国际极地科学研究概况和热点计量分析

陈留林 孔嘉 邓三鸿 谌陈晨

(1自然资源部极地科学重点实验室, 中国极地研究中心, 上海 200136;2南京大学信息管理学院, 江苏 南京 210023;3江苏省数据工程与知识服务重点实验室, 江苏 南京 210023)

提要 由于南北两极在地球气候系统中的重要作用和自然资源潜力, 两极的科学研究已成为世界大国关注的焦点,近年来的投入和产出持续增强。极地领域的科学研究内容广泛, 涉及天文学、大气科学、海洋科学、地质学、生物学等多领域, 本文首次通过文献计量学的方法对2015—2017年国际极地研究格局进行全面系统分析, 从发文趋势、主要发文国家、发文机构、研究领域分布、研究主题等角度进行可视化分析, 帮助科研团队识别潜在前沿、合作对象和技术拥有者, 为极地科技管理者提供研究概况数据支撑, 从而为我国下一步的极地研究科技布局和国际合作提供启示性建议。

0 引言

南极和北极位于地球的高纬度地区, 由于其地理的独特性和在地球气候系统中的重要作用,南北极的科学研究价值和战略意义得到空前重视。自大航海时代、英雄探险阶段后, 20世纪50年代极地研究跨入了科学考察的新时代[1], 美国、俄罗斯、加拿大、德国、英国、澳大利亚等国家积极投身极地探索, 并提出了较为明确的国家战略和研究计划。我国极地研究起步较晚, 大规模极地考察始于1984年, 至今已经进行了36次南极考察、11次北冰洋科考和16次黄河站科考, 建立了极地冰川学、海洋学、生物与生态学、地球物理学、天文学等覆盖地球全圈层的多学科研究领域, 在南极冰盖起源、北冰洋酸化、黑洞演变等前沿问题上取得了一批重要成果。加入了国际北极科学委员会(International Arctic Science Committee, IASC)、南极研究科学委员会(Scientific Committee on Antarctic Research,SCAR)、北极科学部长级会议等主要国际极地科学合作组织和平台, 与主要国家极地研究机构建立了双边合作关系。2017年, 我国发布的《中国的南极事业》报告中也明确将提升南极科学研究水平、保护南极环境和生态系统、广泛开展国际交流与合作作为重要方向。次年, 我国发布了《中国的北极政策》, 旗帜鲜明地提出将认知北极、加强北极科学国际合作作为我国的北极政策目标之一[2]。近年来, 显著的气候变化影响和潜在的资源前景促使各国愈加重视极地研究, 并成为国际学术界的热点[3]。各国的投入逐渐加大, 研究的主题与国家利益结合愈加紧密, 国际合作交流也更加广泛深入, 极地科学研究已经成为各国积极参与国际极地治理的关键科技支撑。

学术期刊不仅是发布科研成果的载体, 更是知识的集成平台。对文献进行深入挖掘, 一方面有助于科研管理者和政策制定者了解研究领域的宏观布局和趋势, 另一方面有利于科研工作者了解本学科的最新研究热点、动态和前沿, 促进研究人员汇集力量集中研究国际前沿和关键问题。部分学者根据极地研究特定领域的战略规划、科技进展等总结该领域科学前沿问题及发展态势[4-5], 或对气候变化、水文要素、极地生物[6-7]等进行科学实验与探究。本研究通过文献计量对近年来国际极地研究论文发表格局进行系统分析, 包括对发文趋势、主要发文国家、发文机构、研究领域分布、研究主题等进行分析, 总结2015—2017年国际极地研究的变化和趋势。结合国际极地科技政策, 提出研究热点、发展趋势和政策建议, 以帮助科研团队识别潜在的合作对象和技术拥有者, 为辨析各国行动意图和我国极地布局提出启示性建议。

