的相互作用在過(guò)去的幾十年中備受關(guān)注[1-8]，這種相互作用對(duì)上層海洋的熱量交換、動(dòng)力過(guò)程以及生物過(guò)程意義重大。以往海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的研究主要集中于海表面溫度、環(huán)流、淡水通量以及葉綠素等要素[4,6,8-14]，而對(duì)于鹽度，由于觀測(cè)資料的匱乏，其對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的研究相對(duì)較少。

臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí)海表面鹽度主要受以下4個(gè)過(guò)程影響：降水、蒸發(fā)、混合和Ekman抽吸。在這4個(gè)過(guò)程中，只有降水會(huì)造成海表面鹽度下降，其他3個(gè)過(guò)程均會(huì)使海表面鹽度增加，因此海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)取決于以上4個(gè)過(guò)程最終的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果[15]。KOWN和RISER[16]利用PALACE型浮標(biāo)發(fā)現(xiàn)大西洋颶風(fēng)“Dennis”使混合層內(nèi)鹽度增加了0.24，他們認(rèn)為強(qiáng)烈的風(fēng)暴引起的近表層蒸發(fā)及更深層高鹽水的涌升是造成鹽度上升的主要原因；而許東峰 等[15]根據(jù)Argo浮標(biāo)得到的次表層鹽度剖面發(fā)現(xiàn)大多數(shù)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)西北太平洋暖池區(qū)時(shí)會(huì)引起鹽度下降，他們認(rèn)為熱帶氣旋帶來(lái)的淡水輸入有利于鹽度的下降，同時(shí)降水也會(huì)抑制臺(tái)風(fēng)引起的混合作用。劉增宏 等[17]對(duì)西北太平洋Argo浮標(biāo)觀測(cè)資料的分析結(jié)果顯示臺(tái)風(fēng)造成的混合層鹽度變化在臺(tái)風(fēng)軌跡兩側(cè)基本呈對(duì)稱分布；而JACOB和KOBLINSKY[18]利用HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)模式則發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)路徑右側(cè)鹽度下降更多，和溫度一樣存在明顯的右偏現(xiàn)象。

綜上所述，受到鹽度觀測(cè)數(shù)據(jù)的制約，以往海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的研究多局限于個(gè)例研究和數(shù)值模擬，且結(jié)論存在較大分歧。近年來(lái)，隨著全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)的全面建成，上層海洋鹽度資料大大增加，為研究上層海洋鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)提供了良好的契機(jī)。本文通過(guò)合成分析西北太平洋1996—2012年這17 a內(nèi)臺(tái)風(fēng)前后的Argo剖面浮標(biāo)鹽度觀測(cè)資料，揭示了西北太平洋海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征，同時(shí)分析了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、移動(dòng)速度以及混合層深度對(duì)海表面鹽度變化的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 臺(tái)風(fēng)資料

臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)采用日本氣象廳(http:∥www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/trackarchives.html)1996—2012 年的臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料，該數(shù)據(jù)集包含了每6 h 1次的臺(tái)風(fēng)中心位置、最大風(fēng)速以及50 kn(約25.7 m/s)風(fēng)速長(zhǎng)半徑(R50)等信息。為了對(duì)不同強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)作標(biāo)準(zhǔn)化處理，我們僅使用最大風(fēng)速在50 kn及以上的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程使用R50來(lái)歸一化Argo剖面距離臺(tái)風(fēng)中心的距離。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1996—2012年間西北太平洋共有258個(gè)臺(tái)風(fēng)(圖1)滿足上述要求。

圖1 1996—2012 年間西北太平洋臺(tái)風(fēng)路徑(實(shí)線)、Argo剖面分布(紅點(diǎn))和夏季(6—9月)平均混合層深度Fig. 1 Typhoon tracks (solid lines) , locations of Argo profiling floats (red dots) and summer mean mixed layer depth in Northwest Pacific during 1996-2012

1.2 Argo 浮標(biāo)資料

Argo浮標(biāo)資料取自中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心(http://www.argo.org.cn/)，所有的剖面數(shù)據(jù)在發(fā)布之前都已經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)和延時(shí)質(zhì)量控制[19]。1996—2012年間，西北太平洋共有111 773個(gè)Argo浮標(biāo)剖面。本文對(duì)臺(tái)風(fēng)引起的海表面鹽度變化特征的合成分析基于臺(tái)風(fēng)前后的Argo剖面對(duì)，選取時(shí)基于以下4個(gè)原則：(1)本文的研究區(qū)域著重在深海大洋，故僅保留觀測(cè)深度大于1 000 m的剖面[20]；(2)沿臺(tái)風(fēng)路徑及垂直于臺(tái)風(fēng)路徑方向上，Argo剖面與臺(tái)風(fēng)中心的距離均在5R50以內(nèi)；(3)臺(tái)風(fēng)前后的Argo剖面對(duì)之間的距離必須小于200 km，以減小由于海洋背景場(chǎng)空間變化所造成的差異[20]；(4)時(shí)間窗口為臺(tái)風(fēng)前10 d之內(nèi)[20]和臺(tái)風(fēng)后3 d之內(nèi)。根據(jù)以上采樣原則，從滿足條件的258個(gè)臺(tái)風(fēng)中共挑選出955對(duì)剖面，其中647對(duì)剖面在臺(tái)風(fēng)期間觀測(cè)到了海表面(5 m)鹽度數(shù)據(jù)(圖1)。

