海南島東南近岸海浪觀測及統(tǒng)計特征*

李淑江，李澤文，范 斌，高秀敏，徐曉慶，滕 涌，葉 欽

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.華能新能源股份有限公司，北京 100097；3.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

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海南島東南近岸海浪觀測及統(tǒng)計特征*

李淑江1，李澤文2，范 斌1，高秀敏1，徐曉慶1，滕 涌1，葉 欽3

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.華能新能源股份有限公司，北京 100097；3.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

根據(jù)2012-2013年海南島東南近岸整年海浪觀測資料，初步分析了觀測海域的海浪季節(jié)變化和統(tǒng)計特征。觀測結(jié)果表明，觀測海域年平均有效波高為1.28 m，常浪向為東向(E)，平均跨零周期為5.1 s。觀測海域波浪存在顯著季節(jié)變化特征，主要表現(xiàn)為冬季型和夏季型兩種波浪類型。對比觀測期間影響觀測海域的臺風(fēng)，發(fā)現(xiàn)從觀測海域南部經(jīng)過的臺風(fēng)“山神”對觀測海域的影響遠(yuǎn)大于從北部經(jīng)過的臺風(fēng)“啟德”。臺風(fēng)“山神”使觀測海域的波高和周期同步迅速升高到最大值5.77 m和7.8 s，但波向滯后約12 h從東向(E)轉(zhuǎn)為偏南向(SSE)。受該臺風(fēng)影響，各頻率和各方向上的能量都迅速增加，譜峰值由高頻向低頻轉(zhuǎn)換，方向譜由單峰結(jié)構(gòu)向雙峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，即臺風(fēng)導(dǎo)致了觀測海域一支偏南向(SSE)浪的出現(xiàn)。

海南島；海浪觀測；平均持續(xù)時間；臺風(fēng)；海浪譜

海南島地處南海西北部，其東南方向面向開闊的南海，水深由陸架淺水迅速下降到1 000 m，因此其東南近岸波浪受南海影響顯著。南海地處東亞季風(fēng)區(qū)，冬季盛行東北風(fēng)，夏季盛行西南風(fēng)，東北季風(fēng)盛行時間明顯長于西南季風(fēng)，風(fēng)速也強(qiáng)于夏季。除季風(fēng)影響外，南海北部還經(jīng)常遭受臺風(fēng)和寒潮的襲擊，造成波浪極大值的出現(xiàn)。這些臺風(fēng)主要由西太平洋和南海當(dāng)?shù)責(zé)釒У蛪喊l(fā)展而成，每年夏秋季節(jié)臺風(fēng)活動頻繁，平均每年9個臺風(fēng)會影響到南海，約1～2個臺風(fēng)會在海南島登陸[1-2]。每年9月至次年4、5月，平均有50次寒潮進(jìn)入南海，也會影響到南海海浪的發(fā)展[3-4]。

無論早期觀測還是數(shù)值模擬都表明[4-7]，南海風(fēng)浪受季風(fēng)的影響，存在顯著的季節(jié)變化特征。冬季，南海幾乎以東北向(NE)浪為主，夏季多為西南向(SW)浪，春季和秋季為轉(zhuǎn)換季節(jié)，且冬季波高較大，夏季較小。受風(fēng)區(qū)和水深的限制，海南島周邊海域海浪存在西低東高，北低南高的特征[3-5]。早期船報資料和數(shù)值模擬都表明，海南島東南附近海域是南海極值波高最大的海域，其中早期船舶資料測得最大波高達(dá)到14.3 m[3]，數(shù)模得到百年一遇極值波高超過18 m[5]，如此大的波高，足以對沿海農(nóng)田、水利、工程設(shè)施等產(chǎn)生巨大的威脅，但附近海域缺乏長時間連續(xù)的波浪觀測，因此對該海域波浪的特征和規(guī)律還缺乏深入的了解。

本文將利用2012-2013年海南島東南近岸一整年的波浪觀測資料，統(tǒng)計分析該海域波浪的季節(jié)性變化等特征，并分析臺風(fēng)影響下觀測海域的波浪發(fā)展過程及規(guī)律。