1 研究方法

ISI Web of Science 是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源, 收录了自然科学、工程技术、生物医学等各研究领域具有高影响力的多种核心学术期刊[8]。此次分析基于Web of Science核心合集数据库中的 Science Citation Index Expanded(SCIE)文献, 以主题TS = ("north pole" OR "south pole" OR Antarctic* OR Arctic*OR "polar research" OR "polar region*" OR Greenland OR Bering OR Svalbard OR "Barents Sea" OR "Kara sea" OR "polar cap" OR "polar area" OR "polar aurora*" OR "polar wind" OR"polar faculae" OR "Amundsen sea" OR "Canada Basin" OR "Chukchi sea" OR "polar ice sheet*" OR"polar orbit" OR "Ross sea" OR "Siberian sea" OR"Southern Ocean" OR "Weddell sea" OR "Alaska"OR (polar AND (cloud* OR mesosphere OR stratospheric OR permafrost OR icebreaker OR ocean OR "sea ice")))为检索策略, 文献类型选择Article及Proceedings paper, 选取2015—2017年的论文数据, 共检索文献24295篇, 根据标题、关键词、摘要对文章进行人工筛选, 去除与极地研究无关的文章, 剩余相关文献14248篇。利用python对相关文献的发文量、国家特征、合作状况以及主题分布等进行数据处理与分析, 并通过Echarts、Citespace进行可视化展示。

在讨论相关的学科领域时, 我们借助Web of Science的研究方向字段(SC), 参照中华人民共和国国家标准《学科分类与代码》(GB/T 13745-2009),对于有疑问的方向, 我们抽取了相关文献进行了实际的主题分析和辨别。

2 国际极地研究力量布局分析

2015—2017年, 极地研究相关文献数量和参考文献数量整体呈缓慢上升趋势, 2017年极地研究主题相关文献达5140篇, 引用相关参考文献297370篇次。经计算, 2015—2017年极地相关研究文献的篇均引文均高达50篇以上, 从相关研究[9-10]来看, 极地领域的科研人员对文献信息的吸收和借鉴能力较强, 有助于提高极地研究的延续性、科学性, 促进其整体科研水平的发展。

2.1 极地研究主要国家分析

极地研究共涉及138个国家(地区), 主要分布在欧洲、北美洲、东亚以及大洋洲, 如图1所示。美国、英国、加拿大分别位列文献产出量排行榜前三名, 分别产出相关文献5423篇、2173篇、1931篇。计算第一机构的归属国家, 美国在2015—2017年内仍位居榜首, 年均论文产出1000篇, 遥遥领先。加拿大稳居第二, 发文量每年均在300篇以上。英国、德国、挪威、俄罗斯也稳居前列, 这与极地科研的总体情况较为一致。

图1 国家(地区)研究论文情况统计Fig.1.Statistics of papers by region

如表1所示, 2015—2017年中国产出相关文献共1151篇, 论文产出量逐年增多, 年增长率达到20%, 排名也逐年提高。从中国以第一国家身份的发文情况来看, 发文量和排名每年均有提高,2017年排名已达第3名, 这是国家整体科研水平提升的体现, 同时也是我国极地战略受到重视,“人、财、物”投入不断增加的结果。

表1 中国极地研究总产出与第一国家产出情况Table1.Statistics of China polar research

2.2 极地研究主要机构分析

2015—2017年, 极地研究共涉及7427个机构, 需要指出的是, 尽管中国科学院、俄罗斯科学院等拥有数量众多的二级机构, 但限于数据源的问题, 无法区分二级机构, 因此中国科学院、俄罗斯科学院等均作为一个单独机构进行统计, Top20机构参与研究的统计情况如图2所示。

