王亮亮,姚鵬澤,沈國(guó)庭,胡勝博,趙秋銘,李志軍*
(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024;2.黃河水利委員會(huì) 寧蒙水文水資源局,內(nèi)蒙古 包頭 014030)
雪作為一種特殊的氣象產(chǎn)物,在對(duì)地球的氣候、水循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)等方面都有重要影響。近年來,隨著全球氣候變化的加劇,對(duì)雪的研究變得愈發(fā)重要。在我國(guó)北方冬天均有降雪,冰雪天氣會(huì)影響交通,地面和房屋上的積雪給人們?nèi)粘9ぷ骱蜕顜碇T多影響,比如積雪會(huì)對(duì)建筑物[1]造成破壞,雪崩會(huì)威脅人類安全,雪反射陽光會(huì)損傷眼睛等。
國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域關(guān)于雪的理論研究主要集中在以下三個(gè)方面:(1)通過對(duì)雪的結(jié)構(gòu)和物理特性的研究,深入了解雪的形成機(jī)制和演變過程。例如,在微觀結(jié)構(gòu)方面張寧發(fā)現(xiàn)在密度相同條件下積雪之間硬度值會(huì)因?yàn)檠┚螒B(tài)的不同而產(chǎn)生較大差異,其中六角形枝狀雪晶隨其密度增加而產(chǎn)生的硬度增加值最高[2]。(2)關(guān)于使用遙感技術(shù)[3]對(duì)積雪進(jìn)行觀測(cè)的相關(guān)研究。該研究可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)對(duì)雪情的監(jiān)測(cè)和評(píng)估,在預(yù)防雪崩、農(nóng)業(yè)灌溉、水資源管理等方面具有重要意義。(3)關(guān)于雪與生態(tài)系統(tǒng)[4-6]之間相互作用的研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域的研究方向眾多,在該領(lǐng)域進(jìn)行一次統(tǒng)籌分析,對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展情況的了解以及確定自身研究方向等方面都有重要意義。
VOSviewer是由荷蘭萊頓大學(xué)的內(nèi)斯和盧多開發(fā)的一款用于可視化和分析科學(xué)文獻(xiàn)的軟件。它可以構(gòu)建和查看文獻(xiàn)計(jì)量圖,相對(duì)于SPSS和Pajek兩款計(jì)算機(jī)軟件具有標(biāo)簽清楚、生成聚類便于解釋等優(yōu)勢(shì)[7]。使用VOSviewer軟件對(duì)文獻(xiàn)的作者及關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,直觀地揭示雪物理特性研究的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì),可以為該領(lǐng)域研究人員提供相關(guān)參考依據(jù)。
國(guó)內(nèi)外關(guān)于雪科學(xué)的研究方向眾多、文章數(shù)量龐大,而將所有方向的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)一起處理和分析,無法清楚地掌握每個(gè)方向的發(fā)展現(xiàn)狀。本文選擇國(guó)內(nèi)外研究雪結(jié)構(gòu)、物理特性領(lǐng)域的文獻(xiàn)作為分析對(duì)象。從Web of Science Core Collection上檢索關(guān)于“snow”的論文、會(huì)議報(bào)告、概述論文。下載文獻(xiàn)的全文信息并導(dǎo)入VOSviewer軟件中,分析文章中關(guān)鍵詞的使用頻次和關(guān)鍵詞之間的相關(guān)強(qiáng)度。VOSviewer軟件將關(guān)鍵詞分為10個(gè)聚類,在關(guān)于雪的結(jié)構(gòu)、物理特性研究領(lǐng)域的聚類中挑選出關(guān)鍵詞,例如物理特性、微觀物理特性、微波、質(zhì)量、硬度、貫入儀等。
