ESI高影響論文揭示的北極自然科學研究特點

寧寶英

（中國科學院西北生態環境資源研究院文獻情報中心，甘肅蘭州730000）

0 引言

2019年3月13日，聯合國環境規劃署發布《全球紐帶——圖說變化的北極》報告［1］，該文件指出，即使實現《巴黎協定》制訂的減排目標，到2050年北極冬季氣溫將在1986—2005年的水平上升高3～5℃，到2080年升高5～9℃，這將進一步強化北極地區凍土退化、冰川退縮、海冰減少和溫室氣體排放的正反饋，且導致全球海平面上升。這些變化將導致北極地區出現一系列的環境問題，與此同時，也使得該地區資源勘探開發與國際新航道開通成為可能。巨大的經濟利益、重要的軍事價值和科研價值、不可替代的國際戰略與航道地位、對全球氣候變暖的獨特影響，諸多因素推動北極地區日益成為各國政府和學術界關注焦點［2-5］、國際戰略地位愈加彰顯，各國圍繞北極地區的權益博弈也日趨激烈。

2006—2014年期間，北極理事會的8個成員國先后出臺了北極政策或戰略。中國于2018年發布《中國的北極政策》白皮書，明確了中國是北極事務的利益攸關方［6］。北極自然科學信息獲取及創新性研究，是認識北極、保護北極和利用北極的基礎。國內學者從北極的環境［7］、能源［8］、航線［9-11］、環北極重要國家的北極政策等［12-15］方面綜述了北極研究進展。除領域研究外，文獻計量分析因可提供整體視角、揭示隱含信息、發現知識關聯也被運用到北極研究中：牛藝博等［16］基于2010—2016年源自SCIE和SSCIE的46 000多條數據，分析了全球極地研究的發展格局和變化趨勢；於維櫻［17］等單獨以北極地區海洋為對象，通過計量分析研究其發展態勢。目前研究論文眾多，各方面都顯得很重要。但是總體上，哪些研究是最熱的、最重要的，最核心的研究力量如何分布，重要進展及其相互間的聯系等，尚不明確。

ESI高影響論文（ESI top paper，包括ESI熱點論文hot paper和ESI高被引論文highly cited paper）作為ESI評價體系中的基本指標，是當今世界范圍內評價國家或地區、學術機構、個人學術水平及影響力的重要評價依據。北極研究的SCIE論文數量龐大，相較于使用全部SCIE文獻所做的大量分析，基于高影響論文的分析可宏觀而概要地揭示北極研究中最具影響力的研究力量、最核心的研究領域和最新的重要進展，從而為了解中國目前在北極自然科學研究中的地位、明確今后重點發展方向、開拓極地國際合作新疆域、提升極地快速變化應對能力、打造極地全球共治的中國范式提供最精要的信息。

1 檢索策略與數據分析方法

北極地區有多種定義：地理學的定義是指北極圈（66°34′N）以北地區，以極晝和極夜為主要特點；此外還有基于氣候學、生態學、物候學、文化歷史學、社會學和政治學等的定義。本文采用地理學定義，北極地區包括北冰洋、邊緣陸地海岸帶及島嶼、北美大陸和歐亞大陸的北極苔原和最外側的泰加林帶，環北極國家指加拿大、美國、俄羅斯、挪威、瑞典、芬蘭、冰島和丹麥8國［18］。

檢索策略為主題檢索。在SCIE數據庫中，以與北極有關的地理學名詞作為關鍵詞，檢索相關SCIE文獻，并在檢索結果中遴選ESI高影響論文為分析對象。主題詞包括3部分：（1）北極與北極地區；（2）北冰洋及相關島嶼和群島；（3）北極苔原和北極泰加林（又名：北方針葉林），文獻類型限定為Article、Letter和Review①檢索式：ts=(((Arctic NOT"sub Arctic")OR"North Pol*")or((“Arctic Ocean”)or(“Beaufort Sea”)or(“Greenland Sea”)or(“Barents Sea”)or(“No?vaya Zemlya”)or(“kara strait”)or(“Franz Josef Land”)or(“Kara sea”)or(“Karskoje More”)or(“Severnaya Zemlya”)or(“bolshevik island”)or(“octo?ber revolution island”)or(“komsomolets island”)or(“pioneer island”)or(“maly taymyr island”)or(“starokadomskogo island”)or(“schmidt island”)or(“Laptev Sea”)or(“Greenland”)or(“Spitz Bergen island”)or(“The Svalbard archipelago”)or(“West Spitsbergen”)or(“Nordaustlandet”)or(“North East Land”)or(“Barents Island”)or(“Baffin Island”)or(“taymyr peninsula”)or(“Vilkitskogo Strait”)or(“Vilkitsky”)or(“Chelyuskin”)or(“The East Siberian sea”)or(“Chukchee Sea”)or(“Lomonosov Ridge”)or(“Mendeleyev ridge”)or(“Alpha Ridge”)or(“Norskehavet“)or(“White Sea“)or(“The Canadian Basin”)or(“the marble ocean basin”)or(“the South Sen basin“)or(“new siberian island”)or(“Novosibirskiye Island”)or(“Lyakhovskye Is?land“)or(“De Long Island”)or(“Belkovsky Island”)or(“Kotelny Island”)or(“Bunge Island”)or(“Faddeyevsky Island”)or(“Dmitry Laptev Strait”)or(“Arctic Archipelago”)or(“Wrangel Island”)or(“Chukchi Peninsula”)or(“Lofoten basin”)or(“Kola Peninsula”)or(“Kolguyev island”)or(“Scan?dinavian Peninsula”)or(“Pechora Sea”)or(“White Sea”)or(“Gustaf Adolf”)or(“Lincoln Sea”)or(“Proliv Karskiye Vorota”)or(“Boothia Gulf”)or(“Fram Strait”)or(“Amundsen Gulf”)or(“Vaygach island”))or(“Arctic tundra”or“Tundra zone”or“Arctic Taigan”or“boreal forest”or“Siberia*taiga forest”)))。截止2019年6月1日，SCIE文獻82 000多篇，其中ESI高影響論文598篇，經過文獻題錄信息閱讀，剔除不相關文獻后，確定進入分析范圍的文獻為408篇。