图2 Top20机构研究论文情况统计Fig.2.Top 20 organizations in polar research

在Top20的机构中, 8个来自美国, 3个来自挪威, 由此可以看出美国和挪威在极地研究的重要地位以及机构参与的广泛性。美国极地研究力量众多且分散, 呈现明显的去中心化的系统创新布局, 美国自然基金委员会(NSF)负责组织大学和研究所参与极地研究, 美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、美国国家航空航天局(NASA)等机构则更多集中在业务性、基础性工作, 各个大学的研究各具特色, 几乎在极地研究各个领域保持着领先地位。挪威的极地研究力量布局集中在“四校两所”, 特罗姆瑟大学、卑尔根大学、奥斯陆大学、挪威科技大学, 以及挪威极地研究所和挪威海洋研究所[11]。英国、德国、中国、俄罗斯分别仅有1个机构在Top20中, 这与国家极地科技力量的集中布局有关, 英国南极调查局(British Antarctic Survey)、德国亥姆霍兹极地海洋研究中心(Helmholtz Ctr Polar & Marine Res)、俄罗斯科学院(Russian Acad Sci)均是各国极地研究的核心机构, 在该国的极地学术研究和事务咨询中发挥领导地位。加拿大整体发文量排名靠前但相关机构研究势力较为均衡, 考虑到加拿大较少从事南极科学研究, 其在北极的研究力量和实力不容小觑。俄罗斯科学院是论文产出量最多的机构, 共621篇, 在Top20研究机构中占比9.29%, 这得益于俄罗斯科学院众多的分支机构, 如乌拉尔分院、西伯利亚分院、远东分院三所分院及其15个地区科学中心, 下属研究机构多达432所[12],其中希尔绍夫海洋研究所、植物和动物生态所、永久冻土研究所是极地研究产出的主要力量。作为学术成果的第一作者机构, 俄罗斯科学院在2015年和2017年都位居榜首, 三年以来, 年均以第一机构身份产出相关文献超过122篇。阿拉斯加大学费尔班克斯校区(Univ Alaska Fairbanks)和华盛顿大学(Univ Washington)总发文量分别为595篇和432篇, 分别位列第二和第三名。

如表2所示, 中国在研究机构Top 20中, 仅有中国科学院(Chinese Academy of Sciences)上榜。2015—2017年, 中国科学院极地研究相关文献共产出为364篇, 2017年发文157篇, 位列第3名。中国科学院在极地相关研究中占有重要地位,2017年以第一机构身份产出相关文献72篇, 连续三年位列第3。中国科学院下属研究所众多, 海洋所、青藏高原所、西北生态环境资源研究院、空间科学中心等均参与极地研究工作, 研究人员规模和实力相对较强。中国科学院在近3年进步显著, 综合来看已经成为极地研究综合实力在前3的研究机构。国家海洋局(State Ocean Adm)在2015—2017年共发文134篇, 位列第2名; 中国海洋大学(Ocean Univ China)共发文98篇, 位列第3名。整体来讲, 我国极地科研的群体数量和产出能力还离世界一流水平有着一定差距, 结合后文高被引论文的分析, 高水平的成果也不突出,开创性的工作和引领极地前沿的能力有待加强,需要实现从“跟跑”到“并跑”的大幅进步。

表2 中国科学院极地研究总产出与第一机构产出情况Table2.Statistics of paper by Chinese Academy of Sciences in polar research

2.3 极地多学科领域的国家研究力量对比

极地研究相关文献Top20研究方向(SC字段)的统计情况如表3所示。

表3 Top20研究方向统计Table 3.Top 20 SC in polar research

地质学(Geology)、气象学与大气科学(Meteorology & Atmospheric Sciences)、环境科学与生态学(Environmental Sciences & Ecology)、海洋学(Oceanography)等是文献量较多的研究方向。利用Citespace对极地研究方向进行聚类分析, 以聚类结果为依据, 分别对其进行人工判别和筛选,分为极地海洋学、极地冰川学、极地生物学、极地地球物理学、极地大气与空间物理学、极地天文与天体物理学、极地环境科学与生态学等相关的7个类别。对发文量Top10的国家在这7个领域的发文量排名进行统计, 如图3所示。

图3 各国极地研究不同领域发文情况Fig.3.Statistics of polar paper by region and SC

极地海洋学的研究主要涉及海洋水文、海洋化学、海洋生物学和海洋气象学等, 对气候变化与自然环境保护有着重大意义。美国在极地海洋学领域占有极大优势, 其次是英国、德国、挪威和加拿大等国, 需要指出的是英国和德国对南北极的研究重视程度较为均衡, 挪威对北极研究较为重视, 加拿大则较少涉及南极海洋学研究。

冰川学主要涉及冰川物理学、冰川水文气候学、冰川地质地貌学等。极地冰川以其特有的科学研究价值引起各国科学家和各国政府的高度重视。20世纪中期以后, 冰川研究重点从山地冰川转向对极地冰盖的考察和研究, 尤其对南极大陆冰盖(地球上最大的冷源)的研究[1]。2015—2017年, 极地冰川相关文献共计2668篇, 美国是冰川研究文献产出最多的国家, 国家冰芯实验室(NICL)保存和分析了南极大陆和格陵兰岛的几乎所有冰芯样品和数据, NOAA和NASA的卫星则为全球提供了极地冰盖遥感监测的数据记录。冰川研究文献产出紧随其后的是是英国、德国。在全球变暖的背景下, 极地冰川的研究将会受到越来越多的重视。

