21世紀格陵蘭冰川融化速率對海平面變化的影響

李娟，左軍成，譚偉，陳美香，趙雪

(1.國家海洋局 南海預報中心，廣東 廣州 510300；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

21世紀格陵蘭冰川融化速率對海平面變化的影響

李娟1，2*，左軍成2，譚偉2，陳美香2，趙雪1

(1.國家海洋局 南海預報中心，廣東 廣州 510300；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

本文利用大洋環流模式POP研究RCP4.5情景下21世紀格陵蘭冰川不同的融化速率對全球及區域海平面變化的影響。結果顯示：當格陵蘭冰川的融化速率以每年1%增加時，全球大部分海域的動力和比容海平面變化基本不變，主要是由于格陵蘭冰川在低速融化時并不會導致大西洋經向翻轉流減弱。當格陵蘭冰川的融化速率以每年3%和每年7%增加時，動力海平面在北大西洋副極地、大西洋熱帶、南大西洋副熱帶和北冰洋海域呈現出顯著的上升趨勢，這是因為格陵蘭冰川快速融化導致大量的淡水輸入附近海域，造成該上層海洋層化加強和深對流減弱，導致大西洋經向翻轉流顯著減弱；與此同時，熱比容海平面在北冰洋、格陵蘭島南部海域和大西洋副熱帶海域顯著下降，而在熱帶大西洋和灣流海域明顯上升；此時鹽比容海平面的變化與熱比容海平面是反相的，這是由于大量的低溫低鹽水的輸入，造成北大西洋副極地海域變冷變淡、大西洋經向翻轉流和熱鹽環流顯著減弱，引起了太平洋向北冰洋的熱通量和淡水通量減少，導致了北冰洋海水變冷變淡，同時熱帶大西洋滯留了更多的高溫高鹽水，隨著灣流被帶到北大西洋，北大西洋副極地海域低溫低鹽的海水，被風生環流輸運到副熱帶海域。

海平面變化；21世紀；格陵蘭冰川；RCP4.5；經向翻轉流

1 引言

由于溫室氣體引起的全球變暖，格陵蘭冰川質量減少的速率從20世紀90年代中期開始加速，在不到10年的時間里就增加了1倍[1]，到21世紀初格陵蘭冰川質量的減少速率可能已達到了歷史最大值約為300 Gt/a[2—4]。模式結果顯示，如果溫室氣體的濃度保持在1 000×10-6，格陵蘭冰川將會在3 000年內全部融化[5]，而冰川在第一個千年就會大部分融化，可使海平面上升3 m以上，這就意味著巨大的淡水將流入北大西洋，將會顯著影響北大西洋的經向翻轉流。氣候變暖對于海洋和陸地冰的貢獻已經包含了區域影響，其形式有海洋動力導致的區域海水密度的變化和因陸地冰川融化導致的海水質量的重新分布[6]。陸地冰川融化導致的淡水徑流和冰蓋的崩裂，能引起海平面的變化并會潛在的影響海洋的熱鹽環流，熱鹽環流的變化也會影響到海平面的變化[2，7]。目前一些模式結果顯示：如果氣候繼續變暖將會導致冰川快速融化，大量淡水輸入大洋，進而引起經向翻轉流急劇減弱[8—10]。

格陵蘭冰川逐漸減小，導致海水質量逐年增加，從而影響全球及區域海平面變化。在21世紀，格陵蘭和南極冰川融化可能是對全球海平面變化貢獻最大的因子[11]。Gregory和Oerlemans[12]預估高山冰源和格陵蘭冰蓋的融化對海平面變化的貢獻在21世紀大約為20 cm。就目前的研究進展來看，諸如冰川面積、高度以及形狀特征和質量平衡等都有待更好地了解和深入研究。

陸地冰融化將會導致大量的淡水輸入到北大西洋，進而引起大西洋經向翻轉流的減弱[13—14]。大西洋經向翻轉流(或者熱鹽環流)是全球大尺度海洋環流，把海洋上層暖而咸的水帶到北大西洋副極地海域，在那里失熱下沉，然后向南流到世界大洋的其他海域上升[15]。