1.3 混合層深度資料

氣侯態(tài)混合層深度數(shù)據(jù)采用亞太數(shù)據(jù)研究中心 (http://apdrc.soest.hawaii.edu/data/data.php) 提供的基于溫度判據(jù)的氣侯態(tài)數(shù)據(jù)集，空間分辨率為1/2°×1/2°。西北太平洋夏季(6—9月)平均混合層深度空間分布特征如圖1所示。

1.4 風(fēng)場(chǎng)資料

海面風(fēng)場(chǎng)資料取自美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心(http://www.ncdc.noaa.gov/data-access/marineocean-data/blended-global/blended-sea-winds)提供的距海表面10 m高度上的風(fēng)場(chǎng)，為多衛(wèi)星融合的逐日格點(diǎn)數(shù)據(jù)，空間分辨率為1/4°×1/4°。

1.5 合成分析方法

本文采用HART et al[21]的合成分析方法研究海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征。根據(jù)Argo剖面對(duì)在沿著臺(tái)風(fēng)路徑方向和垂直于臺(tái)風(fēng)路徑方向距離相應(yīng)臺(tái)風(fēng)中心的距離，利用BARNES[22]于1964年提出的空間插值方法(又稱高斯加權(quán)客觀分析方法)，將各臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的Argo剖面對(duì)觀測(cè)到的海表面鹽度變化插值到規(guī)則的網(wǎng)格上，最后得到海表面鹽度變化的平面分布圖。該網(wǎng)格以臺(tái)風(fēng)中心為中心，在沿著臺(tái)風(fēng)路徑及垂直于臺(tái)風(fēng)路徑方向各取10R50，格距為R50。使用Barnes插值方法時(shí)，選取各向同性的影響半徑為2R50，這樣可以對(duì)鹽度異常場(chǎng)進(jìn)行一定程度的平滑，以濾去因合成方法帶來(lái)的小尺度噪聲。

2 結(jié)果

2.1 海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的基本響應(yīng)特征

利用Argo剖面浮標(biāo)在臺(tái)風(fēng)前后的海表面鹽度觀測(cè)值，合成分析了西北太平洋海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的基本響應(yīng)特征。如圖2所示，臺(tái)風(fēng)在其路徑右側(cè)引起了海表面鹽度的顯著上升，其范圍達(dá)到了5R50(R50的平均值為158 km)；其中，上升最顯著之處位于臺(tái)風(fēng)中心右后方(2R50，-1R50)處，幅度達(dá)到了0.03。在臺(tái)風(fēng)路徑左側(cè)，海表面鹽度在R50范圍內(nèi)上升而在R50外區(qū)域普遍下降。出現(xiàn)海表面鹽度響應(yīng)這種左右不對(duì)稱現(xiàn)象的原因在于臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)具有右偏性[5]，即右側(cè)風(fēng)場(chǎng)較強(qiáng)(圖2)，更容易將下層高鹽水通過(guò)混合等作用帶到海表，從而使得海表面鹽度上升；而在左側(cè)R50以外區(qū)域由于風(fēng)場(chǎng)較弱，混合等作用引起的鹽度上升小于降水造成的鹽度下降，最終引起海表面鹽度下降。

2.2 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)海表面鹽度變化的影響

為分析臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)海表面鹽度變化的影響，將臺(tái)風(fēng)分為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(最大風(fēng)速>36 m/s)和弱臺(tái)風(fēng)(最大風(fēng)速<36 m/s)，兩類臺(tái)風(fēng)影響下的剖面對(duì)分別為357和290對(duì)。圖3a顯示，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)造成了海表面鹽度大范圍顯著上升，且具有明顯的右偏性，臺(tái)風(fēng)中心右側(cè)且垂直于臺(tái)風(fēng)路徑方向R50處上升幅度最大，達(dá)到了0.05。這說(shuō)明，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)情況下，蒸發(fā)、混合和Ekman

圖2 合成的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)(箭頭)和臺(tái)風(fēng)引起的海表面鹽度變化Fig. 2 Compositive wind field of typhoon (vector) and sea surface salinity variation induced by typhoons