极地生物学的研究主要涉及生物多样性保护、生态学、古生物等。2015—2017年, 共产出4506篇文献。美国是极地生物学研究最多的国家,加拿大、英国位列该研究主题文献产出量排行榜的第2名和第3名。

地质、地球环境、地理学等是极地地球物理学较为重要的研究方向。2015—2017年, 极地地球物理学相关研究共产出文献6283篇, 是文献产出量最多的研究领域。美国是极地地球物理学研究最多的国家, 2015—2017年共产出相关文献2507篇, 远远多于其他国家。英国与德国位列该研究主题文献产出量排行榜的第2名和第3名。

作为日地空间系统的重要部分, 日地空间环境易受太阳风暴的影响产生空间灾害性天气, 会给人类的航天、通讯、导航、电网、宇航员健康和空间安全等带来严重威胁和巨大损失, 因此日地物理的研究、监测和预报十分重要[13]。经筛选后极地大气与空间物理学研究主题相关文献共2044篇。美国是极地大气与空间物理学研究成果最多的国家, 英国、德国位列该研究主题文献产出量排行榜的第2名和第3名。这些研究多为气候变异相关研究、气候模型的研究、边界层相关研究、大气环流以及天气预测等。

南北极是天文观测的绝佳窗口, 为研究诸如宇宙起源、早期宇宙和宇宙暗物质、暗能量等重大问题提供一个新机遇[14], 极地天文与天体物理学极具研究意义, 南极天文学被南极研究科学委员会(SCAR)定义为六大优先研究领域之一[15]。总体来看, 极地天文与天体物理学的相关文献较少,经筛选后仅有328篇。美国仍是天文与天体物理研究最多的国家, 2015—2017年共产出相关文献166篇, 遥遥领先。其次是中国, 产出相关文献51篇; 英国紧随其后, 有48篇相关文献。

环境科学与生态学是一种研究人类社会发展活动与环境演化规律之间相互作用关系, 寻求人类社会与环境协同演化、持续发展途径与方法的科学[16]。极地环境科学与生态学相关文献共3836篇。美国是参与该领域研究最多的国家, 2015—2017年共产出相关文献1305篇, 远超其他国家。加拿大与挪威位列该研究主题文献产出量排行榜的第2名和第3名, 分别产出相关文献731篇和497篇。根据关键词聚类结果, 气候变化、海平面上升、海洋生态系统、生物多样性是该领域的研究重点。

2015—2017年, 中国在极地研究的几个领域中各有侧重。中国最为突出的是极地天文与天体物理学领域, 共发文51篇, 位居所有国家中的第2名; 其次是极地大气与空间物理学, 中国发文231篇, 位列第4名。在极地海洋学领域发文158篇, 在极地冰川学领域发文178篇, 在极地生物学领域发文262篇。排名较低的是极地地球物理学、极地环境科学与生态学, 分别发文373篇和202篇。整体来说, 中国近3年有所进步, 但是对比美国和英国等国家来看, 虽然中国相对名次较高, 但是绝对数量还有着明显差距, 这也表明中国还需要继续发挥优势学科的长处, 弥补弱势学科, 提高综合科研实力。