對于未來氣候變化，利用模式研究陸地冰融化到目前為止，大多數的研究焦點放在了格陵蘭冰川的融冰水流入了北大西洋發生深層對流的海域。IPCC第四次評估報告指出，目前的耦合模式中沒有包含陸地冰模塊，主要的假設是未來氣候變暖會產生一個比較穩定的層結海洋[16—17]。近年來的模式結果顯示，如果把格陵蘭冰川融化的融冰水理想的加入到模式模擬中去，如果格陵蘭冰川的融冰水足夠多，大西洋的經向翻轉流將會減弱[11，18—19]。區域海平面偏離全球平均海平面因為動力海平面和靜力平衡海平面結構的綜合影響，動力海平面主要受海洋、大氣環流和溫度、鹽度的重新分配的影響；靜力平衡海平面結構受重力、彈力和質量重新分配旋轉效應的影響。在目前格陵蘭冰蓋的融化速率下，局域海平面的變化主要受動力海平面變化的影響；更高格陵蘭冰川融化速率下，動力海平面趨勢在西北大西洋最強，當融化冰相當于20 cm等價海平面時，靜力平衡效應占主導[20]。

IPCC為第五次報告開發了4種以穩定性濃度為特征的新情景，它們分別為RCP8.5、RCP6、RCP4.5和RCP2.6。本文選擇的是中等排放情景RCP4.5。RCP4.5情景下，2100年預計升溫2.4～5.5℃，2100年后輻射強度穩定在4.5 W/m2，大氣溫室氣體濃度穩定在526×10-6CO2當量，是一個比較穩定的情景。本文關注的焦點是格陵蘭冰川不同的融化速率是如何通過影響大西洋經向翻轉流來影響全球及區域海平面變化。在CMIP5模式結果的基礎上，本文利用三維海洋環流POP模式模擬RCP4.5情景下21世紀格陵蘭冰川不同的融化速率對全球及區域海平面變化的影響。

2 模式和數值試驗介紹

2.1 模式介紹

海洋環流模式POP是美國Los Alamos國家實驗室受能源部CHAMMP計劃資助開發的由早期的Bryan，Cox，Semtner和Chervin模型發展而來的一個三維海洋環流模式，2001年POP被NCAR的共同氣候系統模式CCSM(Community Climate System Model)采用，作為其中的海洋模式。POP模式采用的坐標系為球坐標系，垂直方向采用z坐標，模型控制方程采用了靜壓近似和Boussinesq近似。海表面采用的是自由表面邊界條件，該條件認為海氣交界面可以自由發展，這就使得海表面高度成為可以預測的變量。

本文所使用的網格與CCSM4.0中海洋模式的網格是一致的，該網格在沿經度的方向上有320個格點，在沿緯度方向上有384個點，南邊界在82°S的位置封閉，北邊界大約在80°N的位置封閉，網格的分辨率沿緯度的方向約為(1/2)°、沿經度的方向大約為1°。從海表到深度為5 500 m的底層，垂直方向上共分為40層，最上層的間隔大約5 m，然后逐漸加大過渡到了深層的250 m左右。

2.2 數值試驗

本文首先模擬20世紀的全球水文場作為21世紀模擬的初始場，模式的初始溫鹽場是CCSM4.0模擬的1850-1870年的氣候態月均數據，模式運行200年穩定后開始輸入逐月的變強迫場，模式從1850年運行到2005年。

本文設置了4組試驗，所有試驗均開始于模式在2005年12月的restart場。試驗1是控制試驗(contralexp)，即沒有考慮格陵蘭冰川融化的影響；試驗2～4是敏感性試驗，即考慮了格陵蘭冰川不同的融化速率對全球及區域的海平面變化的影響。在敏感性試驗2～4中，假設格陵蘭冰川融化只在北半球的夏半年融化，且融冰水全部均勻地流進格陵蘭島南部的附近海域(58°～72°N，12°～60°W，見圖1)，其中冰川融化的影響是以等效鹽通量的形式加入到模式試驗中的。格陵蘭冰川最初的平均融化速率為0.01 Sv (1 Sv=106m3/s，或者是1 mm/a全球等效海平面)，這個融化速度與目前觀測到的比較接近[2—3]。在敏感性試驗2～4中，假設格陵蘭冰川融化在最初融化速率的基礎上增長率分別為每年1%(1%exp)、3%(3%exp)和7%(7%exp)，其中每年1%、3%的增長速率持續到2100年，每年7%試驗中持續到2055年，然后保持不變到2100年。到2100年時，增長速率為1%的試驗格陵蘭冰川的融化速率為0.03 Sv，增長速率為每年3%的試驗中為0.19 Sv，每年7%試驗為0.29 Sv，其中每年7%試驗比較接近過去10年觀測得到的格陵蘭冰川質量減少的增長率[2，4]。