在Web of Science上檢索關(guān)于雪物理特性研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源自Web of Science Core Collection;文獻(xiàn)檢索式:ST=snow AND (hardness or strength or density or rammsonde or theory or microcosmic or albedo or microwave or radar or radiation or optical-properties or boundary-layer or conductivity or roughness or crystals or discharge or physical properties or microphysical properties or size distribution or element or densification or lidar or shape);文獻(xiàn)類型:Article or Meeting Abstract or Review Article;文獻(xiàn)檢索年限:2000—2023年;學(xué)科領(lǐng)域:Geosciences Multidisciplinary or Meteorology Atmospheric Sciences or Water Resources or Engineering Civil;檢索時(shí)間:2023年9月4日,檢索到雪物理特性研究領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)14 541(篩選后)篇。
本次研究采用了EXCEL、VOSviewer可視化工具進(jìn)行文獻(xiàn)分析。使用EXCEL軟件對(duì)每年全球范圍的作者論文發(fā)表量進(jìn)行作圖。使用VOSviewer軟件對(duì)作者、機(jī)構(gòu)、國(guó)家、關(guān)鍵詞等類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將雪物理特性研究領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)、重要期刊、總趨勢(shì)、熱點(diǎn)變化等以可視化的形式呈現(xiàn)出來。
VOSviewer繪制的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)網(wǎng)絡(luò)圖是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)和線組成的。每個(gè)圓形的節(jié)點(diǎn)是VOSviewer從各個(gè)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中提取的元數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象,可以代表例如文獻(xiàn)作者、國(guó)家、單位、關(guān)鍵詞、期刊等標(biāo)簽,并且節(jié)點(diǎn)的大小代表該標(biāo)簽在數(shù)據(jù)分析結(jié)果中的占比,例如將作者發(fā)文情況可視化時(shí)節(jié)點(diǎn)越大代表該作者發(fā)文越多[8]。連接兩個(gè)圓球的線則代表這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在關(guān)聯(lián),例如在分析作者發(fā)表論文情況時(shí)它代表著兩個(gè)作者之間有共同發(fā)文的合作關(guān)系。VOSviewer提供的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)網(wǎng)絡(luò)可視化是基于距離的可視化,即相關(guān)性強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)匯聚[8]。
從Web of Science Coll Collection收錄的文獻(xiàn)中檢索到14 541篇合格文獻(xiàn),按照時(shí)間分布繪制柱狀圖,如圖1所示。由圖可知文獻(xiàn)的發(fā)文數(shù)量總體上呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。文獻(xiàn)年發(fā)表量在2022年達(dá)到近20 a的最高值,有1109篇,由此可見關(guān)于雪物理特性的研究逐漸得到學(xué)者的重視。
圖1 與雪相關(guān)的年度文獻(xiàn)發(fā)表量