1 資 料

波浪觀測地點(diǎn)位于海南島東南近岸約3 km處的(110°33′00″E，18°44′50″N)(圖1)，水深約37 m，直接面向開闊的南海深水海域。由于觀測點(diǎn)位于海岸突出岬角的外海一側(cè)，且水深坡度較大(見圖1水深分布，數(shù)據(jù)來自ETOPO 1[8])，波浪易輻聚，因此觀測點(diǎn)波浪較大。波浪觀測儀器采用荷蘭Datawell公司的MK III型方向波浪浮標(biāo)(又稱Waverider，即波浪騎士)，波高和波向分辨率分別為0.01 m和1.5°，采樣頻率為1.28 Hz，波浪浮標(biāo)每30 min給出一次統(tǒng)計特征值。本文采用整點(diǎn)時刻的數(shù)據(jù)對海浪的季節(jié)變化規(guī)律開展相關(guān)研究，采用30 min間隔數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)期間的波浪特征。該觀測點(diǎn)的波浪觀測日期為2011-12—2013-05，前期觀測頻繁受到人為干擾和破壞，導(dǎo)致資料存在較多缺測，因此這里選取了數(shù)據(jù)較為完整的2012-05—2013-04一整年的觀測結(jié)果，研究分析該海域的波浪特征和規(guī)律。

圖1 波浪觀測站及周邊海域水深(m)分布

由于觀測過程很難保證資料的完整性，為了進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計分析，本文對缺測的資料進(jìn)行了插補(bǔ)。首先根據(jù)LAGFD-WAM第三代海浪模式[9]，結(jié)合NCEP風(fēng)場對觀測點(diǎn)海浪進(jìn)行后報，得到觀測點(diǎn)的波浪參量時間變化序列，然后將這一時間序列與觀測值時間序列進(jìn)行線性回歸分析，最后擬合出缺測時段的波浪各參量值。

2 波浪的季節(jié)變化和統(tǒng)計特征

2.1 波浪的季節(jié)變化

圖2為海南島東南近岸觀測站有效波高(以下簡稱波高H)、譜峰方向(以下簡稱波向)和跨零周期(以下簡稱周期T)在2012-05—2013-04的時間變化曲線。圖中實線為觀測值，虛線為擬合插補(bǔ)值，波向北向為0°。為了顯示清楚，圖中選擇每12 h一個觀測值繪制了時間變化曲線。觀測結(jié)果表明，觀測點(diǎn)全年平均波高為1.28 m，平均周期為5.1 s，常浪向為東向浪(E)，各參量都存在顯著的季節(jié)變化特征。夏季，受西南季風(fēng)的影響，觀測點(diǎn)波高較低，幾乎全在2.00 m以下，其中7月份達(dá)到全年月平均最低值0.87 m；冬季，觀測海域盛行東北季風(fēng)，觀測點(diǎn)波高顯著增加，全年高于2.00 m以上的大浪幾乎都出現(xiàn)在冬季，其中12月達(dá)到全年月平均最高值1.87 m。觀測地點(diǎn)浪向的季節(jié)變化特征更加顯著，9月底至次年3月中旬常浪向為東向(E)，6月中旬至8月中旬常浪向為偏南向(SSE)；其他時間為轉(zhuǎn)換季節(jié)，東向浪和偏南向浪交替出現(xiàn)。春季和夏季，觀測點(diǎn)波浪周期較小，5月份達(dá)到最小月平均值4.7 s；秋季和冬季觀測點(diǎn)波浪周期顯著升高，12月達(dá)到最大月均值5.5 s。