本文所進行的數值試驗采用的表面強迫包括表面淡水通量、表面熱通量和表面風應力場，強迫場均來自CMIP5中CCSM4在RCP4.5情景下的模式結果。熱通量、淡水通量和風應力等強迫場是逐時的月均場。本文設置的4組試驗，控制試驗1作為敏感性試驗的參考。

圖1 21世紀格陵蘭冰川融化的融冰水流入的海域Fig.1 The sea area of the input Greenland ice sheet melting water during the 21st century

3 21世紀格陵蘭冰川融化對區域動力海平面變化的影響

海平面變化直接反映三維大尺度海洋環流變化。動力海平面可簡單地通過水平流速和海平面梯度(或水平壓力梯度)之間的地轉平衡關系反映出來，流動沿海平面等值線方向。區域海平面不僅受比容效應的影響，還會受到海洋動力的影響，即海平面變化還會受區域外海洋環流的控制。經向翻轉流和風生環流的變化引起局地海水堆積，從而導致局地海平面變化，而對全球而言，平均動力海平面是個常數。

21世紀動海平面上升最快的海域位于南大洋的43°S緯度帶海域，最大可達35 cm(見圖2)，而與其相鄰的南極繞極流海域動海平面急劇下降，最大可為-50 cm，這與南大洋高緯度海域的海平面下降造成整個南大洋海面梯度增大和南極繞極流輸運增強有關。北冰洋大部分海域、北大西洋的副極地環流海域、北太平洋北赤道流和副熱帶環流的西側海域動海平面上升的比較快約為10～20 cm，這與大部分的模擬結果相似[21]，與該海域氣溫上升幅度大及淡水輸入有關。北大西洋副熱帶中心海域、南半球的副熱帶海域和北太平洋副極地海域動海平面存在不同程度的下降，下降的幅度為1～20 cm(見圖2)，與Yin等[22]結果一致，這可能是由于該海域Sverdrup輸運增強引起的動力海平面下降。

研究表明，密度大的深層水在北大西洋生成，它是經向翻轉流的一部分，因此，北大西洋的動力海平面相對于北太平洋是較低的[23]。一般情況下，當北大西洋深層水的生成減弱時，北大西洋的動力海平面比其他海域上升的快[28]。格陵蘭冰川不同的融化速率會影響大西洋經向翻轉流的變化(見圖3)，當格陵蘭冰川的融化速率比較低時，經向翻轉流不會減弱(見圖3a)，隨著格陵蘭冰川融化速率的增大，大西洋經向翻轉流顯著減弱，特別是20°N以北1 500 m以淺的海域，最大可減弱0.5 Sv(見圖3b)，這與Hu等[11]的研究結果一致。

當大西洋經向翻轉流明顯減弱時，動力海平面在北冰洋、北大西洋副極地、熱帶大西洋和南大西洋副熱帶海域顯著上升，而在印度洋、太平洋和南大西洋海域則是下降的(見圖4)。當格陵蘭冰川以每年1%的加速度融化時，只有北大西洋副極地海域動海平面呈現出微弱的上升趨勢(見圖4a)，這是由于冰川的融化速度較低時大西洋經向翻轉流幾乎不會減弱(見圖3a)。隨著格陵蘭冰川融化速率的增大，動力海平面在北大西洋副極地環流海域、大西洋熱帶、南大西洋副熱帶和北冰洋呈現出較快的上升趨勢(見圖4b、c)，到21世紀末，格陵蘭島南部海域和北美沿岸動海平面最大可上升5 cm(見圖4c)；在歐洲沿岸、北大西洋副熱帶、太平洋、印度洋和南大洋呈現出不同程度的下降(見圖5b、c)，這是由于經向翻轉流在3%exp和7%exp試驗中顯著地減弱導致了灣流和北大西洋暖流減弱、拉布拉多寒流加強(見圖3)。

