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2024年6月20日,Clarivate Analytics(科睿唯安)发布了2024年《期刊引证报告》。此次公布内容包含期刊最主要的指标Impact Factor,即我们俗称的“影响因子”,它通过计算期刊上发表的文章在特定时间内被引用的平均次数来评估期刊的影响力。

影响因子(IF)=(期刊前两年内发表的文章在当年被引用的总次数)/ (该期刊在这两年内发表的文章总数)

除了SCIE检索期刊,ESCI也纳入其中。

ESCI,全称为Emerging Sources Citation Index,是由Clarivate Analytics提供的一种引用索引,属于Web of Science的一部分。ESCI于2015年推出,旨在提供对科学和技术领域新兴、区域重要但尚未达到SCI(科学引文索引)或SSCI(社会科学引文索引)标准的期刊的可见性。

遥感测绘、海洋科学以及综合性地学领域的期刊普遍面临影响因子的下降趋势。据统计,约有95%的期刊在最新的评估周期内经历了影响因子的减少,显示出科研出版领域的一种显著变化。例如,知名的《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》(IEEE TGRS)的影响因子从8.2下降至7.5,而大地测量著名期刊《Journal of Geodesy》也从4.4降至3.9。

对于中国学者而言,尽管影响因子在学术发表中占据了一席之地,随着学术机构对科研评价机制的不断改革,越来越多的重点被放在了论文的质量和实际影响上,而非仅仅是数字指标。一些影响因子不高的期刊,如物理海洋期刊JPO,因其在小领域的权威性和创新性而受到业内高度评价。这些期刊往往聚焦于推动学科的理论进展,发表具有开拓性的研究成果,其学术价值往往远超影响因子所能反映的范围。

总体上,学术界更倾向于考量期刊的综合影响力和学术声誉。这鼓励学者根据研究内容的专业性和深度选择最合适的发表渠道,而不是单纯追求影响因子高的期刊,从而更有效地促进了科学知识的创新和传播。

关注公众号,回复“期刊”,获取最新2024年完整版影响因子。

REMOTE SENSING

OCEANOGRAPHY

GEOSCIENCES、GEOPHYSICS

海洋运动的时空尺度

Temporal and spatial scales for a variety of ocean processes (adapted from Dickey and Bidigare [2005]

海洋中存在着各种时间空间尺度的运动,从全球洋流尺度到中尺度涡旋,到重力波,直至小尺度的湍流混合过程。海洋的运动无时无刻不在塑造着地球的气候和生态系统。然而,有一类既不大也不小的动力现象,它们介于中尺度涡流和小尺度湍流之间,这就是亚中尺度洋流(Submesoscale Currents,简称SMCs)。这些涡旋在海洋中很常见,它们可以影响海洋中营养物质的分布,进而影响海洋生态系统。

亚中尺度小科普

亚中尺度运动是指那些水平长度在数十米到10公里,垂直高度在数十到数百米,演化时间尺度为数小时到数天的洋流现象。
在海洋表面,我们可以通过仔细观察发现一些特殊的线条,这些线条实际上是由水流和海洋生物分布的不均匀性形成的。这些线条很难在单一的剖面图或者时间序列图中辨认出来,因为它们可能和其他类型的水流混合在一起。但是,如果我们能够从高空或者使用卫星图像来观察,就能够看到这些线条的全貌。

这些线条是海洋中亚中尺度海流的明显标志。它们可能表现为海面上温度或盐度的突然变化,或者海洋生物如浮游植物的密集分布。这些线条的形成,与海洋中的锋面和丝状物有关。

锋面就像是海洋中的一道墙,一侧是温暖的水,另一侧是冷水;而丝状物则是这些锋面中的细线,它们可以是温暖的水流,也可以是冷水。通过高分辨率的卫星图像,我们可以清晰地看到这些线条的分布。比如在地中海,由于海面上的浮渣(一种由生物产生的物质)聚集,形成了螺旋状的线条,这些线条实际上是由海洋中的亚中尺度涡旋造成的。这些涡旋可以很大,直径约5公里,线条宽度约100米。

研究发现,这些流线常常与海洋中的锋面有关。锋面是海洋中密度梯度很大的区域,它们可以是由风或者水流的剪切力形成的。在锋面附近,水流可能会变得更加混乱和复杂,形成许多小的涡旋。SMCs通常超出了准地转理论(通常用于中尺度涡旋的理论框架)的范畴,但仍然受到地球自转和海洋稳定的密度分层的强烈影响。

Gulf Stream eddy at two scales.

由于其独特的空间和时间尺度,亚中尺度洋流的研究长期以来受到技术限制。传统的船只、浮标和卫星观测手段难以捕捉到这些现象。然而,近年来随着高分辨率卫星影像、多重嵌套计算模拟方法的发展,以及大量表面漂流器的应用,科学家们开始能够更好地观测和研究亚中尺度洋流。

SWOT探测亚中尺度

亚中尺度的水平尺度范围未有定论,有文献从物理角度认为0.1–10km,也有文献认为是传统高度计无法探测的10-100km可称之为亚中尺度。此处,我们忽略这种矛盾。

由于SMCs复杂的动态特征和对海洋生态系统的显著影响,研究人员一直在寻找更精确的方法来探测和理解这些洋流。SWOT卫星的出现,为这一研究带来了突破性的进展。

SWOT卫星主要科学目标是精确测量全球海洋、湖泊和河流的水位变化。这颗卫星配备了雷达干涉测高仪,可以以前所未有的高分辨率捕捉海洋表面高度的微小变化。这一技术优势使得SWOT成为研究亚中尺度洋流的理想工具。

从SWOT L3产品计算动力参数

海面高度异常SLA是指海平面相对于平均海平面的偏差。SLA数据提供了海洋表面动力的重要信息,通过这些数据,可以推导出海洋表层流速、动能和涡度。从SWOT发布的SLA L3产品计算速度、动能、涡度以及波数谱,是研究亚中尺度动力过程的基本步骤。

  1. 计算速度(Velocity)
    海面高度异常可以用于计算地转流速。假设我们有一个二维的SLA场 $(\eta(x, y))$,可以通过以下公式计算地转流速分量:
    $$
    u = -\frac{g}{f} \frac{\partial \eta}{\partial y}
    $$
    $$
    v = \frac{g}{f} \frac{\partial \eta}{\partial x}
    $$
    其中,$u$ 和 $v$ 分别是东西向和南北向的流速分量,$g$ 是重力加速度,$f$ 是科里奥利参数,$\eta$ 是海面高度异常。

  1. 计算动能(Kinetic Energy)
    一旦得到了流速分量$u$ 和$v$,可以计算流体动能。动能(KE)可以通过以下公式计算:
    $$
    KE = \frac{1}{2} (u^2 + v^2)
    $$

  1. 计算涡度(Vorticity)
    涡度是描述流体旋转性的一个重要参数。对于二维流场,可以通过以下公式计算涡度 $(\zeta)$:
    $$
    \zeta = \frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y}
    $$
    涡度的正值表示逆时针旋转,而负值表示顺时针旋转。

L4产品速度和动能分析

AVISO近期发布了包含速度和涡度参数的SLA L4融合产品。由于覆盖范围的不同,在21天重复轨道期间,各个位置的观测次数随纬度变化显著:赤道附近约为两次,中纬度地区为两到四次,高纬度地区则超过六次。这种时间采样对研究亚中尺度快速海洋过程带来了挑战,特别是那些时间尺度与采样间隔相当或更短的现象。

以下是一些分析计算结果:



计算KE的波数谱,发现斜率的幂率特别好,可以一直到20km附近。然而,不知道何种原因,其斜率却是-15/3,这和QG、SQG理论的都不一致,并且也没有反应出来内波连续体的隆起。这个问题以后需要花时间研究。

SWOT研究亚中尺度的挑战和机遇

SWOT 的精细尺度海面高度观测提供的主要挑战和机遇是研究这些平衡的海洋运动(由地球自转、风和浮力效应驱动)与内部潮汐和内部重力波的相互作用,这些潮汐和内部重力波在海洋表面下搅动和循环水。虽然大部分内潮是可预测的,但内波连续体却不是。