3 国际极地研究合作网络和热点分析

3.1 极地研究合作网络分析

将2015—2017年总发文量在Top 20的国家进行国家科研合作网络分析, 如图4所示, 原点大小表示国家发文量, 连线粗细表示合作强度。

图4 Top20国家科研合作网络Fig.4.Cooperation network of top 20 regions

在Top20国家中, 各个国家之间均存在合作关系, 联系十分紧密, 呈现了以地理位置毗邻的区域化合作以及强强联手的现象。美国、英国、德国等国家合作广泛, 起到了重要的媒介作用。欧洲国家之间的合作紧密程度明显强于亚洲, 一方面是出于极地研究历史、地缘和语言沟通方面的优势, 另一方面作为环北极地区最为重要的国家联合体-欧盟在推进极地研究过程中发挥着巨大的影响作用, 如欧盟发布的《欧盟北极政策建议》中提出“与所有北极伙伴国家建立双边合作,加强与其在科学研究和投资等领域的合作”[17]。环北极国家在基础研究设施和数据共享方面也逐渐呈现区域化一体化趋势, 如北极陆地研究和监测国际网络(International Network for Terrestrial Research and Monitoring in the Arctic, INTERACT)集成了全球15个国家和政府在北极地区的87个陆地观测站, 其中俄罗斯共拥有21个观测站, 加拿大拥有20个观测站, 挪威拥有10个观测站, 各站之间的样品、数据和研究设施均按照合作协议进行共享[18]。

此外, 如图4所示, 美国和英国之间的合作强度是网络中最高的, 美国、德国、挪威与其他国家的合作较为均衡, 与中国合作关系最强的是美国, 其次还有德国、英国、加拿大、澳大利亚等, 但合作密切程度均不及美国与其他国家的合作。中国还应加强同其他国家尤其是极地研究强国的互动关系, 进一步进行知识和技术的引进和传播。

2015—2017年极地研究总发文量Top20的机构科研合作网络, 如图5所示。

图5 Top20机构科研合作网络Fig.5.Cooperation network of top 20 organizations

美国阿拉斯加大学费尔班克斯校区(Univ Alaska Fairbanks)、科罗拉多大学(Univ Colorado)、美国华盛顿大学(Univ Washington)以及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)是该网络中整体合作关系最强的机构, 也反应了美国在极地科技创新活动中的紧密协作程度。根据合作强度来看, 美国国家海洋和大气管理局、美国科罗拉多大学(Univ Colorado)与美国华盛顿大学(Univ Washington); 丹麦哥本哈根大学(Univ Copenhagen)与丹麦奥胡斯大学(Aarhus Univ); 阿拉斯加大学费尔班克斯校区与美国地质调查局(US Geol Survey)是关系最为紧密的三组合作机构, 且呈现出以地理区域为合作对象选择的现象, 形成了国家的群体创新格局。中国科学院(Chinese Acad Sci)与其他极地研究的主力机构合作强度较为分散, 没有特别突出的合作对象, 相较而言, 美国国家海洋和大气管理局、俄罗斯科学院(Russian Acad Sci)、英国南极调查局(British Antarctic Survey)等机构是与中国科学院合作较为紧密的研究机构。

3.2 极地研究热点分析

识别极地研究的热点与前沿, 对于了解和掌握极地研究发展现状有着重要作用。

图6给出了2015—2017年Top100的关键词聚类结果, 大致分为与北极海洋和大气相关、与南极相关海域与群岛相关、与北极相关海域与群岛相关、与极地生物与生态系统相关、与极地地质相关、与极地环境与气候、与极地冰川相关、与利用建模研究极地发展变化相关的8个类别,详见表4。可以看到, 总体而言, 极地环境与生态与极地地质类方向的相关研究较多。在北极地区,海冰动力学变化、大气环流、格陵兰冰盖、冻土和苔原变化及其社会经济影响是国际上研究的焦点, 巴伦支海、楚科奇海、白令海、波弗特海、弗拉姆海峡、斯瓦尔巴群岛是研究的热点区域;在南极地区, 南大洋环流、南极冰盖动力学、冰芯古气候、海洋生物与生态等是国际上研究的焦点, 南极重要的边缘海如威德尔海、罗斯海以及南极半岛是研究的热点区域。

图6 Top100关键词聚类图谱Fig.6.Cluster analysis of top100 keywords

表4 Top100关键词聚类详细结果Table 4.Detailed results of top100 keywords

续表4

续表4

一个学科领域的知识基础是由该学科领域的共被引文献集合组成的, 而研究前沿是由引用这些知识基础的施引文献集合所组成的[19]。文献共被引图中每个圆圈表示一个文献节点, 圆圈的大小表示文献的被引次数, 每个年轮不同的颜色表示不同的年份, 每个年轮的厚度表示该文献每年的被引频次。外围有深色圆圈的节点表示该文献有较大的中介中心, 表明该文献在极地研究过程中有较强的关联作用。