數據分析采用EXCEL和VOSViewer，其中VOSViewer軟件可通過共現分析呈現字段的網絡結構關系，在進行作者、機構和國家分析時，編寫了字段敘詞表以合并同義詞。此外，分析中還結合文獻閱讀和內容分析。

2 分析結果

2.1 文獻數量年際分布

ESI統計時間段為近10年，每兩個月更新一次數據。2019年目前有3篇為高影響論文（因2019年數據為截止檢索日的部分數據，故未在圖1中顯示）。2009—2018年高影響論文數量較為穩定，每年在40篇左右，以2014年分界，前6年波動上升，從37篇增加到52篇，自2014年后逐漸下降，2018年為31篇，近5年數量下降的部分原因為文獻存在引用周期。結合全部SCIE發文數量，整體發文呈平穩較快上升趨勢，說明對該領域的關注在持續增強。

2.2 主要研究力量

2.2.1 作者

高影響論文作者之間幾人成群、不同作者群之間相互獨立、作者合作關系松散。較大的作者群有：以美國Colorado大學的Stroeve，Julienne C.（研究重點為北極海冰分布與模擬）、荷蘭Utrecht大學的Van Den Broeke，Michiel R.（研究重點為格陵蘭冰蓋對海平面變化的貢獻）為核心的作者群。發文最多的通訊作者是英國Exeter大學的Screen，James A.（7篇），研究重點為北極海冰與北極放大效應。

2.2.2 機構

408篇論文涉及了884個機構，共出現2962次，篇均7.26個機構。高影響論文的多機構合作創新特點明顯。

發文量超過總量5%的機構有16個（表1），10個為美國機構，且排名前8位的均為美國機構：阿拉斯加大學排名第一，發文90篇，其次是科羅拉多大學（80篇），第三名是美國國家海洋和大氣管理局（62篇）；加利福尼亞大學、華盛頓大學、美國國家航空航天局、美國國家大氣研究中心、加州理工學院依次排第4～8位。中國科學院排名第9。其次是歐洲瑞典、俄羅斯、德國、荷蘭的機構和加拿大阿爾伯塔大學。

在所有機構間，相互關聯強度處于前30位的機構，形成了密切的互聯合作網絡（圖2），并形成較明顯的合作聚類：（1）核心——美國：以多個美國機構（華盛頓大學、科羅拉多大學、美國國家航空航天局、美國國家海洋和大氣管理局、加州理工學院、美國國家大氣研究中心）形成的合作聚類；（2）中間——環北極：美國阿拉斯加大學、荷蘭烏得勒支大學、瑞典斯德哥爾摩大學、芬蘭赫爾辛基大學、挪威奧斯陸大學、加拿大阿爾伯塔大學、丹麥奧胡斯大學基本為環北極國家頂尖大學合作聚類；（3）外圍——跨地域：以美國哥倫比亞大學和伍茲霍爾海洋研究所、法國巴黎大學、德國赫姆霍茲海洋研究中心和馬克斯普朗克化學研究所、英國愛丁堡大學、中國科學院構成的最大地域跨度合作聚類。

2.2.3 主要國家

因1篇文章中，可出現多個國別信息，因此，單純統計國家的頻次不足以說明問題，此處采用百分比來顯示。

以全部作者計，408篇文獻涉及60個國家，文獻量的國家占比（表2）中，美國以絕對優勢領先，占總量的4成，其次是英國、加拿大、德國，占比在6%～9%之間；挪威和法國占比接近5%，其余的（澳大利亞、荷蘭、瑞典、丹麥、俄羅斯、中國、瑞士）在2%～3%之間，中國占比2.19%。這些國家中，除環北極國家外，就是積極參與北極事務的國家。