抽吸引起的海表面鹽度上升的幅度在臺(tái)風(fēng)左右兩側(cè)均要大于降水導(dǎo)致的鹽度下降的幅度，且在右側(cè)更大。當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較小時(shí)，只在其路徑右側(cè)引起海表面鹽度的小幅上升，其中相對(duì)顯著的上升區(qū)域位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)(4R50,-1R50)處，幅度僅為0.02；其路徑左側(cè)海表面鹽度在臺(tái)風(fēng)過(guò)后則普遍下降(圖3b)。由此可見(jiàn)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)較弱時(shí)，由于其路徑左側(cè)風(fēng)場(chǎng)較弱，故影響海表面鹽度變化的4個(gè)過(guò)程中降水起主導(dǎo)作用；而在路徑右側(cè)，在相對(duì)較強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)作用下，其余三者的影響要略強(qiáng)于降水的作用，導(dǎo)致海表面鹽度小幅升高。

圖3 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(a)和弱臺(tái)風(fēng)(b)引起的海表面鹽度變化Fig. 3 Sea surface salinity variation induced by strong(a) and weak(b) typhoons

2.3 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)海表面鹽度變化的影響

為分析臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)海表面鹽度變化的影響，將臺(tái)風(fēng)分為快速移動(dòng)臺(tái)風(fēng)(移動(dòng)速度>6 m/s)和緩慢移動(dòng)臺(tái)風(fēng)(移動(dòng)速度<6 m/s)，兩者影響下的剖面對(duì)分別為316和331對(duì)。如圖4a所示，當(dāng)臺(tái)風(fēng)快速移動(dòng)時(shí)，只在其路徑右側(cè)出現(xiàn)海表面鹽度升高且幅度較小，最大升幅為0.02，位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)3R50附近；路徑左側(cè)海表面鹽度則普遍顯著下降。據(jù)此可見(jiàn)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)快速移動(dòng)時(shí)，由于其在海洋上空作用時(shí)間較短，同時(shí)路徑左側(cè)風(fēng)速又相對(duì)較小，故降水造成的鹽度下降過(guò)程占主導(dǎo)地位；而在其路徑右側(cè)，相對(duì)較強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)作用彌補(bǔ)了由于臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間較短的不足，蒸發(fā)、混合和Ekman抽吸的作用加強(qiáng)，引起海表面鹽度上升。當(dāng)臺(tái)風(fēng)緩慢移動(dòng)時(shí)，海表面鹽度出現(xiàn)大范圍的上升，其中上升幅度在臺(tái)風(fēng)中心右后方(2R50，-1R50)處最大，達(dá)到了0.05(圖4b)。這是由于臺(tái)風(fēng)在海洋上空作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，海洋上層得到充分混合,次表層的高鹽水進(jìn)入混合層，從而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)中心附近海域出現(xiàn)大范圍的海表面鹽度升高。

圖4 快速移動(dòng)臺(tái)風(fēng)(a)和緩慢移動(dòng)臺(tái)風(fēng)(b)引起的海表面鹽度變化Fig. 4 Sea surface salinity variation induced by fast(a) and slow(b) moving typhoons

2.4 混合層深度對(duì)海表面鹽度變化的影響

海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)，除了受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和移動(dòng)速度影響外，也受到海洋鹽度層結(jié)的影響。根據(jù)氣侯態(tài)月均混合層深度數(shù)據(jù)，西北太平洋夏季(6—9月)各月混合層分布較為一致(圖略)，且平均混合層深度的空間分布表現(xiàn)出明顯的南北向梯度(圖1)：相比25°N以北，25°N以南的混合層顯著加深，其平均值分別為22.5 m 和41.4 m。此外，6—9月是西北太平洋臺(tái)風(fēng)的高發(fā)季節(jié),在挑選的258個(gè)臺(tái)風(fēng)中，有172個(gè)發(fā)生在此期間。 因此，取6—9月作為研究的時(shí)間范圍，同時(shí)將西北太平洋進(jìn)一步劃分為兩個(gè)子海盆：25°N以北和25°N以南。據(jù)統(tǒng)計(jì)，分別有246和198對(duì)剖面位于上述兩個(gè)子海盆。如圖5a所示，在混合層較淺的區(qū)域，由于次表層高鹽水更容易在臺(tái)風(fēng)作用下被卷入混合層，臺(tái)風(fēng)過(guò)后海表面鹽度普遍較大幅度上升，其中上升最明顯的區(qū)域位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)距其R50的條帶上。在混合層較深的區(qū)域，臺(tái)風(fēng)過(guò)后其路徑右側(cè)及左側(cè)2R50以內(nèi)區(qū)域海表面鹽度小幅升高，其中升高最大值位于臺(tái)風(fēng)中心右側(cè)(2R50，0)處，僅為0.02；而左側(cè)遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的海表面鹽度則普遍下降(圖5b)。相比于混合層較淺的區(qū)域，海表面鹽度升高的幅度在混合層較深的區(qū)域略小，這是由于較深的混合層抑制了次表層高鹽水進(jìn)入混合層。