建模研究表明,SSH中平衡运动与内波明显分离的空间尺度随地理和季节而变化[ Qiu et al. ,2018]。平衡运动在中高纬度地区占主导地位,内波在能量较弱的东部盆地和热带地区尤为突出。与SWOT和原位系统同时对这些过程进行充分观察,应该可以在测试方法上取得进展,以分离这两种纠缠的运动并了解它们的相互作用。

旋转分层湍流的理想化模拟表明,在某些地方(如强流和涡流中),SMCs应该是活跃的。目前还没有现实的海洋模拟或测量明确显示这一点,但也没有对此问题进行过深入研究。
如果这一假设成立,可以预期会有相对浅的动能谱、正向能量级联以及提高的耗散和越密度混合率。

国产低成本GNSS浮标是国内自主研发的高端海洋工程装备,采用GPS、北斗卫星导航系统,结合先进的传感技术和数据处理算法,实现了高精度的潮汐和波浪测量。浮标在青岛海域的初步测试中表现出色,数据准确可靠,能够实时传输到数据中心,通过云计算技术进行处理和分析,实时提供潮汐和波浪信息。这一创新产品不仅填补了国内市场的空白,也标志着我国在海洋观测技术领域迈出了重要一步。

为推动国产海洋装备市场化进程,提升自主创新能力,我们计划在近期开展一系列活动,包括GNSS浮标征名活动、数据共享活动、线下技术研讨会和产品路演等。

本文将首先发起征名活动,希望通过公众的智慧和创意,为国产低成本GNSS潮汐波浪浮标找到一个响亮而贴切的名字。

征名活动

基本情况

国产低成本GNSS浮标在锚定情况下,主要用于测量潮汐和波浪。在漂流状态下,还可以同步观测表层流。这款浮标已通过国家认定的专利成果转化,由自然资源部第一海洋研究所授权青岛安海信息科技有限公司制造和销售。得益于北斗卫星导航系统的赋能,该浮标具备高精度定位和测量能力,实现了新质生产力的提升。

浮标外观

浮标参数

命名规则

为确保浮标名称能够全面体现其技术特点和应用领域,命名规则制定如下:

  • 浮标名称应体现产品的基本属性,如潮汐、波浪、北斗、GNSS等,突出其核心功能和应用场景。
  • 名称长度应控制在五字以内,中英文不限,以简洁明了、便于记忆为原则。
  • 可选择性地体现自然资源部第一海洋研究所的专利特色,以彰显该浮标的科技创新背景和权威性。
  • 可选择性地体现专利许可公司的名称,中文为“安海”,英文为“AnOcean”,以增加品牌识别度和市场影响力。

参与规则

我们诚邀广大公众踊跃参与此次征名活动,具体参与方式如下:

  • 请关注我们的微信公众号,通过留言的方式提交您为浮标取的名字。
  • 留言格式如下:

名称:

解读:请简要说明您选择该名称的理由,突出其与浮标功能和特点的关联。

计分标准:

为了公平、公正地评选出最佳名称,本次征名活动将综合以下几方面的评分标准:

  • 留言点赞数量:每个名字的点赞数量将作为重要参考指标,反映其公众认可度。
  • 青岛安海信息科技有限公司董事会评分:公司董事会将从专业角度对每个名称进行评估,确保其技术准确性和市场适应性。
  • 自然资源部第一海洋研究所评分:研究所专家将从科学性和创新性角度进行评分,确保名称与浮标的专利技术背景相符。

奖金

为激励广大公众积极参与,本次征名活动设立了丰厚的奖金:

  • 奖金数量将依据公众号阅读量和转载量进行加权计算。
  • 每次阅读计人民币1元:即每篇相关活动文章的阅读量都将直接转化为奖金。
  • 每次转载计人民币10元:每次转载将显著增加奖金数量,激励更多人参与和传播。

活动时间

本次征名活动即日起正式启动,持续时间为一个月。请广大公众踊跃参与,共同为国产GNSS潮汐波浪浮标贡献智慧,期待您的精彩创意!

本文介绍pswiggle的用途,可对不同类型的值填充不同颜色,在地震研究领域可能用到这类图形。

GMT的官方文档给出一个简单的例子,首先使用math作出一个时间序列,然后通过管道|传递给widdge,不过这个例子的数学公式有点长,很难一下看明白。但可以清楚的看出这个程序主要是用来绘制异常值的颜色填充。这里的异常值可简单理解为均值之外的值,大于均值为正,小于均值为负。然后可以对正或者负进行不同颜色的填充。

1
$ gmt math -T-8/6/0.01 -N3/0 -C2 T 3 DIV 2 POW NEG EXP T PI 2 MUL MUL COS MUL 50 MUL = | gmt wiggle -R-10/10/-3/3 -JM6i -B -Z100i -DjRM+w100+lnT -Tfaint -Gred+p -W1p -BWSne -png map

为了方便理解其用法,下面小编给出笛卡尔坐标系下的一个简单例子。首先用awk作出正弦函数以及叠加的正余弦周期函数,并用widdge绘制图像,这里需要注意-z比例因子的用法。

-Zscale[units]
Gives anomaly scale in data-units/distance-unit, where distance-unit is the currently chosen unit specified by PROJ_LENGTH_UNIT. Alternatively, append a distance-unit among the other choices (c|i|p).

此外如果需要改变坐标轴的方向,设置-JX-20c/-10c中的宽度为负。

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#!/bin/bash
# Test psw. leiyang@fio.org.cn

ps=example_XX.ps

gmt psbasemap -R0/100/-10/10 -JX-20c/-10c -Bx20f20 -By1g2 -BEN+t"Test pswiggle" -K --MAP_FRAME_TYPE=graph --MAP_VECTOR_SHAPE=0.5 > $ps
awk 'BEGIN{for(i=0;i<=90;i=i+0.1) print i,2,sin(i)}' > fortrack.dat
# gmt psxy fortrack.dat -R -J -O -K -W3p,0_6:0 --PS_LINE_CAP=round >> $ps
gmt pswiggle fortrack.dat -R -K -J -G+red -G-blue -Z1 -Wthinnest -O >> $ps

awk 'BEGIN{for(i=0;i<=90;i=i+0.1) print i,-4,cos(i)+3*sin(2*i)}' > fortrack.dat
# gmt psxy fortrack.dat -R -J -O -K -W3p,0_6:0 --PS_LINE_CAP=round >> $ps
gmt pswiggle fortrack.dat -R -J -G+red -G-blue -Z2 -Wthinnest -O >> $ps
psconvert $ps -A -Tg -P
rm *.dat

阅读文献综述可快速了解某一领域研究进展,随着各类数据库中文献数量的不断增加,如何全面掌握一个研究领域的进展,最好使用专门的工具。Citespace就是这样的文献分析工具,可支持CNKI、WoS等数据库,具备聚类分析、共现分析、共被引分析、热点趋势探测等功能。目前CNKI已经出现了数千篇专门的Citespace相关论文,但文章结构基本相似,下面是一篇以北极航线为主题的论文综述,一方面可以使读者了解北极航向研究情况,有观点称若北极航线开通,图们江流域的珲春取得与新加坡同等重要地位,一方面也使读者掌握类似文章的架构,以便自己也可以写出此类文章。关于Citespace对CNKI和WoS数据库的处理技巧,后面将慢慢整理分享。

文章来源:王武林,龚姣,王成金.基于CiteSpace的北极航线研究进展与展望[J].资源科学,2020,42(11):2075–2091.