以通訊作者計和以第一作者計的國別分布略有差別，前5位順序不變，前4位第一作者占比略高于通訊作者，美國占比增加至45%。澳大利亞、新西蘭和瑞典三類占比基本相同。變動較為明顯的國家包括：全部作者法國占比4.46%，而在通訊作者和第一作者國家占比均降至2%以下；中國第一作者占比不到2%，而通訊作者占比為2.45%；俄羅斯、瑞士僅在全部作者中占比超過2%，而在通訊作者和第一作者占比中降至2%以下。通常認為，第一作者、通訊作者、參與作者在一篇文章中的角色定位依次為執行者、領導者、參與者，而中國是唯一通訊作者、參與作者、第一作者占比依次降低的發文國家，但占比差別很小。

發文超過4篇的31個國家間形成了密切的合作關系（圖3），美國處于絕對領先的核心地位，合作關系中明顯地形成3個合作聚類：美國、英國、法國、澳大利亞、日本、中國、韓國、冰島和比利時合作緊密；環北極國家（挪威、加拿大、丹麥、瑞典、芬蘭）形成密切合作關系；歐洲國家（德國、荷蘭、俄羅斯、波蘭、西班牙、意大利、瑞士、葡萄牙、奧地利、冰島、捷克、愛沙尼亞）與新西蘭交錯合作網。

2.3 主要基金資助機構

366篇標注了基金資助機構信息，共1 676個，篇均4.11個（表3）。數量最大的基金資助機構是美國國家自然科學基金，有211項，其次是英國自然環境研究委員會（104項）、美國國家航空航天局（100項）。在基金數量不低于10項的資助基金機構中，美國的還有美國能源部（69項）、美國國家海洋和大氣管理局（55項）、美國地質調查局（13項），總計448項，占總量的26.73%，數量占絕對優勢。另外4個環北極國家（加拿大、挪威、瑞典和芬蘭）的資助基金在11～31項之間。澳大利亞研究委員會、德國聯邦教育和研究部、中國國家自然科學基金在10～13項之間。

表3 主要基金資助機構Table 3 The major Funding Agencies

中國資助基金數量共有26項，占全部基金數量的1.55%，若以第一資助基金統計，僅有7項，占第一基金總量（366項）的1.91%，基金占比與人員參與合作占比、發文量占比相較，基金占比更低。

高影響論文字段分析結果揭示美國在北極研究中的絕對優勢地位，幾近占據半壁江山。相比之下，作為非環北極國家的中國各項指標（論文數量、作者、機構、資助）僅在2%左右，在北極研究影響力方面相當弱，反映出中國北極研究的合作參與、外圍相關（以與北極相關的青藏高原、北大西洋為主、未真正深入北極核心區；數據獲取多為間接式、分析方法以模擬為主；國家間合作關系網絡中處于邊緣位置）、微量切入（中國作者量少、第一作者論文僅有8篇）的特點。這一方面與不占地利有關，一方面可能與平臺有關，例如高影響論文主要發表期刊為美英期刊（美國、英國、德國、荷蘭依次有11、4、2、1個，美國期刊數量絕對領先）。

3 主要研究領域

3.1 研究類別與研究方向

在254個WOS類別和153個研究方向中，403篇高影響論文涉及的WOS類別和研究方向主要分布在地學和地質學（20%）、氣象學和大氣科學（16%）、環境科學（11.63%、16.11%）、海洋學（5%）、自然地理學（5%）（表4），總體上高影響論文形成以地學為主，環境科學其次的以地、人地關系為兩大核心的研究格局。

表4 主要WOS類別和研究方向Table 4 The major WOS categories and research areas

3.2 研究內容

依據論文中的作者關鍵詞（僅40%文獻含作者關鍵詞信息，表5），利用關鍵詞之間的共現關系，形成基于作者關鍵詞的研究內容網絡（圖4），為更清晰展現關鍵詞之間的關系，圖中未含檢索詞Arctic。可以看出，北極地區研究，高影響論文揭示出以氣候變暖為核心和背景，輻射相關海冰和海洋、生物與典型生態系統（生物多樣性適應與保護、北方針葉林、苔原、微生物）、冰川退縮與凍土退化、溫室氣體和氣溶膠、氣候影響等領域的整體研究格局。為補充因數據庫作者關鍵詞字段缺失造成的信息展示不充分，對全部文獻的摘要和部分全文進行了閱讀，并據此對主要研究內容的闡述進行細節補充。