圖2 2081-2100年平均動力海平面和1981-2000年平均動力海平面的差值Fig.2 Dynamic sea level anomalies in the late 21st century relative to that in the late 20th century

圖3 敏感性試驗2081-2100年大西洋經向流函數與控制試驗的差值Fig.3 Mean Atlantic meridional streamfunction anomaly between the 1%exp (a)，the 7%exp (b) and the contralexp at the end of 2081 to 2100

圖4 2081-2100年平均動力海平面與控制試驗的差值Fig.4 Dynamic sea level anomalies relative to that in the contralexp test of 2081 to 2100

4 格陵蘭冰川融化對全球平均比容海平面的影響

大氣中溫室氣體濃度的增加和格陵蘭冰川融化顯著影響全球和區域海平面變化。溫室氣體濃度的增加會導致海洋吸收較多的熱量，海洋中熱量的增加將會引起海水體積的增加，繼而影響熱比容海平面的上升。陸地冰融化、降水和徑流等還會引起海水的鹽度產生變化，這會導致鹽比容海平面的變化[19]。

21世紀全球平均比容海平面上升主要是由于熱比容效應，鹽比容對比容海平面上升的貢獻相對比較小，這主要是由于海冰的融化、蒸發降水或者是海洋中鹽度的重新分布。敏感性試驗中的比容海平面變化在21世紀與控制試驗相似，在21世紀的前半個世紀，敏感性試驗和控制試驗的全球平均比容海平面幾乎是重合的(見圖5)，在21世紀中后期敏感性試驗中的全球平均比容海平面變化相對于控制試驗中的比容海平面有所上升，在21世紀末上升最大可達0.6 cm(見圖5)。

5 格陵蘭冰川融化對全球及區域比容海平面變化的影響

格陵蘭冰川融化產生的大量低溫低鹽水流入北大西洋，會導致經向翻轉流的強度顯著減弱[13—14]。格陵蘭冰川融化會使北大西洋副極地海域的表層變冷和變淡，加上該海域的海水熱量不斷向大氣散熱，

因而密度變大，接著密度變大的海水下沉到深層，向南流動，在大洋的其他海域上升。大量的模式結果顯示，經向翻轉流的顯著減弱會引起北大西洋和附近海域變冷[11，14，24]，也會影響該海域的熱比容和鹽比容海平面的變化。

相對于20世紀的熱比容海平面，21世紀熱比容海平面在全球大部分海域呈現出顯著的上升趨勢，尤其是在20°N以南的大西洋比同緯度的太平洋上升的快(見圖6)，這是由于該海域2 000 m以淺的溫度在大西洋比太平洋增加的快[11]。熱比容海平面在北大西洋的20°～40°N海域呈現出顯著的下降趨勢(見圖6)，這是因為雖然該海域的表層溫度是上升的，但是在深度為500～2000 m處急劇下降，最大下降了2.5℃[11]。熱比容海平面在南大洋表現出微弱的下降，這是由于雖然該海域表層是升溫的，而在500 m以深是降溫的[11]。

圖5 2000-2100年全球平均比容海平面變化Fig.5 Global mean steric sea level change of 2000 to 2100

圖6 控制試驗2081-2100年平均熱比容海平面與1981-2000年的差值Fig.6 Thermosteric sea level anomalies in 2081 to 2100 relative to that in 1981 to 2000