14 541篇文獻(xiàn)共發(fā)表在653種期刊雜志上,發(fā)文量排名前十的期刊雜志占總發(fā)文量的35%,發(fā)文情況見表1。近20 a內(nèi)累積發(fā)文量最多的期刊是Journal of Geophysical Research Atmospheres,但根據(jù)各期刊每年發(fā)文量情況,期刊Cryosphere和Remote Sensing在2018—2022年的發(fā)文量已遠(yuǎn)高于Journal of Geophysical Research Atmospheres,并且前兩者的影響因子也高于后者。Cryosphere和Remote Sensing期刊從最早發(fā)表關(guān)于雪物理特性研究的文章起算至今不足15 a,但近5 a的發(fā)文量已經(jīng)遠(yuǎn)超其他期刊,成為該領(lǐng)域的重要期刊。因此推薦研究人員關(guān)注和閱讀Cryosphere和Remote Sensing上的最新成果,以便了解雪物理特性研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)和研究趨勢(shì)。
表1 前10發(fā)文量的期刊的發(fā)文情況
共有113個(gè)國(guó)家或地區(qū)在雪的物理特性研究領(lǐng)域開展了研究。運(yùn)用VOSviewer軟件生成國(guó)家合作關(guān)系視圖,并展示發(fā)文量≥10篇的國(guó)家和地區(qū)的合作網(wǎng)絡(luò),見圖2。從圖2中可知美國(guó)與中國(guó)、加拿大為發(fā)文量最多的3個(gè)國(guó)家,這3個(gè)國(guó)家學(xué)者之間的合作非常密切,研究方向的關(guān)聯(lián)性明顯高于其他國(guó)家。美國(guó)文章被引用次數(shù)是最多的,并且發(fā)文量和文章被引用次數(shù)均逐年增加。美國(guó)在2018—2022年期間的發(fā)文量明顯高于以往,近幾年所發(fā)表文章的研究領(lǐng)域主要集中在氣象學(xué)、地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)幾個(gè)方面。由以上數(shù)據(jù)可看出美國(guó)在該研究領(lǐng)域的成果積累是最豐厚的,且憑借其絕對(duì)的合作影響力已然成為該領(lǐng)域主要研究國(guó)家,相較于其他國(guó)家或地區(qū)有更強(qiáng)的科研實(shí)力。
圖2 國(guó)家合作視圖
利用VOSviewer 軟件繪制研究機(jī)構(gòu)合作關(guān)系圖譜網(wǎng)絡(luò),見圖3。根據(jù)VOSviewer軟件的分析結(jié)果可知在該研究領(lǐng)域發(fā)文的機(jī)構(gòu)共有6866個(gè),其中發(fā)文量最多是中國(guó)科學(xué)院,累計(jì)發(fā)文量為972篇。在2020—2022年期間,中國(guó)科學(xué)院在雪物理特性研究領(lǐng)域的發(fā)文量增長(zhǎng)迅速,三年時(shí)間已經(jīng)累計(jì)發(fā)表了438篇相關(guān)文章。發(fā)文量第二的是美國(guó)國(guó)家航空航天局(680篇)。美國(guó)國(guó)家航空航天局在該領(lǐng)域的研究開展很早,自2014年開始發(fā)文量就高于其他機(jī)構(gòu),直到2017年被中國(guó)科學(xué)院超越,進(jìn)一步表明了我國(guó)近幾年已經(jīng)開始重視雪物理特性的研究。但在文獻(xiàn)被引用次數(shù)方面,美國(guó)國(guó)家航空航天局是被引用次數(shù)最多的單位,并且被引次數(shù)排名前十的機(jī)構(gòu)中,除了中國(guó)科學(xué)院,其他都是美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)。從圖3的機(jī)構(gòu)合作情況可知同一國(guó)家的機(jī)構(gòu)相互合作非常頻繁,研究方向具有很高的相關(guān)性。因此美國(guó)國(guó)家航空航天局以及多次合作發(fā)文的其他美國(guó)機(jī)構(gòu)在該研究領(lǐng)域具有強(qiáng)大科研實(shí)力和重要影響力,例如科羅拉多大學(xué)(發(fā)文648篇)、加州大學(xué)(發(fā)文594篇)、馬里蘭大學(xué)(發(fā)文415篇)等等。但想要了解關(guān)于國(guó)內(nèi)在雪的物理特性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和最新成果,可以關(guān)注中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(發(fā)文319篇)的最新成果。