表5 高頻作者關鍵詞Table 5 High frequency author keywords

圖4 作者關鍵詞網絡Fig.4 Author keywords network

3.2.1 海冰與海洋研究

氣候變暖引起的海冰減少（sea ice loss），是海冰研究中的重點和基調，對其減少機制的探究（如atmosphere-ocean interaction，注：3.2.1～3.2.4節中每部分第一段中括號內的英文單詞為該關鍵詞相關領域的詞匯，并非一一嚴格對應的翻譯）和模擬（model intercomparison）是重要內容，由于海冰減少而正向反饋的北極放大效應（arctic amplification）、海冰融化后的冷淡水外流，對北半球洋流（circulation）及氣候變率（climate variability、mid-latitude weather、atmosphere circulation）的影響也是重要方面，海洋酸化（acidification）和微塑料污染（marine microplastics pollution）也是北極面臨的兩大環境壓力。

15.2%的（62篇）文獻討論海冰，主要內容包括海冰總量減少、一年冰增多、結冰期延遲。海冰呈減少趨勢是共識，分異點在于減少的時空異質性、原因和影響、夏季無冰期的出現時間和持續時間。（1）海冰減少。Cavalieri和Parkinson［19］基于北極地區32年（1979—2010年）衛星被動微波輻射計數據，分析北極海冰趨勢，認為除白令海外，海冰范圍和面積的年際趨勢均為負值，在海冰范圍和面積的季節性基礎上，夏季的負向趨勢最大，秋季的負向趨勢次之。2012年9月13日，北極海冰范圍達到有衛星記錄以來的最低點，為3.4×106km2，海冰面積3.0×106km2［20］。（2）海冰減少的原因。原因多樣，包括：每年增加的1 000～500 hPa厚度場［21］、夏季大氣環流的趨勢［22-23］（被認為可能對1979年以來9月海冰范圍下降貢獻率高達60%）、秋冬季潮濕空氣［24］、表面混合層的出現（斯瓦爾巴北部）［25］、大量淡水的注入［26-29］、尤其是大西洋暖水的注入［30-32］，加劇海冰減少。在波弗特海的研究認為，海冰減少與海洋熱釋放引起的周期性逆轉有關，海洋熱釋放引起的秋季冰前進的周期性逆轉，秋季風浪使上層海洋的熱量混合到表面，然后使剛形成的薄、新冰層融化［33］。（3）一年冰增多。北極海冰覆蓋正在從多年冰向季節性冰轉變，季節性冰更低的反照率加速海冰減少的正向反饋，并使夏季無冰期延長［34-36］。（4）結冰期延遲。在過去的十年中，北冰洋表面溫度增加了0.5～1.5℃，這在很大程度上解釋了北冰洋附近海域秋季結冰的延遲現象［37］。

海冰減少造成影響是多方面的、綜合性的、全球性的［38］，包括大氣系統、生態環境、人類生產生活等多個領域：（1）對北半球中緯度氣候的影響：秋季北極海冰面積的減少，一是導致大氣水汽含量增加，冬季多雪；二是使阻塞模式出現得更加頻繁，寒潮加劇［38-39］。北極海冰減少促使北半球冬季出現極寒天氣的可能性增加［40-45］，并被認為是中國華北平原冬季霧霾的成因之一［46-47］。（2）對生態的影響：生產力、物種相互作用、種群混合、基因流動、病原體和疾病傳播［48］。（3）對人類生產生活的影響：北極海冰減少削弱了大西洋經向翻轉環流［49］、若海冰持續減少到21世紀中葉可通航新的跨北極航線［50］。

海洋酸化是北極海洋研究重點之一，其整體趨勢模型表明［37］，到本世紀末，在IPCC A2方案中，地表水的pH值將從工業前的8.2下降到大約7.8，相對于工業時代的開始，海水酸度明顯增加。海洋酸化對海洋生物從個體生理到種群結構均產生負面影響：海洋酸化可能改變幼蟲行為和損害其感官能力，從而對魚類繁殖造成重大威脅［51］。

3.2.2 生物與生態系統

苔原帶（tundra、shrub tundra）、高山帶（alpine）和北方針葉林（boreal forest）等陸地生態系統（terrestrial ecosystem）、北冰洋生態系統（marine ecosystem）及多種生物（vegetation、plant functional type、fish）在面對環境變 化（warming、wildfire、disturbance、sea level rise）時，生物從個體生理表征（photosynthesis、respiration）、生態系統從整體響應（dynamic vegetation model、feedback、ecosystem function、population dynamics）兩個層面適應（adaptation）氣候變暖的影響。人類也開始注意并保護（conservation）北極生物多樣性（diversity、species richness）。生物地理學（biogeography）中，細菌（bacterial diversity、bacteria）和古生菌（archaea）被重點關注。