作者:王武林1,2,龚姣2,王成金1,3
1.中国科学院区域可持续发展分析与模拟重点实验室/中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;
2.福州大学环境与资源学院,福建福州350116;
3.中国科学院大学,北京100049

当前北极航线已成为全球航运研究的重要议题,梳理其研究脉络及发展态势,对后续理论研究和实践探索具有重要的借鉴意义。本文以CNKI数据库和WebofScience核心合集数据库中的北极航线相关文献为数据基础,使用CiteSpace绘制国内外北极航线研究的合作网络图谱和关键词共现图谱,阐明北极航线研究的知识结构关系与演进规律。结果显示:国内外北极航线研究分别开始于2007年和1991年,在2014年和2015年成为研究热点,国内研究文献年度分布趋势与国际后两阶段基本一致;各领域学者积极参与研究,国内外发文量最多的学者分别是李振福(大连海事大学)和EhlersS(俄罗斯科学院),研究以个人为主,团队合作较少;大连海事大学交通运输管理学院和RussianAcadSci(俄罗斯科学院)分别是国内外研究机构合作网络的核心,各研究机构间合作较少,跨区域、跨部门合作较少;文献关键词词汇类别日趋多元化,研究主题和研究方法趋于多样化;北极航线研究主题集中在北极航线经济可行性、北极航线对经济贸易和海运网络的影响、北极航线通航环境与安全、国家北极航线政策与实施等方面,国内外研究侧重点有所不同;未来北极航线领域可能出现的研究热点有北极航线与冰上丝绸之路融合、航线人文环境、航线安全、联合研究等。

引言

北极航线是指穿过北冰洋并把大西洋和太平洋连接起来的海上航线(图1),包括连接欧亚大陆的东北航线、穿过加拿大北极群岛的西北航线和直接穿越北极点的穿极航线,其中东北航线西起西欧和北欧港口穿过西伯利亚沿岸海域,绕过白令海峡到达中国或日本港口。2007年8月美国宇航局卫星照片显示,东北航线和西北航线首次同时完全融化开通[1],预计到2040年北冰洋将无冰覆盖[2]。2009年夏天,德国“友爱”号和“远见”号两艘货船从韩国经东北航线到达荷兰鹿特丹港,标志着北极航线商业运行阶段的开始[3]。2012年中国“雪龙号”科考船首航东北航线,2017年中国与俄罗斯提出共同打造包括北极航线在内的“冰上丝绸之路”。由此可见,北极航线因经济效益和战略地位而成为国际关注的焦点,近年来,相关研究成果不断涌现,北极航线研究正在成为一个不断发展演进的知识领域,准确把握北极航线的研究进展和学术态势,对后续研究具有重要意义。

北极航线研究领域主题丰富,学科分布广泛,梳理文献可看出,现有研究主要集中在北极航线对国际经济贸易的影响[4,5]、北极航线安全问题[6,7]、北极航线与“冰上丝绸之路”[8]、北极航线的利益和问题[9,10]等方面,这些研究分别从不同视角对北极航线进行分析,但仍缺少对北极航线研究成果的量化分析和综述性评价。本文基于CNKI数据库和WebofScience核心数据库,利用CiteSpace软件的文献计量法,对国内外北极航线研究领域文献进行系统性可视化分析和文献总结,探究北极航线的研究现状,客观揭示该研究领域的态势,为准确评价北极航线研究进展、梳理研究框架、拓展新的思路和方法提供借鉴和参考。

数据来源与研究方法

数据来源

为保证原始数据的准确性和科学性,本文使用中国知网(CNKI)数据库中的期刊文献作为国内中文文献来源,以中文核心期刊、CSSCI来源期刊、科学引文索引来源期刊、工程索引来源期刊为检索对象,检索主题设置为:北极航线或北极航道或东北航线或东北航道或西北航线或西北航道或北方海航道。使用WebofScience核心合集数据库作为国际(含中国)北极航线文献来源,检索主题设置为:“ArcticPassage”OR“ArcticRoute”OR“ArcticSeaRoute”OR“ArcticShippingRoute”OR“NortheastPassage”OR“NortheastRoute”OR“NorthwestPassage”OR“NorthwestRoute”OR“NorthernSeaRoute”。上述两个数据库检索时间都截至2019年12月31日。将检索到的文献进行筛选和整理,去除杂谈、新闻报道、无作者、书评、会议征稿以及明显与主题无关的文献,共得到国内文献282篇和国际文献291篇作为研究样本。

研究方法

本文采用的CiteSpace软件是陈超美教授基于Java语言开发的可视化软件,该软件可绘制某一领域的知识图谱,能呈现和分析该领域学科的结构、规律和分布情况,从而使复杂的信息变得直观和形象[11,12]。但CiteSpace软件仅用于处理文献之间关系,只能计算出该领域重要学者、热点关键词等,具体的文献信息,还需结合文献进行深入阅读。在生成的图谱中,N表示节点数目,E表示连线数量,Density表示网络密度,节点以年轮形式表示,节点半径的大小代表节点出现频次的高低[11]。节点出现突现表示该节点在短时间内出现频率急剧上升,半衰期表示节点在此期间内该保持一定的影响[12]。随后,本文通过系统梳理北极航线相关文献,对北极航线研究主题及相关研究的特点进行总结与解析。

结果与分析

基于CiteSpace的结果统计与分析

发文时间分析

研究文献数量年度分布和变化趋势能够反映该领域的重要性和受关注程度。北极航线研究领域文献数量年度分布如图2所示,总体来看,国内外文献数量均呈现波动增长趋势,2013年后国内文献数量明显增加,2014年后国际文献数量快速增长。从发展阶段来看,国内研究大致可分为平稳发展阶段(2007—2013年)和快速发展阶段(2014—2019年)。平稳发展阶段文献数量波动增加,年均发文量较少,相关研究在国内尚未形成热点,参与研究的学者较少;快速发展阶段年度发文量猛增,并在2018年达到峰值50篇,随着中国成为北极理事会正式观察员国和“冰上丝绸之路”政策的提出,国内对北极航线的研究热度和重视程度不断增加,大量研究成果相继发表。国际研究大致可分为缓慢发展阶段(1991—2009年)、平稳发展阶段(2010—2014年)和快速发展阶段(2015—2019年)。缓慢发展阶段文献数量极少,且以北极航线概况的介绍性文章为主;平稳发展阶段年度发文量呈现出“N”型的分布趋势,发文量比上一阶段稍多且研究主题开始多样化;快速发展阶段年度发文量猛增,并在2018年到达峰值52篇。国际上对北极航线的研究起步较早且较为系统,研究主题与研究成果不断丰富和完善,研究视角和研究方法也日趋多元化。国内相关研究起步较晚,国内的两个研究阶段与国际研究的后两个阶段的发文趋势基本一致,且国内外相关研究均在2018年达到年度发文量的峰值。

发文作者分析

发文作者是科学研究的主体,通过CiteSpace软件的作者合作网络分析可以识别研究领域的核心学者及其合作关系。通过CiteSpace软件计算得到国内外作者合作网络图谱(图3)和主要作者指标信息表(表1),李振福以53篇的发文量居国内北极航线发文学者的第1位,且远超其他学者,是作者合作网络图谱的核心,除李振福外其余发文量在5篇及以上的学者有肖洋、白佳玉、张韧、王文雅。从第一作者发文量来看,李振福、肖洋和白佳玉分别有47、10、8篇,王丹、刘同超、章成、郑雷、郭培清均有4篇。从合作网络来看,国内北极航线研究已形成少数研究团队,但团队之间联系微弱,仍处于相对独立的阶段,学者之间的合作仅限于团队内部,跨团队的合作较少,合作网络表现出大分散、小集聚的特征。从作者的突现性和半衰期来看,影响力较大或期限较长的有:李振福、肖洋、张韧、王丹、寿建敏和郭培清。国内主要学者及其研究主题有:李振福主要研究北极航线地缘政治[13]、北极航线环境[14]、航线开通对中国的影响及中国应该采取的措施[15]等;肖洋主要研究北极航线利益相关国的政策及实施[16,17];白佳玉主要研究北极航线的法律地位及航线治理[18];王丹主要研究北极航线开通对中国及沿线国家的影响[19];刘同超主要研究北极航线安全[20];寿建敏主要研究北极航线的潜力[21];章成主要研究中国北极权益[22];郑雷主要研究北极航线航行自由[23];郭培清主要研究北极航线的法律问题[24]。国际发文量在10篇以上的学者有Ehlers S和Lasserre F,发文量4篇及以上的学者还有Wang YJ、Khan F、Zhang R、Fan HM等。从第一作者发文量来看,发文较多的是Lasserre F、Ehlers S、Wang YJ、Hong DB,分别有4、3、3、2篇。从合作网络来看,学者们呈部分集中、整体分散的状态,已形成以Ehlers S、Lasserre F、Wang YJ、Fan HM为核心的研究团队,团队之间相互独立,未形成合作紧密的网络。从作者的突现性和半衰期来看,影响力较大或期限较长的有:Ehlers S、Lasserre F、Khan F和Fan HM。国际主要学者及其研究主题包括:Ehlers S主要研究北极航线运输模式和风险[25-27]、北极航行船舶[28];Lasserre F主要研究北极航线潜力和经济可行性[29]、航运企业[30,31];Wang YJ主要研究航线规划[32]、北极航线对海运网络的影响[33];Khan F主要研究航运风险[25,34,35];Fan HM主要研究航线通航环境[36]、通航风险[37];Yamaguchi H主要研究北极航线海冰及天气预报[38-40];Yang CS主要研究北极航线海冰识别[41,42];Hu H主要研究航运风险和网络[43]、航线经济可行性[44,45]等。