圖3 機(jī)構(gòu)合作視圖
表2展示了在雪物理特性研究領(lǐng)域發(fā)文量前十的作者,其中發(fā)文量最多的是邁克爾·勒寧,共發(fā)表116篇文章。根據(jù)普賴斯定律[9]確定核心作者發(fā)文量,如式(1):
(1)
表2 前10發(fā)文量的作者的發(fā)文情況
式中:Nmax為發(fā)文量最多作者的發(fā)文量,篇;M為核心作者最低發(fā)文量,篇。得出結(jié)果發(fā)文量12篇的作者為該領(lǐng)域核心作者,共有380名。運(yùn)用VOSviewer軟件繪制核心作者合作網(wǎng)絡(luò)視圖,見圖4。在雪物理特性領(lǐng)域已經(jīng)形成了以邁克爾·勒寧、吉斯蘭·皮卡爾、米歇爾·范登布魯克、約翰·波默洛伊等核心學(xué)者為代表的科研團(tuán)隊(duì)。發(fā)文量最多的邁克爾·勒寧學(xué)者現(xiàn)就職于瑞士聯(lián)邦森林、雪地和景觀研究所,他在2008—2018年間每年的發(fā)文量都很高,但往后幾年發(fā)文量持續(xù)下降,直到2022年才有所提高。2022年邁克爾·勒寧發(fā)表了8篇雪物理特性研究領(lǐng)域的文章。邁克爾·勒寧在該領(lǐng)域有著很重要的影響力,他在該領(lǐng)域的文章共被引用4667次,排名第三。邁克爾·勒寧團(tuán)隊(duì)最新研究方向是關(guān)于雪對(duì)流現(xiàn)象的發(fā)生條件[10]以及南極降雪環(huán)境下雪密度的觀測(cè)和模擬[11]。吉斯蘭·皮卡爾在2022年發(fā)文12篇,為該領(lǐng)域2022年發(fā)文最多的學(xué)者。吉斯蘭·皮卡爾的科研團(tuán)隊(duì)專注于研究使用雷達(dá)觀測(cè)積雪的物理指標(biāo),例如雪層粒度的大小會(huì)影響南極洲表面的反照率,可用反照率測(cè)量南極洲沿海地區(qū)雪的粒度變化[12]。由以上數(shù)據(jù)可看出,瑞士學(xué)者在該領(lǐng)域的研究有豐厚的積累,更具影響力。
圖4 核心作者合作網(wǎng)絡(luò)視圖
分析關(guān)鍵詞是了解文章主要內(nèi)容的重要方法,關(guān)鍵詞是文章研究?jī)?nèi)容的中心。運(yùn)用VOSviewer軟件對(duì)雪物理特性研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞分析,將高頻關(guān)鍵詞劃分類群以展示該領(lǐng)域的幾種熱門研究方向。將關(guān)于雪物理特性研究領(lǐng)域14 541篇文章的全文數(shù)據(jù)輸入VOSviewer軟件中進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,繪圖時(shí)選擇關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻率≥10時(shí)為最低出現(xiàn)頻率,得到關(guān)鍵詞聚類視圖,見圖5。在關(guān)鍵詞的聚類視圖中關(guān)鍵詞被劃分為3個(gè)類群,并從VOSviewer分析結(jié)果中得出每個(gè)類群出現(xiàn)頻次前五的關(guān)鍵詞,見表3。
表3 聚類一和聚類二、聚類三中出現(xiàn)頻次前五關(guān)鍵詞
圖5 關(guān)鍵詞聚類視圖
(1)雪科學(xué)在氣象學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。關(guān)鍵詞主要有氣候變化和南極、冰川、永凍層、北極、雪融等。季節(jié)性積雪是全球氣候和水文系統(tǒng)的重要組成部分,氣象學(xué)領(lǐng)域的研究人員對(duì)季節(jié)性積雪越發(fā)重視,相繼開發(fā)多種氣象勘探工具來觀測(cè)季節(jié)性積雪的變化規(guī)律或者預(yù)測(cè)氣象變換。國(guó)內(nèi)以李曉峰[13]為代表的科研團(tuán)隊(duì)最新開發(fā)一種雪深檢索模型可以提高預(yù)估東北地區(qū)雪深的精準(zhǔn)度。