變暖背景下，北極生態系統出現一系列變化：（1）北冰洋初級生產繼續增加［52］，藻類［53-54］和浮游植物［55］大量繁殖，北冰洋大陸架生物生產力增加［56］；（2）生物群落向北擴展，大型洄游魚類捕食者的豐度和分布區域的增加；北極大陸架魚類群落向北到達與深極地盆地接壤的較深區域［57］；灌木擴張［58-59］；植被區轉移，木本覆蓋增加52%［3］；北極苔原被重塑［60］；苔原和北方森林中植被分布出現新模式［57，61］；（3）北極苔原對氣候變暖的反映增強［62］；（4）火災風險增加，北方森林在溫暖和干燥條件下可以維持幾個世紀的高強度火災狀態［63］，閃電是近幾年北美北部森林大火的主要驅動力［64］；（5）生物種群面對壓力的適應。北冰洋似乎正經歷著從極地向溫帶模式的根本轉變，這可能會改變海洋生態系統，如海洋哺乳動物的亞區系和棲息地變化［65］；不同魚類的溫度容忍度不同，受到的影響不同：巴倫支海鱈最近顯著增加［66］，鮭魚則通過每次產更高數量的卵維持遺傳多樣性［67］；氣候變暖可能導致全球漁獲潛力的大規模再分配，高緯度地區的平均增長率為30～70%［68］；51份北極海洋生物群對氣候變暖反映的報告可基本代表當前概況［69］，內容包括：豐度、生長/條件、行為/物候和群落/領地變化，其中大多是關于海洋哺乳動物（特別是北極熊）和魚類的，充分記錄浮游生物和底棲生物的文獻驚人的少，且明顯缺乏北冰洋特有物種、冰藻產量及相關群落的物種豐度和分布的定量報告，廣大的西伯利亞大陸架和北冰洋中部等地區的文獻中幾乎沒有關于氣候變暖對海洋生態影響的文獻，盡管氣候變暖的性質讓人擔憂，且其對北冰洋有強大的潛在影響，但評估氣候變暖對該區影響的研究工作卻相當有限。（6）細菌的生物多樣性改變，分為物種和群落兩個層面，如甲烷營養細菌［70］和土壤細菌群落［71］的生物多樣性，Chu［71］認為細菌群落分布的控制因素與宏觀生物群落存在根本的不同，生物群落定義對預測全球土壤微生物多樣性沒有幫助。（7）污染物濃度增加。主要涉及微塑料、汞、溴化阻燃劑、有機氯農藥、聚氟和全氟有機化合物、石油、過氧乙酰硝酸鹽、有機鹵素、有機磷酸酯、多溴二苯醚等污染物的分布、輸送、生物富集及對生物體的影響。北冰洋成為微塑料的沉淀池［72-73］，但微塑料和生物間的相互作用仍需進一步研究［74］。污染物還產生連帶影響，如過氧乙酰硝酸鹽分解釋放的氮氧化物分別占北極表面臭氧生成量的93%和55%［75］。

3.2.3 冰川退縮與凍土退化

北極地區氣候變暖，導致陸上冰川尤其是格陵蘭冰蓋和沿海冰架崩解（ice sheet dynamics、deglaciation），北極苔原多年凍土（permafrost）退化致溶解有機碳（dissolved organic carbon）和重金屬（heavy metal）成分釋放，改變了整體水環境（aquatic environment）的生物地球化學組分。

38篇文獻研究格陵蘭冰蓋、冰川物質平衡虧損成因、程度與時空分布、動力學過程與機制、對海平面上升的貢獻。（1）成因。基本認同是熱力而非動力造成冰川物質平衡虧損［76-80］。（2）程度與時空分布。物質平衡虧損數量在增加是共識，加拿大北極群島冰川和冰蓋的質量損失急劇增加［81］；格陵蘭冰蓋2012年夏季冰川融化創造了多個新記錄：自有衛星數據以來融化的量最多、97%的冰層有融化、融化期比1979—2011年的均值長近2個月［82］；2012年7月12日的格陵蘭冰蓋的極端融化事件中，表面或其附近發生的融化占其整個范圍的98.6%，甚至包括通常是冷極區的高海拔地區，如干雪相成冰的山頂［83］。（3）動力學過程與機制。格陵蘭西北部海洋出口冰川運動速度加快［84］，多個研究認為冰下排水是加速冰川運動的原因，如冰川鍋穴的存在使融水進入冰川內部［85］、高壓的冰下水和基底沉積物驅動的冰床界面運動［86］，但也有研究持相反論點［87］。冰流排水網絡與物質平衡變化、冰川內部動力反饋機制的關系基本未知，是未來工作需要補充的一個關鍵領域［88］。冰蓋和冰川融化的機制除了變暖融化外，Van Tricht等［89］認為云層是格陵蘭冰蓋徑流的主要驅動因素，有云層比晴空時融水徑流增加約三分之一；Bennartz等［90］認為液態水滴組成的低層云（“液態云”）的輻射效應在這一融化事件中起到了關鍵作用；Ryan等［91］認為冰蓋表面分布式生物源活性雜質控制的格陵蘭冰蓋暗區解釋了73%的觀測到的反照率空間變異性。（4）對海平面上升的貢獻。研究普遍認為，格陵蘭冰蓋的物質平衡虧損及其對海平面上升具有重要貢獻，差異在于使用不同數據集和模型得出的具體數量。