圖2 觀測點(diǎn)的波高、波向和周期時間變化曲線

根據(jù)觀測海域的全年觀測資料，本文給出了波高與波向的聯(lián)合分布以及周期與波向的聯(lián)合分布(圖3)。結(jié)果表明，在波向上展現(xiàn)出清晰的兩族分布，分別代表著波向為東向及偏東向(60°～100°)的冬季型波浪和波向為南向及偏南向(150°～190°)的夏季型波浪。冬季型浪的波高和周期較大，平均波高和周期分別為1.48 m和5.3 s，常浪向為東向(E)浪；夏季型浪的平均波高和周期較小，平均波高和周期分別為0.88 m和4.7 s，常浪向為南向(S)浪。除冬季型浪和夏季型浪外，觀測到的其他浪向出現(xiàn)頻率很低，這說明觀測海域波浪轉(zhuǎn)換季持續(xù)時間較短。在轉(zhuǎn)換季節(jié)，觀測到的有效波高大部分都在1 m以下，這表明非臺風(fēng)期，冬季型浪的波高和周期最高，夏季型浪次之，春秋轉(zhuǎn)換季最小。

圖3 波高-波向聯(lián)合概率密度分布與周期-波向聯(lián)合概率密度分布

2.2 波高與周期的聯(lián)合分布

作為隨機(jī)變量的海浪波高和周期并非獨(dú)立的[10-11]，他們之間存在一定的相關(guān)性。就本文觀測結(jié)果而言，計算出的二者相關(guān)系數(shù)為0.62，置信度超過99%。很多學(xué)者根據(jù)自己的觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到一些經(jīng)驗公式，認(rèn)為平均周期的平方與平均波高成正比例[11-13]：

H=aT2,

(1)

系數(shù)a隨不同海域而變。根據(jù)本文獲取的觀測資料，可計算出海南島東南近岸的全年波高和周期的聯(lián)合分布(圖4)。在波高與周期的聯(lián)合分布中，最大概率對應(yīng)的波高為0.80 m，對應(yīng)的周期為4.8 s。隨著周期的逐漸增大，對應(yīng)的波高范圍逐漸擴(kuò)大，其中波高極小值緩慢增高，但波高極大值卻迅速升高。設(shè)定周期，可求得對應(yīng)的平均波高值，當(dāng)周期T小于6.0 s時，隨著設(shè)定周期的增大平均波高逐漸增大，二者滿足式(1)，應(yīng)用最小二乘法可求得a=0.050；當(dāng)周期T滿足6.0 s

圖4 波高-周期的聯(lián)合概率密度(m-1·s-1·%)分布

2.3 平均持續(xù)時間

表征波浪能量的參量，除了波高外，波浪的持續(xù)時間也是一個重要參量。波浪的持續(xù)時間指大于等于某設(shè)定波高的連續(xù)延時，平均持續(xù)時間指設(shè)定波高值對應(yīng)的各次持續(xù)時間的均值[14]。1975年Lawson和Abernethy[15]提出了平均持續(xù)時間與波高存在指數(shù)關(guān)系：

D=α(H)β,

(2)

式中，H為設(shè)定波高；D為大于等于H的平均持續(xù)時間；α與β為參數(shù)。Lawson和Abernethy[15]根據(jù)澳大利亞東南海岸的波高觀測資料得到α=7，β=-2；而Graham[16]根據(jù)北海觀測資料得到α=4.16，β=-1.52；潘錦嫦[14]根據(jù)北部灣觀測資料，得到非臺風(fēng)期，α=1.82，β=-0.93，可見雖然平均持續(xù)時間與波高都服從指數(shù)衰減關(guān)系，但不同海域的系數(shù)是不同。

根據(jù)海南島東南近岸的觀測資料，我們也統(tǒng)計計算出了不同設(shè)定波高對應(yīng)的平均持續(xù)時間(圖5)。結(jié)果表明，觀測點(diǎn)平均持續(xù)時間隨著設(shè)定波高的變化可以分為3個階段：當(dāng)設(shè)定波高H<2.80 m時，平均持續(xù)時間符合1975年Lawson和Abernethy[15]提出的指數(shù)衰減規(guī)律，采用最小二乘法可計算出非臺風(fēng)期間α=1.67，β=-2.09；當(dāng)設(shè)定波高2.80 m3.80 m時，波浪全部由臺風(fēng)在觀測點(diǎn)產(chǎn)生的大浪構(gòu)成，其特征規(guī)律為臺風(fēng)致波浪的持續(xù)時間隨波高的變化規(guī)律。當(dāng)波高3.80 m4.30 m時，平均持續(xù)時間隨設(shè)定波高又呈現(xiàn)指數(shù)衰減，且衰減速率要高于非臺風(fēng)期間，計算得到α=1.09×104，β=-7.23。