发文机构分析

对国内外北极航线文献发文机构进行分析,得到机构合作网络图谱(图4)和主要机构指标信息表(表2)。国内研究机构以大连海事大学交通运输管理学院的发文量为最多,占总文献量的18%。其余发文量在5篇及以上的有中国海洋大学法政学院、武汉大学中国边界与海洋研究院、北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院、国防科技大学气象海洋学院。排名前10的机构发文量占总文献量的41%,说明国内北极航线研究机构相对集中,科研成果差异较大。从合作网络来看,研究机构之间的合作少,少量合作均发生在高校内部不同学院和地理位置相近的机构之间,尚未形成较广泛和紧密的学术合作网络。从机构的突现性和半衰期来看,影响力较大或期限较长的有:大连海事大学交通运输管理学院、中国海洋大学法政学院、中国极地研究中心、上海海事大学、大连海事大学法学院和上海国际问题研究院。结合表2可以看出,大连海事大学交通运输管理学院、中国海洋大学法政学院和中国极地研究中心是国内较早介入北极航线研究的主 要机构,武汉大学中国边界与海洋研究院和国防科技大学气象海洋学院是国内近几年才介入北极航线研究的机构。

国际发文量最多的研究机构是Russian Acad Sci,发文量在5篇及以上的机构有Norwegian Univ Sci & Technol、Dalian Maritime Univ、Univ Laval、Mem Univ Newfoundland、Shanghai Maritime Univ、Univ Tokyo、Shanghai Jiao Tong Univ。从合作网络来看,各研究机构之间较为分散,未形成较强的学术合作网络,Russian Acad Sci 是合作网络图谱中大的节点,但未与其他任何研究机构存在合作,其他研究机构之间的合作很少,这些少量的合作大多发生在同一国家。从机构突现性和半衰期来看,影响力较大或期限较长的机构有Norwegian Univ Sci& Technol、Russian Acad Sci、Univ Laval、Natl Inst Polar Res,这些机构是国际北极航线研究的主要力量。从发文量前10的研究机构所属国家来看,中国占4家,其发文量占排名前10机构总发文量的31%,俄罗斯占21%,挪威和加拿大均占18%,日本占13%。发文量排名前5的科研机构所属国家除中国以外,其余均为北极理事会成员国,排名6到10的机构所属国均为北极理事会正式观察员国,这些国家相关科研机构组成了国际北极航线研究的中坚力量


关键词分析

关键词的共现关系是分析该领域研究热点的重要依据,多个节点通过边相连并且聚集在一起,结合频次、突现度等指标信息能够较直观地呈现研究的重要关键词,为明确该领域的研究热点提供依据[46]。通过CiteSpace软件计算并将含义相近的关键词合并,得到国内外关键词共现图谱(图5)和主要关键词指标信息表(表3)。国内北极航线研究关键词共现图谱中最大的节点是北极航线,频次为111,其次为北极和东北航线,频次分别为48和35。近年来随着“冰上丝绸之路”政策的提出,北极航线引发更多关注和研究,关键词词汇类别逐渐多样化,研究主题也呈现多元化趋势。从研究方法来看,前期多采用定性研究方法,近年来多采用定量研究或定性与定量研究相结合的研究方法,随着研究主题的愈加深入,研究方法也愈加多样化。国内北极航线研究领域的重点主题是北极航线对中国的经济发展、沿海港口、航运业等的影响以及中国的应对策略,在高被引Top50文献中有21篇文献涉及了该主题的研究,此外北极航线的经济可行性、北极航线的法律地位、北极航线与“一带一路”的关系、其他国家的北极航线政策也较为重要,在高被引Top50文献中分别有4、4、3、3篇文献对这些主题进行了探讨,可以看出国内研究主要是集聚在北极航线与中国关系的相关研究主题上,其他主题的研究相对较少

从国际北极航线研究关键词共现图谱连线颜色来看,2013年后的连线数量远多于之前的年份,表明近年出现的关键词数量呈激增态势。北方海航道(Northern Sea Route)是图谱中最大的节点,频次为76,其次为冰(ice)和北极(Arctic),频次均为33。国际研究始于20世纪90年代,前期研究主要集中在北极气候变化、海冰分布、航线通航环境等,近年来关注于北极航线的经济可行性、发展潜力、航行安全与风险、航线开通对北极自然环境和生物的影响等。关键词词汇类别逐渐多样化,研究主题逐渐多元化和分散化。在高被引Top50文献中,北极航线的经济可行性、北极航线开通对环境及生物的影响、北极航线的通航窗口、北极航线海冰分布分别有8、8、5、5篇文献,其余研究主题还包括航运企业对北极航线的态度、航行船舶碰撞、航行风险等。


北极航线研究主题

北极航线经济可行性

相比传统航线,北极航线开通可以缩短西北欧与北太平洋港口之间的海运里程、降低航行成本和时间等,但船舶航行北极航线的运营成本和安全风险远大于传统航线,故其是否具有经济可行性,目前主要存在两种截然不同的观点。首先,北极航线通航具有经济可行性,北纬30°以北任何港口之间使用北极航线要比使用传统航线节省40%的里程,运营成本会相应减少,经济潜力巨大[47],尤其在干散货运输方面,北极航线具有灵活性、敏捷性和适应性等优点[48]。通过对比船舶航行北极航线和传统航线的经济成本发现,在通航期内通过东北航线的集装箱运输航次成本节约10%左右,燃油成本节约35%左右[21];需要破冰服务时北极航线航运利润增加约56%,无需破冰服务时,航运利润增加约105%[49]。北极航线与传统航线联合运输,即在北极航线通航期内使用北极航线、其余时间使用传统航线被认为是一种可行的模式,使用联合运输的北极集装箱服务更加经济[50];Arc7自破冰LNG船全年用联合运输会显著降低运输成本[51];若考虑欧盟征收碳税,联合运输在全年经济测算中必要运费率最低、经济效益最好[52],联合运输可作为未来中国船运企业从中国至欧洲集装箱运输的主导模式[53]。

其次,北极航线开通不具有经济可行性或其经济成本优势需要在一定条件下才能实现。通过北极航线缩短的航运里程并不意味着成本的节省,额外的破冰服务以及适航时间、征费、燃油价格等均会影响航运利润[54],此外还需要对其基础设施和海洋服务提供更多的投资,以确保船舶运输的安全并尽可能减少对环境的影响[55]。尽管使用东北航线能明显缩短航程,但由于全年航次较少,运输成本并无突破性降低[21],加之目前通航船舶体积小、负荷率低,其环境成本高于苏伊士运河航线[56]。北极航线中短期市场小而成本风险大,大多航运公司对其可行性持怀疑态度,在运营初期,大部分东亚和欧洲的航运公司不会使用北极航线[57],只有少数亚洲航运公司对北极航线感兴趣,他们关注于航线的目的地,而非过境航运[58]。如果考虑北极天气和海冰年际变化、俄罗斯收取的费用、石油生产和消费的地理位置、立法问题和基础设施等因素,北方海航道不能替代传统航线[59,60]。北极航线在经济上是否可行与破冰服务成本有关,破冰服务成本越低,北极航线的竞争力越强[54,61],北极航线的经济性还取决于航线的选择[62]。