凍土退化、凍土環境顯著變化。（1）凍土升溫不均勻。與低溫多年凍土相比，高溫多年凍土的升溫速度要小得多，低溫多年凍土層正在迅速變暖［92］。（2）凍土區水文變化，主要表現為徑流增加。凍土退化形成淡水［93］，融雪與大量儲存在于有機土壤和湖泊中的水混合并置換而產生徑流［94］。冰楔退化和由此引起的地面差異沉降相關的水文變化將擴大［95］。Walvoord和Kurylyk［96］系統論述了多年凍土退化的水文影響，認為多年凍土水文領域在多尺度觀測、地下特征、模型構建以及與其他學科的整合等方面正在迅速發展，但預測氣候變暖的相關后果是長期挑戰。研究的難題包括：（1）研究條件不足：模型不具體、凍土區的水文地質特征信息不充分、缺乏歷史數據、結構和過程表示太簡單滿足不了模型模擬的高計算要求；（2）自然條件的復雜性：多年凍土的地下非均質性、融化模式和速率的不均勻性、多年凍土退化模式和水文變化之間的聯系不易擴展、變化軌跡也可能不同。

3.2.4 大氣、天氣與氣候系統（溫室氣體和氣溶膠、大氣耦合模式比較計劃、中高緯度天氣）

氣候變暖背景下，北極地區進入大氣的溫室氣體（greenhouse gas），尤其是凍土退化釋放的CH4和CO2等，改變氣溶膠（aerosol）組分，影響全球碳循環（carbon cycle）。為系統觀測北極地區大氣環境變化而組織實施的大型大氣研究計劃（CMIP3、CMIP5），采取實測和模擬（climate model）的形式記錄和預測（spatial trend、temporal trend）北極氣候變暖對北極土地利用變化（land use change）和整個地球系統的影響。

凍土退化釋放溫室氣體受到極大重視。北半球高緯度地區有兩個巨大的碳庫：多年凍土和北方針葉林。在碳的釋放方面，除CO2外，CH4研究近來受到的重視很多。（1）CH4排放。2008年時北極地區的CH4排放增長幾乎為0，說明當時多年凍土和甲烷水合物對氣候的強烈反饋還未被激活［97］，當時排放總量中僅2%來自北極地區［98］。在當前觀測到的氣候變暖面前，二者極易失穩，且失穩的速度和強度預期會隨著時間的推移而增加［99］。21世紀CH4排放的形式將從化石燃料轉變到生物甲烷［100］。多年凍土CH4排放量受溫度、水文條件、活動層厚度、植物組成、微生物組成多要素影響，相互間作用存在非線性的復雜性，這使得CH4排放對多年凍土退化的響應具有很大不確定性［101］。（2）甲烷水合物。東西伯利亞北極大陸架沉積物［102］和西斯匹次卑爾根大陸邊緣海床［103］發現CH4排放源，但目前還沒有確鑿證據表明水合物衍生甲烷正在進入大氣［104-105］。存在的關鍵問題包括：CH4排放對氣候系統的反饋在多數全球氣候變暖模型中未被考慮到；凍土退化過程中土壤微生物對CH4的影響機理；凍土退化對CH4排放影響的空間異質性。

氣溶膠。Wofsy等［106］認為北極上空有高密度污染物、黑炭和生物源CH4。生物質燃燒被認為是北極地區一次和二次有機氣溶膠的主要來源［107］。Kawamura等［108］從分子水平解釋了氣溶膠中水溶性二羧酸及其相關化合物的地理變異性、大小分布、來源和形成途徑。

35篇文獻論述了北極變暖、北極放大效應對北半球中高緯度天氣和氣候的影響。主要的發現有：中緯度天氣對北極變化呈非線性響應［109］、在可預見的未來無法量化北極變化對中緯度天氣的影響［110］、無論是海冰損失還是人為因素都不是大陸變冷的原因［111］。（1）影 響 具 有 區 域 差 異 性。雖 然 多 項 研究［112-114］認為歐亞大陸極寒與北極變暖有關，但北極變暖對北美和東亞冬季寒冷的影響截然不同［115］。（2）影響機制不同。北極變暖或通過增加阻塞［116-117］、或通過影響中緯度急流［118-119］；而北極放大通過減小北半球中高緯度地區的溫度變化［120］、調節大氣行星波振幅變化［121-122］來影響北半球中高緯度天氣。盡管有如此多的研究試圖發現兩者之間聯系，“不確定性”仍是該部分研究中幾乎所有文獻都在提及的說明。

