基于VOSviewer的雪物理特性研究現(xiàn)狀和前景分析

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(lái)，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?lái)諸多影響，比如積雪會(huì)對(duì)建筑物[1]造成破壞，雪崩會(huì)威脅人類(lèi)安全，雪反射陽(yáng)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(guò)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(guò)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(kāi)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(lèi)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)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

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(wú)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(lèi)，在關(guān)于雪的結(jié)構(gòu)、物理特性研究領(lǐng)域的聚類(lèi)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(lái)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(lèi)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。

1.2 研究方法

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(lèi)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(lái)。

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(xiàn)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(xiàn)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]。

2 樣本數(shù)據(jù)分析

2.1 發(fā)文趨勢(shì)分析

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(jiàn)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

2.2 期刊收錄情況

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(jiàn)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

2.3 國(guó)家、機(jī)構(gòu)及科研人員合作關(guān)系分析

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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)展很早，自2014年開(kāi)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(kāi)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(lài)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(jiàn)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(zhuān)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

2.4 關(guān)鍵詞分析

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(lèi)群以展示該領(lǐng)域的幾種熱門(mén)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(lèi)視圖，見(jiàn)圖5。在關(guān)鍵詞的聚類(lèi)視圖中關(guān)鍵詞被劃分為3個(gè)類(lèi)群，并從VOSviewer分析結(jié)果中得出每個(gè)類(lèi)群出現(xiàn)頻次前五的關(guān)鍵詞，見(jiàn)表3。

表3 聚類(lèi)一和聚類(lèi)二、聚類(lèi)三中出現(xiàn)頻次前五關(guān)鍵詞

圖5 關(guān)鍵詞聚類(lèi)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(kāi)發(fā)多種氣象勘探工具來(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)積雪峰谷幅度的不足，基于非線(xiàn)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。

3 結(jié) 論

(1)目前對(duì)于雪的物理特性領(lǐng)域的研究越來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)程研究三個(gè)方面結(jié)合具有很好的研究前景，期待開(kāi)拓出更多關(guān)于雪物理特性的新的研究方向。