北极航线对经济贸易与海运网络的影响

北极航线开通将对世界港口航运产生重大影响[63],使之成为连接欧亚海运贸易的关键纽带[55],会对全球经济贸易带来重大影响,能够增加贸易流量并改变贸易流向,从而影响世界贸易格局并促进全球经济增长,东亚、欧盟、北美等将成为最大受益方[64,65]。北极航线带来的经济影响会在地理空间上形成北极航线经济圈,中国、日本、韩国、美国、俄罗斯等国是主要的参与者[66],基于北极航线可划分其经济腹地的范围和等级[67]。作为国际能源运输的新通道,北极航线将在一定程度上改变全球能源贸易的地理方向,使全球能源贸易的来源与通道集中度降低[1],特别是北极石油资源的开发,将对世界石油海运格局产生巨大冲击,预测北极石油海运贸易将占世界石油贸易总量的26.5%左右[68]。此外,北极航线能够加强港口间的联系,增强海运网络的层次性[69],增大中国与加拿大、美国及西北欧海运国家的集装箱海运空间联系强度[70]。未来20~30年间北极航线货流量将快速增长[71],如果实现全年通航,东北航线对全球集装箱货物的配流量将超过一半以上,纬度越高及距离东北航线越近的港口在东北航线的配流量和比例越高[72]。相关研究还模拟了北极航线的经济效益[54,62]、港口枢纽区位[73]、航线竞争力[74]等方面。

中国与欧美的贸易量巨大并不断攀升,这些贸易绝大部分通过海上运输来完成,北极航线的开发利用将会对中国的经济发展带来新动力和机遇。北极航线能提升中国对航线受益国家的进出口潜力[75];提升中国与美国、加拿大和北欧五国的经济联系程度,维持中俄之间原有的经济联系程度[76]。北极航线的开通会扩大中国沿海在连接世界各国海洋航线方面的优势,提高中国北部和东部沿海地区的贸易潜力[5],进而影响沿海地区产业分工和经济发展战略布局[77];也促使图们江流域的珲春取得与新加坡同等重要地位[78]。北极航线还将成为中国石油进口通道之一,将承担中国约7%的石油进口运输量,随着通航环境的改善和极地石油勘探开采技术的提升,该比重会进一步增加[79]。此外北极航线对中国北方港口的竞争程度、网络结构、腹地范围、区位条件等各方面都有一定影响[1,3],尽管东北航线开通不会打破现阶段环渤海港口的整体雁阵模式,但同一层次不同港口的发展位序将会发生改变[80]。

北极航线通航环境与航线安全

(1)航线通航环境

北极航线大部分位于北极圈内,影响其通航环境的因素复杂多变,可将北极航线通航环境影响因素归类为自然环境、助航、人文环境因素3类[14]。在北极航线通航环境影响因素中,海冰是主要的限制因素,关键区域的冰情会直接影响航线的开通,影响东北航线通航的关键区域是东西伯利亚海、新西伯利亚群岛、北地群岛、拉普捷夫海和维利基茨基海峡至谢尔盖·基洛夫群岛[81,82];影响西北航线南线关键区域是维多利亚海峡、皮尔海峡和巴罗海峡;影响西北航线北线的关键区域是麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡[83]。

随着全球气候变暖,北极海冰总量减少而流动性增强,每年通航期内海冰分布范围有所不同,导致航行线路不固定,因此需要加强北极海冰监测和预报能力,为未来航线利用提供保障[83]。近年来各国北极海冰和气象预报水平提升,合作交流扩大,但仍存在观测数据应用不充分、北极中央区预报能力偏弱以及预报信息共享度不够等问题[84]。为了提高北极海冰和天气预报的可靠性,高分辨率的冰海耦合模式[85]、TOPAZ4冰洋资料同化系统[86]以及加入2082北极无线电探空仪观测[39]等模型和方法得到广泛应用。北极航线的通航期随海冰融化而变化,东北航线平均通航期是7月中下旬至10月中下旬[82],全线开通期主要集中在8月下旬至10月上旬,西北航线南线开通期主要集中在8月上中旬至10月上旬,西北航线北线开通时间主要集中在9月[51]。预计到21世纪中叶,北方海航道通航期约23个月,到21世纪末约36个月[87,88]。

北极航线通航带来的诸多污染和干扰,对北极脆弱的生态环境形成严峻挑战,其中最主要的污染来自船舶溢油,具有危害范围广且持续时间长的特点。以FLUENT为研究平台,基于多项因素共同作用下的船舶溢油模型分析溢油在有冰海域中的运动特点[89],或使用高分辨率海洋模型和拉格朗日粒子追踪来模拟污染物的扩散,其扩散的距离高度依赖泄漏发生的地点,在一些地点泄漏的污染物有可能进入深水无法回收[90]。污染和干扰还会对北极生物产生影响,例如在压载舱航行中幸存下来的生物可以建立一个稳定或不断增长的种群,并以压载水为媒介最终成为入侵生物[91]。

(2)航线安全及风险评估

影响北极航线通航安全的因素较多,可将其分为人、机、环境、管理4类,目前环境方面占有较大比例,后期人、机和管理方面占有较大比例[20]。评估北极航行安全和风险的模型和方法包括基于贝叶斯网络的风险模型[34]、统一的态势监测和智力支持系统[92]、基于智能GIS的安全监测方法[93]等。近年来北极水域船舶航行事故数逐年上升,主要发生在巴伦支海东部的俄罗斯摩尔曼斯克港口水域和挪威北部水域[94]。为此学者们提出不同的方法来研究北极海域船舶事故,包括利用模糊事件树分析方法评估北极海域重大船舶事故的风险[95];利用Bowtie关系量化北极水域航行过程中船舶发生事故的概率以及相关的事故后果[25];构建北极地区碰撞与触地故障树来分析海上事故的原因[96]。

破冰船协助船舶通行北极航线是当前主要的通行模式,俄罗斯组建了庞大的破冰船队以维护其北部港口和航线的安全[97],但这种通行模式可能导致破冰船与船舶的碰撞,为了识别破冰船与船舶碰撞危险因素,可建立破冰船与船舶碰撞事故的人为和组织因素专用模型[98],亦可基于船舶跟航理论的不同冰情下安全距离的定量计算模型,量化不同冰情下可接受的安全间隔距离,以及破冰船和护航船舶的运动特性[99],或建立适用于北极航线的交通流跟驰模型,计算船舶安全间距、船头间距、船舶跟驰速度[100]。在关键海峡的自然环境风险评估方面,东北航线的红军海峡、德朗海峡和维利基茨基海峡自然环境风险均逐年下降,通航期内9月自然环境风险最低,7月最高[101];红军海峡自然环境风险减小趋势最大,德朗海峡的自然环境风险度最低,维利基茨基海峡次之,红军海峡风险度最高[102]。此外,北极航线也存在地缘政治安全问题,即北极航线有地缘关系的世界各国在争取北极航线权益过程中涉及和带来的安全问题,其地缘政治格局可以聚类为以美国、俄罗斯和英国为主的国家组成的3个国家集团,为此李振福提出符合北极航线地缘安全需要、有利于维护地缘安全和稳定的“大北极机制”[13,103]。