極地地區(qū)的生態(tài)環(huán)境受到氣象變化的影響很大,南北極兩地的降雪和積雪消融情況也一直是科研人員研究的熱點(diǎn)。加拿大學(xué)者丹尼爾·克萊默[14]最新提出使用便攜式調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)評(píng)估北極雪地層和水當(dāng)量的方法,幫助科研人員研究整個(gè)北極積雪特征存在顯著空間變化這一現(xiàn)象。我們將冰領(lǐng)域[15-17]的先進(jìn)研究方法引入雪的探索中,開創(chuàng)了一條富有創(chuàng)新性和前瞻性的科研道路。研究某一地區(qū)雪的覆蓋量、融化過程等可以為該地區(qū)氣候變化、氣象預(yù)測(cè)的研究提供參考依據(jù)。
(2)遙感技術(shù)觀測(cè)積雪的研究。關(guān)鍵詞主要有遙感、反照率、MODIS數(shù)據(jù)、能量平衡、衛(wèi)星等。衛(wèi)星遙感技術(shù)[18]在觀測(cè)和評(píng)估雪的物理特性方面發(fā)揮著重要作用,尤其是利用MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行積雪的監(jiān)測(cè)和分析,可幫助研究人員獲取積雪的反照率、覆蓋度、溫度等信息。曹肖奕[19]發(fā)現(xiàn)了雪粒徑、黑炭濃度和積雪反照率的相互關(guān)系,有效提高雪粒徑的反演精度,為積雪相關(guān)現(xiàn)象模擬提供了技術(shù)支持。俄羅斯學(xué)者茹拉夫斯基[20]發(fā)現(xiàn)一種冰雪表面反照率攝影測(cè)量估計(jì)技術(shù),可在極端條件下更準(zhǔn)確地估計(jì)反照率,已使用該技術(shù)評(píng)估了俄羅斯南極進(jìn)步站地區(qū)的自然和人造雪冰表面的反照率。將其他觀測(cè)數(shù)據(jù)與MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合可幫助提高積雪反照率反演的精準(zhǔn)度,或?qū)⑵渌^測(cè)技術(shù)與原有觀測(cè)技術(shù)結(jié)合,打破衛(wèi)星遙感技術(shù)觀測(cè)積雪的現(xiàn)狀,為雪物理特性的研究提供思路。
(3)降雪過程的研究。關(guān)鍵詞主要有降水、云、大氣、降雪、數(shù)據(jù)同化等。整個(gè)降雪過程受到氣象系統(tǒng)中云、風(fēng)、溫度和濕度等多種因素影響,同時(shí)降雪過程在氣象系統(tǒng)的能量和水源交換中起著重要作用。美國(guó)學(xué)者馬尼莎·加內(nèi)山[21]發(fā)現(xiàn)云和吹雪現(xiàn)象會(huì)顯著影響南極洲圓頂C站的地表能量平衡和輻射傳輸,并改變大氣邊界層的穩(wěn)定性和湍流結(jié)構(gòu)。弗雷澤·金發(fā)現(xiàn)使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以彌補(bǔ)現(xiàn)有遙感降雪檢測(cè)技術(shù)無法準(zhǔn)確觀測(cè)積雪峰谷幅度的不足,基于非線性機(jī)器學(xué)習(xí)的檢測(cè)手段可以為全球積雪檢測(cè)模式提供新的參考思路。
(1)目前對(duì)于雪的物理特性領(lǐng)域的研究越來越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,Cryosphere和Remote Sensing期刊已成為該領(lǐng)域?qū)W者最重視的期刊。
(2)國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)積雪的研究越來越重視,中國(guó)科學(xué)院在最近幾年已有大量研究成果,但從學(xué)者的影響力來看,我國(guó)在該領(lǐng)域的研究仍亟待加強(qiáng)。
(3)該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)集中在氣象學(xué)研究、衛(wèi)星遙感技術(shù)研究、大氣研究三個(gè)方面,同時(shí)改進(jìn)出更加精準(zhǔn)的觀測(cè)技術(shù)或者觀測(cè)手段的新組合是國(guó)內(nèi)外研究人員普遍采用的研究方法。將改進(jìn)觀測(cè)技術(shù)與氣象學(xué)研究、遙感技術(shù)研究、降雪過程研究三個(gè)方面結(jié)合具有很好的研究前景,期待開拓出更多關(guān)于雪物理特性的新的研究方向。