圖5 平均持續(xù)時間隨波高的變化

3 臺風(fēng)期間的波浪特征

海南島處在西北太平洋臺風(fēng)的西移路徑之上，在海南島登陸的臺風(fēng)次數(shù)占全國臺風(fēng)登陸總數(shù)的1/4，素有“臺風(fēng)走廊”之稱，次數(shù)多、強(qiáng)度大、季節(jié)長是海南臺風(fēng)的三大特點(diǎn)，臺風(fēng)也是海南最嚴(yán)重和普遍的自然災(zāi)害[17-18]。在2012-05—2013-04的觀測期間，約20個臺風(fēng)和熱帶風(fēng)暴經(jīng)過或影響到我國近海，其中從觀測附近海域經(jīng)過的臺風(fēng)有2個，分別為2012-08的“啟德”和2012-10的“山神”。根據(jù)中國臺風(fēng)網(wǎng)(www.typhoon.gov.cn)的臺風(fēng)數(shù)據(jù)，臺風(fēng)“啟德”從觀測點(diǎn)北部海域經(jīng)過，臺風(fēng)“山神”從觀測南部海域經(jīng)過(圖6)。兩次臺風(fēng)強(qiáng)度接近，離觀測海域的最近距離也相當(dāng)，但從觀測結(jié)果來看，臺風(fēng)“啟德”引起的最大有效波高僅為2.24 m，遠(yuǎn)小于臺風(fēng)“山神”引起的最大波高5.77 m，這說明從南部深水區(qū)經(jīng)過的臺風(fēng)更易導(dǎo)致觀測海域極大波高的產(chǎn)生。因此本文將重點(diǎn)分析臺風(fēng)“山神”期間，觀測海域的波浪特征及其發(fā)展規(guī)律。2012-10-24熱帶風(fēng)暴“山神”在菲律賓東南部的西北太平洋洋面生成，隨后向西北方向移動，2012-10-25進(jìn)入南海東部海域，2012-10-26上升為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)，繼續(xù)向西北方向移動，2012-10-27升級為強(qiáng)臺風(fēng)，穿越海南島西南海域，中心最低氣壓950 hPa，中心最大風(fēng)速45 m·s-1，此時離觀測海域最近，2012-10-28強(qiáng)度減弱成強(qiáng)熱帶風(fēng)暴并在越南登陸，2012-10-29衰減為熱帶風(fēng)暴直至變?yōu)闊釒У蛪?圖6)。

圖6 臺風(fēng)“啟德”和“山神”路徑及強(qiáng)度變化

3.1 臺風(fēng)期間波浪參量的變化過程

臺風(fēng)“山神”期間，觀測地點(diǎn)波浪各要素的發(fā)展變化過程見圖7(臺風(fēng)期間的觀測資料采用半小時一次的觀測值)。 波高早于臺風(fēng)到來之前的2012-10-24就開始增大，2012-10-26增高速率迅速增大，2012-10-26T06:00波高達(dá)到最大值5.77 m，然后迅速衰落至2012-10-30的1.50 m以下。臺風(fēng)前后波高的變化呈對稱分布，即臺風(fēng)前波高的成長和臺風(fēng)后波高的衰落過程是相似的。臺風(fēng)對波浪周期和波向的影響時間相對較短，其中周期的變化時間主要在2012-10-26-28，并于2012-10-27T06:00與波高同步增大到最大值7.8 s，然后迅速衰減，周期與波高一樣臺風(fēng)前后呈對稱分布特征。波向的變化不同于波高和周期，波向的變化起步更晚，2012-10-27由東向浪(E)迅速朝偏南向浪(SSE)發(fā)展，2012-10-29T19:00浪向滯后波高和周期半天(約12 h)達(dá)到極值157.5°，此后緩慢回落。比較臺風(fēng)前后觀測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)波高仍維持原來水平，但周期升高，波向變小。