国家北极航线政策与实施

(1)国际政策与实施

环北极8国尤其是俄罗斯较早研究北极航线,沙俄时代即已利用东北航线运输物资,第一次世界大战之后前苏联对北方海航道进行了科学考察并建立研究机构,为更有效地开发北极航线,俄罗斯实施实际占有战略,试图直接控制北极航线,但由于立法目的不同和国际法与国内法的优先适用问题,俄罗斯的相关国内法规与《联合国海洋法公约》存在严重分歧[104]。在俄罗斯新颁布的法律条文中将破冰船强制领航制度改变为许可证制度,使得外国船只能在北方海航道独立航行,俄罗斯北方海航道政策有进一步向国际开放的政策倾向[105]。余下的北极7国中,冰岛在北极事务中拥有较强的国际话语权,其北极战略是重构外交政策、挖掘北极潜在经济价值和应对北极危机等[106];瑞典强调其与北极历史联系,侧重关注气候与环境、经济发展和人文发展,通过强化与北极国家的合作来提升其在北极的影响力[107];挪威的北极战略是维护国家安全、挖掘经济机遇、提升国际政治影响力[108];加拿大的北极战略目标涉及国家主权、经济和社会的发展、环境保护、地区善治等[109];美国将北极战略嵌入其全球战略之中,以应对气候变化为突破口,获取北极治理的领导权[110]。丹麦国家内部分裂和北极地缘政治的演变,使得其北极战略从温和保守转化为主动进攻[17]。芬兰的北极战略主要侧重于安全和稳定,积极推动北极合作,通过构建北极治理框架实现北极和平发展[111]。

(2)中国政策与实施

作为北极航线延长线上的国家之一,中国正从海运大国迈向海洋强国,开通北极航线对中国而言既是机遇也是挑战[112],《联合国海洋法公约》及其他相关海事条约提供了中国参与北极事务和利用北极航线的相关权利依据,也是实现中国北极权益的科学路径[113,114]。推动航线安全合作是北极国际治理的主要内容,也是中国介入北极事务的最佳切入点之一[115]。目前北极航运治理正处在建章立制阶段,中国可以通过参与构建北极航运国际管制机制,提升中国在北极航运事务治理中的话语权,进而实现和保障中国在北极地区的最大权益[116]。在2017 年发布的《“一带一路”建设海上合作设想》文件中,已经将北极航线明确为“一带一路”的三大主要海上通道之一,同年中俄决定共建“冰上丝绸之路”,该倡议实现了“一带一路”在北极地区的延伸,俄罗斯希望借助中国力量增强在北极地区的活动能力,填补欧洲国家在北极开发合作中的地位和作用[117],而美国对于“冰上丝绸之路”采取竞争性抵制的拒阻思维,可能会导致未来北极地缘政治经济格局出现两种力量并存的趋势[16]。

(3)北极航线法律地位

北极航线法律地位问题是与北极航线相关的最重大国际问题之一,各方主张的法律依据或理论本身缺乏具体标准,相关条约条款在执行实践中存在分歧,并且随着航线通航区域逐步扩大,航线法律地位问题冲突呈现白热化趋势。俄加两国学者从本国利益出发提出了扇形理论、海冰与陆地同权理论、海峡基线法、历史性权利、直线基线法等分别主张东北航线、西北航线是其内水,否认他国船只的无害通过权和过境通行权,而美国和欧盟等则主张北极航线属于用于国际航行的海峡,应开放过境通行,且得到了多数北极圈外国家学者的支持[23,114,118]。加拿大在西北航线管理及主权诉求过程中,通过国内法以环境保护名义间接谋求其西北航线主权地位,并使其国内法相关原则在国际法中得以体现,为本国赢取了航线管理的有利因素[119],俄罗斯以有限开放原则为基础采取选择性妥协治理路径,在航行规则和基础设施建设等问题上主动妥协,将北方海航道作为应对外部挑战和国内发展需求的新增长点[120]。国内有学者认为北极航线应定性为用于国际航行的海峡,北极航线军事演习具有非法属性,军事测量自由是相对性自由,应合理限定冰封区域条款在北极航线的适用[118,121],并确立北极航线特殊条约规制型海峡治理模式[122]。

国内外北极航线研究异同

随着全球气候变暖、北极冰层融化,北极8 国愈加重视北极航线研究,其他利益相关国开始关注北极航线问题,国外关于北极航线议题的研究起步较早,在技术层面和理论层面都有一定程度的积累。国内对北极航线的科学考察和研究相对较晚且理论进展相对迟缓,近年来国内逐渐重视北极航线的研究,对于北极航线的经济性、北极航线治理与中国如何参与治理、北极航线对中国的战略意义以及中国应采取的策略等开展了大量研究,但研究深度和广度以及研究成果影响力与北极8 国相比仍存在较大差距。国内外研究主题基本一致,相较而言在研究方向和研究尺度上存在着较大差异,国内学者大多从国家或地区视角研究北极航线,部分国际学者是以航运公司、托运人等视角进行研究;在航线发展潜力与经济性研究中,国内学者认为北极航线的开通将会给中国以及相关国家带来诸多益处,且会给海运格局带来巨大的变革,国际学者大多认为北极航线目前还不足以对世界经济发展起到推动作用,同时可能会严重破坏北极的生态环境[123];在北极航线通航环境研究中,国内学者主要通过以往的数据来分析通航窗口、关键海域等,国际学者侧重于对未来通航窗口、航线规划、海冰和天气的预测;对于北极航线通航性的研究,国内学者对航线通航性持积极态度,国际学者一般认为航线还处于不安全通航状态之下;在航线安全研究中,国内侧重于航运安全和地缘安全且对航线治理及中国参与航线治理研究较多,国际学者则侧重于提出预测航线风险的方法与模型;在相关国家政策战略研究中,国内学者大多将重点放在俄罗斯且对中俄合作十分注重,其次是对韩国、日本、加拿大等国的研究,国际学者对美国、俄罗斯、加拿大的研究较多。

结论与展望

结论

本文以CNKI 和WOS数据库中北极航线相关文献为研究对象,采取信息可视化研究方法并应用CiteSpace 软件,对国内外北极航线研究的相关文献进行可视化分析和文献评述,研究结果显示:

(1)从年度发文量来看,国内可以划分为平稳发展和快速发展2 个阶段,国际可以划分为缓慢发展、平稳发展和快速发展3 个阶段,国内外北极航线研究的文献数量随着年份变化整体上呈逐渐增长趋势,国内大量文献出现在2013 年后,国际大量文献出现在2014年后。

(2)从发文作者来看,李振福、肖洋、白佳玉、张韧、王丹、刘同超、寿建敏、郭培清是国内北极航线研究的核心作者,Ehlers S 和Lasserre F 是国际北极航线研究的核心作者,国内外均已形成少数联系微弱的研究团队,未形成合作紧密的网络。

(3)从发文机构来看,国内主要发文机构有大连海事大学、极地研究中心、中国海洋大学、武汉大学等,国际主要发文机构有Russian Acad Sci、NorwegianUniv Sci & Technol、Dalian Maritime Univ、Univ Laval、Mem Univ Newfoundland 等,团队内部之间合作关系较为密切,不同团队之间受地域学缘等因素影响,联系强度和合作关系较弱。

(4)从关键词共现来看,北极航线研究随时间变化越来越活跃,关键词词汇类别逐渐多样化,研究主题和方向逐渐多元化,研究方法逐渐深入化,国内外的高被引论文的研究主题不一,国内研究主题相对集中,而国际研究主题较为分散、多元。

(5)从研究主题来看,北极航线研究热点主要聚焦于北极航线的经济可行性、北极航线对世界经济贸易与海运网络的影响、北极航线通航环境与航线安全以及北极航线政策与实施等主题。国内外研究侧重点有所不同,国内侧重于研究北极航线的地缘政治、国家利益、经济贸易、经济可行性,国际侧重于研究航线安全、生态环境、海冰天气预测等,大部分国内学者对航线经济性、通航情况、未来发展持积极态度,而国际学者则较为保守和谨慎。

展望

未来北极航线研究方法和研究视角有待进一步丰富,研究领域和研究深度需拓展和加强。北极航线研究领域未来可能出现的研究热点:

一是北极航线与“冰上丝绸之路”融合问题。已有学者将北极航线与“冰上丝绸之路”进行了联合研究,这是一个新的并可积极拓展的研究方向,在未来几年可能会成为研究热点。

二是北极航线人文环境方面的研究。当前大量研究围绕气候、海冰、水文、物种、生态等自然环境方面进行展开,尚缺少人文环境方面的研究,例如土著人民对北极航线开发的态度以及影响。

三是北极航线安全问题。随着通航窗口的增加,北极航线安全问题愈加明显,未来应重视基于理论视角从微观和宏观方面对北极航线安全问题进行研究。

四是联合研究问题。目前主题联合研究和国内外联合研究还较少。在主题联合研究方面,可将航线经济性和环境影响、航线地缘安全和通航环境安全、国家地区视角和航运公司视角等进行联合研究。在国内外联合研究方面,可与北极8 国进行航线开发、自然生态环境保护、极地船舶技术、北极资源开发等方面研究;可与日本、韩国等航线延长线国家进行合作参与北极事务、利用北极航线等方面研究。

在我国科学研究领域,国家自然科学基金资助项目扮演着推动学术创新和科技进步的重要角色。特别是在地学领域,这些资助项目加速了我国在地球科学领域的研究进展,为理解和解读地球复杂系统提供了重要支持。

在多年以前,基金委提供资助课题历史查询功能,但前几年查询功能不再存在,这一变化使得学术界对于历史数据的获取变得不便。

一些第三方网站通过技术手段,成功地保存并整理了大量历史基金资助信息,使得这些珍贵的数据得以被广泛地下载和利用,从而延续了其价值。

  • 通过分析历年的基金资助项目,研究人员可以清晰地看到地学领域研究主题的演变趋势。这一点对于避免重复研究、优化资源配置具有不可估量的价值。我们可以通过这些数据,详细了解先辈们已经开展的研究,判断自己感兴趣的课题是否已有研究基础,或是已被深入探索。

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在当前信息化快速发展的背景下,有效利用历史数据资源,尤其是那些关键的科研资助信息,对于推动科学研究具有重大意义。我们应当鼓励和支持这种数据的开放和共享,使其能够更广泛地服务于学术界和研究人员,为我国的科学研究和技术创新贡献力量。

数据内容和下载链接

我有针对性地选择了几个个人感兴趣的研究方向,这些方向包括遥感、海洋和测绘。由于地学领域广泛而复杂,我仅将关注点限定在这几个特定领域。

清单

公众号回复“基金”,获取资料。公众号搜索“海洋遥感学习”。

使用这些资料,一定要遵守基金委制度。

经改进,SWOT Level-3 LR SSH v1.0产品现已在AVISO平台正式上线。这一版本是对之前beta版本的重大升级,包含了一系列的性能优化和新功能,以更好地服务于科学研究和实际应用。

全新特性:

  1. 全面覆盖:v1.0版本提供了从2023年4月至2024年4月的全年数据,覆盖SWOT任务的两个主要轨道阶段。

  2. 算法升级:Level-3算法层经历了显著的性能和稳健性提升,为用户带来更准确的数据处理。

  3. 数据融合:新版数据结合了重新处理的L2产品和短期延迟的PGC与PIC产品,为用户提供了更灵活的数据使用选项。

  4. 校准与一致性:v1.0在L2版本C的基础上,通过NASA/CNES项目的额外增强和错误修复,提供了更好的海洋校准和与传统星下点高度计星座的一致性。

  5. 噪声降低:改进的深度学习(CNN)基础噪声降低算法,提供了更稳定和更好的性能。(原版的CNN降噪不对,过滤了大部分的可能真实存在的亚中尺度能量,导致波数谱斜率过陡。)

  6. 格式兼容性:L3格式经过优化,以更好地适应各种标准和通用库及工具。

能写论文不?

大家最关注的不是SWOT发布了多少数据,而是数据能不能写论文,嗷嗷待哺的硕士、博士能不能用数据做论文和毕业?还有一些遵守规则的青年学者,尽管已经做出来成果,但是还在焦急等待数据发表政策的改变。

我的判断是:目前的数据版本已经足够用于科学研究并用于撰写学术论文。
原因是这次SWOT数据制作团队也计划发表论文了,并准备了论文初稿。
尽管L3高级产品中仍存在一些已知问题,但这些问题不足以影响数据在学术研究中的应用,已经可以满足相关研究的基本需求。

如果大家对SWOT数据的使用和发表学术论文存疑,可以评论区留言讨论。

内波并非SWOT观测的主要目标。事实上,内波与潮汐一样,需要在研究地转平衡海洋动力学时被剔除。由于SWOT具有高分辨率和低噪声水平,它能够检测到由内波在海表面引起的高度异常。

内波小科普

内波,也称为内重力波。根据流体分层、生成机制、振幅和外部力的影响,内波还有许多其他名称。如果界面振幅很大,它们被称为内孤立波。如果在海洋中由潮汐流过海底山脊或大陆架产生,它们被称为内潮。如果它们比地球旋转频率慢,以至于同时受到重力和科里奥利效应的影响,被称为近惯性波

内波通常波长从几百米到几十公里不等,周期从几分钟到几小时不等,其振幅常超过100米。内波虽不如海面波浪那般显眼,但其潜藏于水中的特性使其具有难以预测的危险性,因此也被称为“水下魔鬼”。

例如,加拿大戴维斯海峡的一个深水石油钻探平台曾因内波的影响被迫中断作业,后来不得不安装内波预警系统来保证安全。内波的影响力非常大,能在垂直方向产生巨大作用力。1963年4月10日,美国的“长尾鲨”号核潜艇在大西洋上遭遇强烈内波,结果因为内波的垂直压力超出承受极限而沉没,船上160名船员均未生还。这一悲剧凸显了内波潜在的危害性。

内孤立波

内孤立波是一种特殊的内波现象,它在海洋和大气中都可能出现。一旦形成,内孤立波可以在没有外部干扰的情况下保持其形状和速度。
由于其强烈的非线性特性,它们可以在海面上产生显著的辐聚或辐散现象,从而引起海面粗糙度的变化。这种变化使得内孤立波能够通过卫星遥感技术较为容易地被观测到。然而,并非所有类型的内波都具有如此显著的特征,能够被卫星直接观测。

近惯性波

近惯性波是一类在海洋中广泛存在的内波,是由科里奥利力和重力共同作用产生。主要由风暴、风突变或其他快速变化的气象事件激发,尤其是当这些事件的时间尺度接近或者短于地球的惯性周期时。它们在Garrett-Munk内波谱中 $f$ 处形成一个显著的峰值。

内潮

内潮是由表层潮汐动力直接引起的,当海洋表层水因潮汐作用上升和下降时,这种垂直运动会传递到下层,引起水体内部不同密度层之间的波动。这种波动在海床地形复杂或变化区域尤为明显,因为地形的变化可以局部改变水流的速度和方向,从而更强烈地激发内波。内潮的周期与海洋表层的潮汐周期一致。

内波连续体

内波连续体(Internal Wave Continuum)的能量主要分布在海洋的惯性频率 $f$ 到浮力频率 $N$ 之间,不包括近惯性内波、内潮等特定峰值。这些内波是海洋中由各种过程产生的波动,它们在海洋的垂直结构中传播,并且与海洋的湍流和混合过程密切相关。

SAR和光学影像探测内波

内波会导致水下密度分层的变动,进而影响海面的流速和流向。这种变化会改变海面的粗糙度。例如,内波的存在可能使海面在波峰区域比波谷区域更加平滑或更粗糙。

由于海面粗糙度的变化,SAR以及光学遥感载荷接收到的回波强度也会相应变化。在海面较平滑的区域,反射信号的回波较弱;而在较粗糙的区域,回波则较强。通过分析这些强度变化,可以识别出内波的位置和形态。