2015—2017年Top20文献共被引网络的叠加图及聚类分析, 如图7所示。可以看出, 2015年及2016年多集中于与大气环流相关的研究。而2017年除上述两种类别外, 永久冻土、极地土壤相关主题以及与生物多样性、极地物种相关的主题集中出现。高被引文献表明该文献本身受到本领域较多学者的关注, 同时这些文献的质量、观点和研究方法等得到了本领域研究者的认可[20]。文献被引次数最高的为318次, 是DeConto等[21]在2016年发表于《NATURE》的《Contribution of Antarctica to past and future sea-level rise》一文,主要研究极地气候变化对海平面上升的影响。其次是关于冰川消融、空间大地测量相关的模型研究[22]以及欧亚冰盖的时间演变问题[23], 其次是关于环境污染[24]、冻融效应对土壤的影响[25]研究。

图7 2015—2017年Top20文献共被引网络叠加及聚类分析Fig.7.Overlay co-citation network and cluster map of high-cited papers

4 总结与讨论

极地研究具有很强的综合性特征, 是大国之间利益和影响力竞争的战略制高点[26]。通过对2015—2017年138个国家的极地文献分析, 可以得出如下结论和建议。

1.美国、英国、加拿大、德国和挪威这5个国家在极地研究中一直保持着强大的科研能力与影响力, 国家内部科研机构之间形成了创新集群,在极地国际合作方面也展示出区域合作中心的特点, 国际合作交流程度较强; 中国、俄罗斯、丹麦、法国和澳大利亚等国家的科研能力位于第二梯队, 相比较而言我国的极地研究已具备数量和规模优势, 但国际合作强度较低, 且主要依赖于美国。

2.极地研究呈现出以地理位置毗邻的区域化合作以及强强联手的现象。美国、英国、德国等科技实力较强的国家合作广泛, 而相关文献产出TOP20的机构多来自美国和挪威, 且也呈现出以地理区域为合作对象选择的现象。北极八国之间的合作紧密, 在2018年北极理事会发布《关于加强北极国际科学合作的协议》之后, 北极八国合作趋势将进一步增强。相比较而言, 亚洲国家相互之间的区域化合作较弱, 以美国和欧洲国家作为主要合作对象。我国极地研究主要以美国为合作对象, 在中美科技激烈竞争的态势下, 美国势必会选择后退和“卡脖子”, 加大与俄罗斯、德国和北欧国家之间的合作或许是较好的选择,尤其是与这些国家在优势研究领域方面的合作。

3.各国的极地研究力量布局和成果产出与国家的战略目标之间有非常明显的支撑关系, 如挪威的极地环境与生态学的研究产出位居世界第3, 而且全部集中在北极地区, 有力地支撑了“北极环境事务的世界领导者”的国家极地战略目标。加拿大将北极海岸带生态系统和可持续渔业作为国家战略目标的重点, 可以看到加拿大在极地生物学和环境生态学产出位居世界第2, 形成了很好的科技支撑优势。这些科技优势和信息优势将在国际极地治理的进程中扮演核心的角色, 成为维护国家利益、实现战略目标的硬实力。同时, 极地科学产出与政策制定之间也能够形成良好互动,基于科学证据的政策制定是推进极地治理能力的趋势, 一个国家的极地研究核心机构与极地事务咨询机构多数情况下是一体的(如AWI、BAS、AAD)。

4.从极地研究的热门领域来看, 地质学、气象学与大气科学、环境科学与生态学、海洋学等是文献量较多的研究方向, 气候变化、海冰、生态系统等是相关学者关注较多的热点主题。对于我国来说, 极地大气与空间物理学、极地天文与天体物理学是我国的优势学科, 但极地环境科学与生态学和极地地球物理学均跌出发文量TOP10榜单, 考虑到极地环境保护与国家极地权益维护之间的密切关系, 以及极地地球物理与资源勘探之间的紧密联系, 这两方面是我国未来应重点加强投入的领域。

总体而言, 我国的极地研究科技布局需进一步优化, 需加强国家极地总体战略目标和极地科技前沿的双重牵引, 重点建设多个世界一流的科研机构,形成具有我国特色的极地科技创新集群; 应加强极地国际合作的路径设计, 降低中美竞争所带来的合作依赖风险; 加大投入, 注重研究成果的创新性和影响力, 实现极地研究从数量向质量转变。