3.2.5 其他

除以上重點研究內容，關于北極古氣候和古環境反演的文獻有20篇，這為從地質歷史的時間尺度審視當前的變化提供了宏大的視角和參照。主要是使用冰芯記錄、湖芯記錄、植物DNA、貝殼。

此外，有49篇數據集和模型介紹論文，揭示北極研究以大數據支持、模型運算為主的突出特點。北極研究立足北極，著眼全球，以行星地球的整體視角獲取分析數據、建立對比參照系。研究基于強大的數據支持、平臺支撐的構建和優化。（1）數據源類型有：長序列多站點觀測數據、采集樣本分析數據、遙感和衛星數據、氣象再分析數據、融合數據集；數據獲取方法有：現場采集（使用無人機觀測是近兩年發展起來的技術）、（冰芯、氣溶膠、紋泥、樹輪、黑炭）樣本分析、遙感、共享（再分析數據）。數據分析手段主要是構建模型、大數據推演。（2）專門介紹模型的論文有23篇，運用模型、優化模型組件被運用于北極研究的諸多方面。

3.3 關鍵科學問題

縱觀408篇論文研究內容及其進展，認為北極自然科學研究中的關鍵科學問題涉及四個方面。其共同點是不確定性，減少或消除這些不確定性，是北極自然科學研究取得突破的基礎。

3.3.1 氣候變暖的本底認識和預測

氣候變暖在北極更地域性地表現為北極放大，形式上體現為冰凍圈變化（冰川退縮和凍土退化）、海洋變化（海洋暖化、海冰減少）等；目前的關鍵問題是氣候變暖的本底認識和預測中不確定性的解決，比如確定“工業前時期”的期限、開發完全耦合的氣候平衡模型來模擬和告知氣候變暖的影響。既涉及基礎本底數據（冰川、冰蓋、凍土和海冰的數量、性質及分布）、變化情況（格陵蘭冰蓋物質平衡虧損量、北極海冰損失量、何時出現季節性無冰北冰洋、海平面升高多少）、又涉及數據觀測和預測模式水平。如何從自然的氣候變化噪聲中識別出氣候變化信號，是氣候預測和風險評估的關鍵。

3.3.2 氣候變暖的影響

氣候變暖的影響是多方面的，多項案例研究從物種、群落和生態系統三個尺度上展現了其對生態的影響。氣候變暖對溫室氣體排放的影響是北極研究中的重點，其關鍵問題是碳循環的不確定性：（多年凍土中的有機質、北極地下和水下多年凍土中的甲烷水合物）碳含量有多少、北極碳循環的敏感性高低、碳釋放量和時間、陸地生態系統和碳循環間的反饋（多年凍土碳反饋的強度、時間及其相關因素）、碳動態變化與可能影響其變化的過程。

3.3.3 多圈層相互作用機制

北極研究中存在多個多圈層相互作用，典型的如大氣-海冰-海洋中海冰減少與北極放大間的正反饋機制，目前傾向于認為是全球變暖-海冰減少-海洋水溫增加-加熱大氣變暖-海冰減少。圈層內部要素的微觀機理（如云微物理性質和過程、輻射通量）、宏觀運動（如大氣和海洋中普遍存在非線性的混沌運動）、圈層間相互作用的因果關系和反饋（北極海冰減少與北極陸地生態系統變化之間的聯系），除微觀機理有相對較為明確和量化的認識外，后兩者的不確定是北極研究中的難點和關鍵。

3.3.4 北極對中緯度天氣的影響

Cohen［123］認為最終影響中緯度天氣的因素是大氣中風暴軸、急流和行星波動的變化，而影響這些變化的要素包括全球變暖、極地放大、海冰變化、極渦、氣候內部變率、太陽活動周期、火山噴發等，眾多要素綜合作用，極大增加了北極影響中緯度天氣的不確定性，如何有效提煉出北極對中緯度天氣的影響便是其中的科學難題。北極變化對北半球氣候影響的可能性，存在相當大不確定性，因為潛在聯系的時間序列很短（小于10年），還需了解北極變化對混沌氣候系統的直接作用力的相對貢獻。大氣動力機制是進一步研究的方向，北極變化對中緯度天氣的定量影響在可預見的未來可能無法解決。

4 趨勢與展望

4.1 趨勢

北極研究可分為四個重要研究方向：海冰與海洋；生物與生態系統；冰川退縮與凍土退化；大氣、天氣和氣候系統。四個研究方向年度研究主題詞或重要進展10年變化（表6）揭示：海冰減少、格陵蘭