SAR产生的图像可以显示出内孤立波的特征,如波长、波速、振幅和传播方向等。但SAR不能测量内波在海面高度上产生的振幅,也不能探测其他类型的内波。

Sulu Sea between the Philippines and Malaysia. NASA. 光学影像

SWOT测量内波的海表高度异常

内波发生时,海面高度可能有所改变。SWOT可以铺捉到这种内波信号,和传统高度计比较,SWOT干涉测量是三维的,测量的内波结构更加细致丰富。

通过计算SWOT观测的SSHA在小尺度的能量,基本发现是能量大的区域为内波(内潮)引起,并且掩盖了中尺度和亚中尺度信号。

下面是SWOT在一些典型海域观测到的内波。

塞舌尔

塞舌尔高原是一个位于热带印度洋的广阔半椭圆形结构,具有陡峭的坡度、浅平均深度、大尺寸和独特的动力学特性。
从上面的SSHA图像,可以清楚的看到内孤立波的源头、传播方向以及耗散区域。

印尼海域,放大观看更清晰

印尼周边海域附近内波太多了,这里有印度尼西亚贯流(ITF)的重要出口通道。因其复杂的海岸线几何形状、海底地形、狭窄的通道、分层的水域和强烈的潮汐流,成为产生强烈海洋内波的有利地区。

亚马逊河口

亚马逊河是世界上淡水排放量最大的河流之一,显著地调节了周围水域的分层结构,河流的羽流经常向西北延伸数百公里。亚马逊河口的大陆架具有复杂的海底地形和强烈的潮汐。
大多数内波沿着大陆架向亚马逊河上游传播,与北巴拿马海流的方向相反。

几个可以写论文的方向

SWOT观测内波比较容易,而且测量的三维高分辨数据非常有创新性。那么大家写点文章是完全没问题的。怎么才可以写点文章呢?我感觉有很多方向是可以尝试的。下面是几个送给关注我的粉丝的idea,免费的。

  • 基本分析

结合SWOT干涉测高的SSH数据和同步观测的后向散射系数,可以精确测定内波的传播速度、振幅和方向。这种数据融合,加上当前的人工智能技术,为高质量研究提供了强有力的工具,有望显著提高内波监测和分析的准确性。

  • 波数谱分析

通过波数谱可以分析地转平衡湍流和内波的相互作用,可以得到内潮、内波连续体的能量。内波连续体波数谱的斜率也可以尝试计算,验证现有的GM理论模型。这一发现若与理论预期不符,可能促成新理论的提出。

  • 物理机制

SWOT卫星提供的数据使我们能够观察到内波引起的三维SSHA异常。对这些数据的深入分析有助于阐明内波的能量来源、传输、耗散过程以及波流之间的相互作用机制。这些发现将对我们理解海洋动力学系统中的能量交换过程提供重要支持。

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此外,试验还包括一系列科学任务。科学研究将集中于几个关键领域:分析在稳定远岸风条件下波浪的生成过程,研究浅水环境中涌浪的衰减现象,以及探究潮汐与波浪之间的动态相互作用。更重要的一点是,我们还将开展人工智能的波浪预报研究。

通过这次试验,我们期望深入了解控制波浪谱能量平衡的源函数结构,通过AI+物理模型更好的预报波浪,为海洋科学研究、防灾减灾及工程应用提供更加准确的数据支持。

在科学方面,我们的试验和著名的JONSWAP一致。但是,时代的发展让我们拥有了更加可靠和经济的波浪观测设备,并且能够同时测量波浪和潮汐,这允许我们现在开展这样的试验。

国产GNSS浮标

JONSWAP项目

为了推动这次试验开展,我们将筹备成立名为“观海基金会”的私募基金。该基金会将在前期获得约200万元的资金规模,资金来源为基金会自身筹资以及GNSS浮标产品50%的利润。您购买一个GNSS浮标,就等于捐助我们执行本次任务。

本项目计划在黄海开展,规模较JONSWAP实验更为庞大,计划部署20套波浪观测设备,其中包括国产GNSS浮标。这些设备将覆盖黄海100公里的范围,整个实验周期为一年。

实验站位

根据实验需求和观测结果,部分观测点位可能会转为永久性监测。这样的布局将使我们能够更准确地分析和理解该区域的海洋波浪。

试验全部数据全部开放,参与人员优先使用的保护期拟定为一年,之后将免费向公众共享。

本次试验的实际参与将涵盖人员及设备的全面支持。具体包括“波浪骑士”及坐底式波浪仪等设备的使用,以及提供船舶和设备安全维护的相关帮助。所有的报告和学术论文将通过在线协作平台完成撰写,以便实现高效的团队协作和知识共享。

此次实验采取众包科学的方式,参与者将根据各自的专长分工合作。我们欢迎包括学生、研究人员、企业职员、渔民及政府工作人员等各界人士参与。参与者可以通过留言或私信的方式进行报名,报名时间从信息发布之日起至任务结束前均可。

我们将通过直播、短视频和公众号文章等多种形式,定期发布本次试验的最新进展。请大家保持关注,以便及时了解相关动态和成果分享。希望大家能积极参与和支持,共同见证这一海洋科学研究的重要里程碑。

IEEE 头版报道

近期,美国电气和电子工程师学会的记者格温多林·拉克对我国研发的自主GNSS波浪浮标进行了深入采访,并撰写了题为 《哦,浮标!卫星数据有助于精确定位海浪,改进的卫星浮标可以在海洋科学领域引起轰动》 的详尽报道。这篇报道不仅展示了我国在海洋观测技术方面的创新成就,也标志着国产GNSS波浪浮标在国际上获得了广泛的认可和赞誉。这种技术的成熟与认可为我国海洋观测装备的国际化发展奠定了坚实的基础,展示了我国在全球海洋科学领域的影响力和竞争力。

浮标布放

在全球科技创新的浪潮中,我国自主研发的GNSS波浪浮标技术在国际舞台上展现了中国智慧的光芒,引起了广泛关注。美国IEEE的记者格温多林·拉克对这一技术进行了深入的报道,题为《哦,浮标!卫星数据有助于精确定位海浪,改进的卫星浮标可以在海洋科学领域引起轰动》。这不仅是对我国海洋科学技术创新能力的国际认可,也是对我国科研人员不懈努力的肯定。

GNSS波浪浮标利用全球卫星定位系统,能够在没有陆地基准点的情况下,独立完成对海洋波浪高度、方向和周期的精确测量。这种技术的成功应用,不仅提高了数据采集的实时性和准确性,而且极大地增强了浮标在恶劣海域的适用性和稳定性。

该技术的突破意义重大,它不仅使得我国在全球海洋科技装备领域的地位得到了提升,也为全球海洋科学研究提供了一种新的、更高效的数据收集方法。这一成就也展示了我国科研人员的创新精神和技术实力,体现了我国科技自主创新的战略方向。

报道还详细介绍了这种波浪浮标如何在青岛海域进行实地测试,并展示了其在实际海洋环境中的卓越表现。这种技术的应用,不仅促进了我国海洋科学研究的深入发展,也为全球海洋和气候变化研究提供了重要的数据支持。

这一技术成果的背后,是我国科研人员的智慧和汗水,是我国坚持自主创新、加快科技成果转化的生动体现。它不仅提升了我国在全球海洋科学装备领域的竞争力,也为我国科技创新走向世界奠定了坚实的基础。

我国已从一些领域科技创新的跟跑者成长为全球的领跑者,尤其在海洋科学技术领域取得显著进步,并展现出强大的国际竞争力。未来,作为全球科技创新的领跑者,我国将继续推动科技创新,加强与国际科技界的交流与合作。这种开放合作的策略不仅能提升国内科技水平,还将为解决全球性的海洋与气候问题贡献中国智慧和方案。

我们坚信,随着对海洋科学技术的持续投资和创新,以及通过国际合作分享科技成果,我国的科技前景将更加光明。这不仅将提升我国的全球科技地位,也有助于全球环境保护和可持续发展。通过不断的科技进步和国际合作,我国正致力于为全球科学技术进步做出持续贡献。

IEEE新闻报道:https://spectrum.ieee.org/ocean-buoy

国内报道:http://qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202404/t20240402_7067782.html