圖5 25°N以北(a)和25°N以南(b)臺(tái)風(fēng)引起的海表面鹽度變化Fig. 5 Sea surface salinity variation induced by typhoons located in north(a) and south(b) of 25°N

3 小結(jié)

本文利用1996—2012年的Argo剖面浮標(biāo)鹽度觀測(cè)資料，分析了西北太平洋海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征。結(jié)果表明海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)具有明顯的非對(duì)稱性：臺(tái)風(fēng)過(guò)后其路徑右側(cè)的海表面鹽度顯著上升，上升幅度最大處位于臺(tái)風(fēng)中心右后方；路徑左側(cè)的海表面鹽度則在R50內(nèi)上升而在R50以外區(qū)域普遍下降。該特征與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)具有右偏性相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而說(shuō)明強(qiáng)風(fēng)引起的混合、卷夾等作用是引起海表面鹽度增大的主要原因。

進(jìn)一步分析表明，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、移動(dòng)速度以及混合層深度對(duì)海表面鹽度響應(yīng)均有較大影響。對(duì)于強(qiáng)度較大或緩慢移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)而言，臺(tái)風(fēng)能夠造成大范圍的海表面鹽度上升；而強(qiáng)度較弱或快速移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)過(guò)后，只在其路徑右側(cè)出現(xiàn)海表面鹽度上升，路徑左側(cè)的海表面鹽度則普遍下降。混合層深度對(duì)海表面鹽度的變化也有重要影響。在混合層較淺的區(qū)域，由于次表層高鹽水更容易在臺(tái)風(fēng)作用下卷入混合層，臺(tái)風(fēng)過(guò)后海表面鹽度普遍大幅度上升；在混合層較深的區(qū)域，海表面鹽度在其路徑右側(cè)和左側(cè)2R50范圍內(nèi)上升，但幅度較小，在左側(cè)遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的區(qū)域則下降。

以上結(jié)果表明，由于Argo浮標(biāo)在臺(tái)風(fēng)等極端惡劣天氣條件下也能夠正常工作，故Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)能夠很好地用于研究上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征。未來(lái)隨著Argo浮標(biāo)資料的積累和更高時(shí)空分辨率Argo浮標(biāo)資料的獲取，我們必定能夠更全面地理解臺(tái)風(fēng)條件下的海-氣相互作用過(guò)程，對(duì)上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)情況有一個(gè)更加深入的了解。

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Analysis of sea surface salinity response to typhoon in the Northwest Pacific based on Argo data

WU Ling-wei1,2, LING Zheng* 1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentalDynamics,Hangzhou310012,China; 2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

Based on sea surface salinity (SSS) observations from Argo profiling floats during 1996—2012, SSS response to typhoons was analyzed by a synthetic analytical method. The results show that there exists an apparent asymmetry in the SSS response to typhoons: the SSS on the right side of the track increases markedly, however on the left side，it increases within radius of 50 knots wind speed (R50) while decreases outside theR50. Further analyses indicate that intensity, translation speed of typhoon and ocean mixed layer depth all have significant impacts on the SSS response. Strong or slow moving typhoons can produce SSS rises in a large area, whereas SSS increases (decreases) on the right (left) side of the track during the period of weak or fast moving typhoons. In summer (Jun.-Sep.), SSS generally rises more in magnitude and area after the passage of typhoon in regions of shallow mixed layer than in deep one，where SSS rises slightly within radius of 2R50and decreases on the left side far away from typhoon track.

sea surface salinity; Argo profiling floats; typhoon; mixed layer depth

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.001.

2015-04-10

2015-05-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助(2013CB430301)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41306024，41206002)；國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目資助(JT1301)

吳鈴蔚(1989-)，女，浙江桐廬縣人，主要從事海-氣相互作用研究。E-mail: wulingwei@126.com

*通訊作者:凌征(1981-),男，助理研究員，湖南醴陵市人，主要從事海洋環(huán)流和海-氣相互作用研究。E-mail:lingzheng@sio.org.cn

P731.12

A

1001-909X(2015)03-0001-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.001

吳鈴蔚，凌征. 基于Argo資料的西北太平洋海表面鹽度對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征分析[J]. 海洋學(xué)研究,2015,33(3):1-6,

WU Ling-wei, LING Zheng. Analysis of sea surface salinity response to typhoon in the Northwest Pacific based on Argo data[J]. Journal of Marine Sciences, 2015, 33(3):1-6, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.001.