格陵蘭冰川不同的融化速率對熱比容海平面變化的影響存在顯著的差異(見圖7)。當格陵蘭冰川的融化速率較小時，全球大部分海域的熱比容海平面相對于控制試驗來說變化不大，受影響的海域主要位于熱帶大西洋和北大西洋(見圖7a)，隨著格陵蘭冰川融化速率的增大，熱比容海平面在北冰洋、格陵蘭島南部海域和大西洋副熱帶海域表現出顯著的下降，在歐洲北部沿岸和格陵蘭島南部海域下降的最快，最大可達-2 cm，這是由于當格陵蘭島冰川的融化速率比較大時，大量的低溫低鹽水輸入到格陵蘭南部海域，引起北大西洋副極地海域的深對流減弱，導致大西洋經向翻轉流和熱鹽環流減弱(見圖3)，進而導致太平洋向北冰洋的熱通量輸送減少，北冰洋海水變冷[11]；大西洋45°N附近海域熱比容海平面顯著上升，主要是受灣流的影響，大量的格陵蘭冰川融冰水輸入格陵蘭島南部海域導致了向北的熱鹽環流減弱，從而使熱帶大西洋滯留了更多的熱量，隨著灣流被帶到北大西洋，引起了北大西洋45°N附近海域的次表層變暖(見圖8)。北大西洋副極地海域的熱比容海平面顯著下降的原因主要是由于經向翻轉流的減弱導致了流向該海域的熱輸送減少(見圖8)；北大西洋副熱帶海域的熱比容海平面顯著下降主要是由于副極地的冷水被風生環流輸運到副熱帶海域(見圖8)。

圖7 2081-2100年平均熱比容海平面與1981-2000年的差Fig.7 Thermosteric sea level anomalies in 2081 to 2100 relative to that in 1981 to 2000

圖8 7%exp試驗2081-2100年大西洋緯向平均溫度與控制試驗的差值Fig.8 Zonal mean oceanic temperature anomaly between the 7%exp and the contralexp at the end of the 21st century in the Atlantic

RCP4.5情景下21世紀鹽比容海平面相對于20世紀末變化明顯(圖9)。鹽比容海平面在北大西洋、太平洋和東印度洋海域呈現出不同程度的上升趨勢(圖9)，這主要是由于該海域500～2 000 m的鹽度急劇減小[11]。熱帶大西洋、南大西洋和南大洋鹽比容海平面下降的比較快，北冰洋呈現出微弱的下降趨勢，這與緯向平均鹽度的分布有很好的對應關系，即南極繞極流海域的鹽度在2 000 m以上是增加的，大西洋的20°S～35°N海域700 m以上鹽度明顯上升[11]。

圖9 控制試驗2081-2100年平均鹽比容海平面與1981-2000年的差Fig.9 Halosteric sea level anomalies in 2081 to 2100 relative to that in 1981 to 2000

圖10 7%exp試驗2081-2100年大西洋緯向平均鹽度與控制試驗的差值Fig.10 Zonal mean oceanic salinity anomaly between the 7%exp and the contralexp of 2081 to 2100 in the Atlantic

圖11 2081-2100年平均鹽比容海平面與1981-2000年的差Fig.11 Halosteric sea level anomalies in 2081 to 2100 relative to that in 1981 to 2000

當格陵蘭冰融化速率較小時，只會影響北大西洋的海平面變化，隨著融化速率的增大，繼而影響北冰洋、南大西洋、太平洋和印度洋海域的海平面變化(見圖11)。隨著格陵蘭冰川融化速率的增大，鹽比容海平面在北冰洋、格陵蘭島南部和大西洋副熱帶東側海域表現出顯著的上升，歐洲北部沿岸和格陵蘭島南部上升的最快，最大可達6 cm(見圖11c)，這是由于格陵蘭島冰川快速融化導致大量的淡水流入北冰洋和北大西洋(圖10)；大西洋45°N附近海域和熱帶大西洋鹽比容海平面顯著下降(見圖11c)，這是由于大西洋經向翻轉流減弱導致了向北和向南的熱鹽環流減弱，從而使熱帶大西洋滯留了較多的高溫高鹽水，有一部分隨著灣流被帶到北大西洋副熱帶西側(圖10)。

6 結論

本文利用CCSM在RCP4.5情景下的模擬結果作為強迫場，模擬RCP4.5情景下21世紀格陵蘭冰川不同的融化速率對全球及區域海平面變化的影響。結果顯示當格陵蘭冰川的融化速率以每年1%增加時，全球大部分海域的動力海平面幾乎沒有變化，只有格陵蘭島南部海域和北美沿岸海域的動力海平面有所上升，南大洋的南極繞極流和赤道太平洋海域呈現出微弱的下降；熱比容海平面和鹽比容海平面只在北大西洋發生微弱的變化，這是因為格陵蘭冰川在低速融化時并不會導致經向翻轉流減弱，即拉布拉多寒流、灣流和北大西洋暖流不會發生改變。