相對于從南部深水區(qū)經(jīng)過的臺風(fēng)“山神”，從北部淺水區(qū)經(jīng)過的臺風(fēng)“啟德”對觀測地點(diǎn)波浪的影響要小(圖7)。臺風(fēng)“啟德”過境期間，在觀測地點(diǎn)產(chǎn)生了兩次波高極大值。其中2012-08-16隨著臺風(fēng)的靠近，波高從0.50 m左右迅速升高到2012-08-17凌晨的第一次極大值2.24 m，波向也由夏季的偏南向迅速轉(zhuǎn)為偏東向，對應(yīng)的周期先減小后增大；第二次極大值發(fā)生在臺風(fēng)過后的2012-08-18，但波向和周期都未發(fā)生顯著變化，因此這次波高極大值可能由臺風(fēng)在深水區(qū)產(chǎn)生的涌浪傳播到觀測點(diǎn)所致。

圖7 觀測點(diǎn)波高、周期和波向在臺風(fēng)“啟德”和“山神”過境期間的變化過程

3.2 臺風(fēng)期間波浪譜特征

為了研究臺風(fēng)對波浪能量在頻率和波向上影響，本文對臺風(fēng)“山神”期間的方向譜分別在頻率和波向上進(jìn)行了積分并給出了其隨時間的變化。結(jié)果表明(圖8)，臺風(fēng)的到來使波浪譜值在所有頻率上都顯著增加，即所有頻率波浪的能量都得到了提高，并且在譜峰頻段和波向上能量增加幅度更大。臺風(fēng)期間，在頻率上始終表現(xiàn)為單峰結(jié)構(gòu)，但譜峰對應(yīng)的頻率受臺風(fēng)影響緩慢下降，從臺風(fēng)前的0.12 Hz下降到0.08 Hz，這說明臺風(fēng)致使波浪的能量由相對高頻向相對低頻方向轉(zhuǎn)換。而臺風(fēng)對波浪能量在浪向上的分布的影響更加復(fù)雜：整個臺風(fēng)期間，觀測海域一直存在一支穩(wěn)定的東向浪(E)，隨著臺風(fēng)的靠近而增強(qiáng)，并在2012-10-26達(dá)到該方向上能量最大值，此后隨著臺風(fēng)西移逐漸衰減到臺風(fēng)前水平，但是波向相對臺風(fēng)前偏北；2012-10-27在臺風(fēng)抵達(dá)觀測海域時產(chǎn)生了另一個波浪分支，這一分支由東向浪逐漸向南向浪發(fā)展，并在臺風(fēng)最強(qiáng)時達(dá)到最大值，因此可稱之為臺風(fēng)浪。隨著臺風(fēng)位置的遠(yuǎn)離和能量的衰弱，臺風(fēng)浪分支不能得到有效維持，逐漸減弱，但浪向繼續(xù)沿順時針向西南方向轉(zhuǎn)換，2012-10-28能量已經(jīng)低于東向浪，2012-10-29迅速減弱消失。正是這一臺風(fēng)浪的出現(xiàn)，導(dǎo)致了觀測海域的波浪在方向譜上由單峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為雙峰結(jié)構(gòu)(圖9)。即臺風(fēng)到來之前，觀測海域一直存在一支穩(wěn)定的東向浪，臺風(fēng)從觀測海域南部過境產(chǎn)生了另一支偏南向浪，兩支波浪的共存即產(chǎn)生了觀測海域波浪方向譜的雙峰結(jié)構(gòu)。

圖8 臺風(fēng)期間波浪譜密度在頻率和波向上的分布及其隨時間的變化

圖9 臺風(fēng)期間方向譜的單峰結(jié)構(gòu)和雙峰結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

本文根據(jù)海南島東南近岸1個觀測點(diǎn)連續(xù)1 a的海浪觀測資料，初步統(tǒng)計分析了該海域的海浪季節(jié)變化和統(tǒng)計特征，研究了觀測點(diǎn)在臺風(fēng)期間的波浪發(fā)展特征，得到如下主要結(jié)論:

1)觀測海域年平均有效波高為1.28 m，最常浪向為東向(E)，平均跨零周期為5.1 s。觀測海域的海浪存在顯著的季節(jié)變化規(guī)律，主要表現(xiàn)為冬季型浪和夏季型浪兩種。觀測點(diǎn)海浪的波高和周期并非獨(dú)立的，周期的平方與對應(yīng)的平均波高(周期小于6 s時)和最大波高都呈線性關(guān)系，其比例系數(shù)分別為0.050 m·s-2和0.092 m·s-2。臺風(fēng)期間產(chǎn)生的波高大于3.0 m的大浪，其波高和對應(yīng)的周期的平方也存在線性關(guān)系。觀測點(diǎn)設(shè)定波高的平均持續(xù)時間隨著波高變化可以分為3個階段，只有當(dāng)波高小于2.80 m或大于4.30 m時，平均持續(xù)時間才符合1975年Lawson和Abernethy提出的指數(shù)衰減規(guī)律。

2)通過對影響觀測海域臺風(fēng)的分析研究表明，從觀測海域南部深水區(qū)經(jīng)過的臺風(fēng)“山神”對觀測海域的影響遠(yuǎn)大于從北部經(jīng)過的臺風(fēng)“啟德”。臺風(fēng)“山神”使觀測海域的波高和周期迅速升高，最高分別達(dá)到5.77 m和7.8 s，波向滯后半天左右，從東向(E)轉(zhuǎn)為偏南向(SSE)。頻譜和方向譜隨時間的發(fā)展過程表明，受臺風(fēng)影響所有頻率和方向上的譜值都會迅速增加，高頻波浪要早于低頻波浪達(dá)到能量最大值，且臺風(fēng)致使波浪的能量由高頻向低頻方向轉(zhuǎn)換。臺風(fēng)到來前，觀測海域一直存在一支穩(wěn)定的東向浪，而臺風(fēng)過境期間產(chǎn)生了一支新的偏南向浪，這使觀測海域的波浪方向譜由單峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為臺風(fēng)期間的雙峰結(jié)構(gòu)。

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Received: August 26，2014

Wave Observation and Statistical Analysis in the Southeast Coast of Hainan Island

LI Shu-jiang1, LI Ze-wen2, FAN Bin1, GAO Xiu-min1, XU Xiao-qing1, TENG Yong1, YE Qin3

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061， China;2.HuanengRenewablesCorporationLimited，Beijing 100097, China;3.TheSecondInstituteofOceanography,SOA, Hangzhou 310012, China)

With the one-year wave observation off the southeast coast of Hainan Island from 2012 to 2013, we give a preliminary analysis of seasonal variation and statistical characteristics of waves in the domain of observation. The observation results show that annual average of significant wave height is 1.28 m, dominant wave direction E, and zero-crossing period 5.1 s. There is obvious seasonal variation for the wave in the domain of observation, and two wave modes were manifested throughout the year: the winter wave mode and summer wave mode. By comparison, we find that the significant wave height produced by typhoon "Son-tinh" which passed by on the south of the observation site is far greater than that produced by the typhoon "Kai-tak" on the north. During typhoon "Son-tinh", the wave height and zero-crossing period synchronously increase to a maximum value of 5.77 m and 7.8 s in a short period, but the wave direction transfers from the E to the SSE with a half day delay. Because of the typhoon, the energy in all frequencies and directions increase rapidly, the spectrum peak shifts from high to low frequency, and the directional spectrum evolves from a unimodal to a bimodal structure. This modal transformation implies a new wave branch in SSE direction in the observation area excited by typhoon "Son-tinh".

Hainan Island; wave observation; average duration; typhoon; wave spectrum

2014-08-26資助項目：國家海洋可再生能源專項

資金項目——華能海南波浪能并網(wǎng)發(fā)電示范項目(GHME2010GC04)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目——南海及周邊海域風(fēng)浪流耦合同化精細(xì)化數(shù)值預(yù)報與信息服務(wù)系統(tǒng)(2013AA09A506)

李淑江(1979-)，男，山東日照人，博士，助理研究員，主要從事南海環(huán)流和水交換的觀測方面研究.E-mail：lisj@fio.org.cn

(李 燕 編輯)

P731.22

A

1671-6647(2016)01-0001-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.001