冰蓋物質平衡虧損、北極放大貫穿了整個10年，是研究的核心與關鍵。海冰與海洋研究中，淡水注入、污染、海冰減少對北半球大陸冬季氣候的影響是持續受到關注的方面，2012年出現的海冰最小值引發后續的海冰量估算、無冰期推測研究。氣候變暖對生態系統產生內容廣泛、層次各異的多維度影響是生物與生態系統研究的核心，縱觀10年研究，基本還是以生態系統中的單個要素或現象為研究切入點，展示其變化、分析其原因，這些研究可為后續系統地發現要素間聯系與相互間的影響反饋機制提供基礎資料。凍土有機碳釋放是冰川退縮與凍土退化研究中的重點，從對本底情況的認知（歐洲多年凍土變化的空間分布、格陵蘭冰蓋本底數據）、微觀機理的探究（雪冰物理、冰動力學）到融水的水文特征，再到對海平面上升影響的估算，該方向的研究是立體的、全方位推進的。大氣、天氣和氣候系統研究中，北極放大是氣候變暖在北極呈現的核心特征，探究北極變暖的原因、測算CH4排放和臭氧變化、識別氣候變暖的信號、刻畫北極放大對中緯度天氣的影響、認識微觀機理，該方向研究也是多維度推進，且是不確定性表現得最為集中的研究方向，甚至直至2017年，IPCC還不存在完全耦合的氣候平衡模型來模擬和告知氣候變暖的影響、還在確定“工業前時期”的期限。總體而言，10年北極各方向研究主題并未呈現明顯趨勢性的變化，而呈全方位、多角度推進的態勢，這也是一個領域處于發展期而呈現的明顯特點。

4.2 展望

北極研究中，“不確定性”是其主要特征。原因一是前期研究對北極自然環境本底狀況和反饋機制（局地反饋、全球反饋）的認識不深刻，其二是北極后續變化受到諸多人為因素的影響（CO2排放、北極資源開發等）。倪杰等在對北極凍土碳循環的研究中也闡述了該特點［124］。減少、糾正、解決不確定性，通過獲取跨緯度、跨區域的多點同步、對比觀測研究數據集、發現反饋機制、厘清多要素的影響力、完善和發展算法、構建更多模型組件優化模型等，可望得以完善或解決。

縱觀408篇高影響論文，總體呈現數據源類型和范圍、分析方法，以及對比參照系的全球尺度特點，多數論文中出現“最長時間序列”、成百上千計的樣本數量、跨越幾十年的觀測數據等等。以中國作者為第一作者的8篇論文中，基本是采用衛星數據、再分析數據、以模型模擬的形式，以對大量數據集的分析和模擬，來研究北極海冰減少的原因及對中緯度天氣系統的影響、海平面上升中格陵蘭冰蓋的貢獻度，或以北極作為參照地區開展對比研究。這種現狀與觀測設備和平臺零散、自主采集數據區域受限、北極研究的制度歧視與知識壟斷密切相關［125］，是中國拓展北極研究的重要限制因素。對照現狀，如何積極拓展北極研究通道，從制度構建、平臺建設、內容設計、數據獲取、人才培養等諸多方面打破當前困境，亟需從定性的、理論的建議落實到可量化、可操作的具體行動。我國冰凍圈研究成果豐碩［126］，基礎理論和方法、寒區工程建設的實踐經驗均很豐富，這是很好的基礎；北極研究處于全面發展的階段，各種研究力量和研究方向遠未達到固化的程度，是積極參與爭取科學話語權的好時機；利用好這些有利條件，把握時機，可望對北極研究有所推進。

5 結論

從高影響論文揭示的北極研究現狀來看，目前已形成以美國全方位絕對控制的北極研究格局，其作者、研究機構、期刊和基金資助機構數量，都處于遙遙領先的地位。美國除自有機構密切合作而形成強大研究機構合作集群外，還與環北極國家頂級科研機構合作形成跨國合作集群。

北極研究已形成以氣候變暖為核心和背景，輻射相關海冰和海洋、生物與典型生態系統（生物多樣性適應與保護、北方針葉林、苔原、微生物）、冰川退縮與凍土退化、溫室氣體和氣溶膠、氣候影響等領域的整體研究格局。呈現出由大數據支持、以模型運算為主的突出特點。北極研究立足北極，著眼全球，以行星地球的整體視角獲取和分析數據、建立對比參照系。

不確定性是北極研究的重要特點，也是多個關鍵性科學問題的共同點，分布在北極研究的幾乎各個領域，主要包括四個方面：氣候變暖的本底認識和預測、氣候變暖的影響、多圈層相互作用機制、北極對中緯度天氣的影響。10年北極研究，海冰減少、格陵蘭冰蓋物質平衡虧損、北極放大一直是重點，期間各方向研究主題并未呈現明顯趨勢上的變化，呈全方位、多角度推進的發展態勢。

中國的北極研究，由于各種限制未能深入、寬廣地開展，從高影響論文視角呈現合作參與、外圍相關、微量切入的特點。在全球變化的背景下，加強北極研究勢在必行，形勢嚴峻亟待突破，利用我國冰凍圈科學研究已取得的基礎，把握參與時機，可望對北極研究有所推進。