當格陵蘭冰川的融化速率以每年3%和7%增加時，隨著格陵蘭冰川融化速率的增加，大西洋的經向翻轉流顯著減弱，動力海平面在北大西洋副極地環流海域、大西洋熱帶、南大西洋副熱帶和北冰洋呈現出顯著的上升趨勢，上升最快的海域是格陵蘭島南部海域和北美沿岸，這是因為格陵蘭冰川融化大量的淡水輸入附近海域，造成該海域的上層海洋層化加強，深對流減弱導致大西洋經向翻轉流顯著減弱，即拉布拉多寒流加強、灣流和北大西洋暖流減弱。

當格陵蘭冰川的融化速率比較快時，熱比容海平面在北冰洋、格陵蘭島南部海域和大西洋副熱帶海域表現出顯著的下降，熱帶大西洋和灣流海域則上升明顯；與此同時鹽比容海平面的變化與熱比容海平面是反相的，這是由于格陵蘭島冰川的融化速率比較大時，大量的較冷較淡的水輸入到附近海域，造成北大西洋副極地海域的海水變冷變淡、大西洋經向翻轉流和熱鹽環流顯著減弱，導致了太平洋向北冰洋的熱通量和淡水通量減少，北冰洋海水變冷變淡，熱帶大西洋滯留了更多的較暖較咸的海水，隨著灣流被帶到北大西洋，引起了灣流海域熱比容海平面上升和鹽比容海平面下降，北大西洋副極地海域較冷較淡的海水，被風生環流輸運到副熱帶海域。

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The influence of the melting rate of the Greenland ice sheet on the sea level variation for 21st century

Li Juan1，2，Zuo Juncheng2，Tan Wei2，Chen Meixiang2，ZhaoXue1

(1.SouthChinaSeaMarinePredictionCenter，StateOceanicAdministration，Guangzhou510300，China；2.CoastalandoffshoreEngineeringHohaiUniversity，Nanjing210098，China)

The influence of the different melting rate of Greenland ice sheet on sea level of the global and regional ocean are studied based on POP model under the RCP4.5 scenario for the 21st century. In the 21st century，the low melting rate of Greenland ice sheet has small influence on the global and regional sea level variations，which mainly due to the meridional overturning flow doesn’t weak under the low melting rate of Greenland ice sheet in the Atlantic. The high melting rate will have notably effect on the dynamic and steric sea level in the Atlantic，the Arctic and Antarctic Circumpolar Current (ACC). The dynamic sea level will significantly rise in the north Atlantic subpolar Ocean，tropical Atlantic Ocean，the south Atlantic subtropical and Arctic Ocean，which will rise fast in ocean of southern Greenland and along the coast of North America，that is due to notable weakened of the meridional overturning flow caused by strengthen stratification of the upper ocean and deep convection weakened because of a lot of fresh water input Greenland nearby ocean in the high rate of melting of Greenland ice sheet，namely the labrad or current will strengthen，the Gulf Stream and the north Atlantic current weakened. The thermosteric sea level will significantly decline in the Arctic ocean，the ocean of the southern Greenland and the Atlantic subtropical ocean，while which obviously rise the tropical Atlantic ocean and the Gulf Stream. Meanwhile the halosteric sea level change will be opposite to the thermosteric sea level. The steric sea level showed change due to the water is cooling and thin in the north Atlantic subpolar ocean，the weakened of the Atlantic meridional overturning flow and thermohaline circulation caused by input of lot of low temperature and low salt water in the 21st century．

sea level variation; 21st century; Greenland ice sheet; RCP4.5; meridional overturning flow

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.003

2014-07-18；

2015-03-19。

國家自然科學基金(41276018)；海洋公益性項目(201005019)；海洋公益性項目(201305020-8)。

李娟(1982—)，女，山東省菏澤市人，博士，從事氣候與海平面變化和潮波動力學研究。E-mail：twlj0419@126.com

P731.23

A

0253-4193(2015)07-0022-11

李娟，左軍成，譚偉，等. 21世紀格陵蘭冰川融化速率對海平面變化的影響[J]. 海洋學報，2015，37(7): 22-32，

Li Juan，Zuo Juncheng，Tan Wei，et al. The influence of the melting rate of the Greenland ice sheet on the sea level variation for 21st century[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7): 22-32，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.003