ESI高影响论文揭示的北极自然科学研究特点

宁宝英

（中国科学院西北生态环境资源研究院文献情报中心，甘肃兰州730000）

0 引言

2019年3月13日，联合国环境规划署发布《全球纽带——图说变化的北极》报告［1］，该文件指出，即使实现《巴黎协定》制订的减排目标，到2050年北极冬季气温将在1986—2005年的水平上升高3～5℃，到2080年升高5～9℃，这将进一步强化北极地区冻土退化、冰川退缩、海冰减少和温室气体排放的正反馈，且导致全球海平面上升。这些变化将导致北极地区出现一系列的环境问题，与此同时，也使得该地区资源勘探开发与国际新航道开通成为可能。巨大的经济利益、重要的军事价值和科研价值、不可替代的国际战略与航道地位、对全球气候变暖的独特影响，诸多因素推动北极地区日益成为各国政府和学术界关注焦点［2-5］、国际战略地位愈加彰显，各国围绕北极地区的权益博弈也日趋激烈。

2006—2014年期间，北极理事会的8个成员国先后出台了北极政策或战略。中国于2018年发布《中国的北极政策》白皮书，明确了中国是北极事务的利益攸关方［6］。北极自然科学信息获取及创新性研究，是认识北极、保护北极和利用北极的基础。国内学者从北极的环境［7］、能源［8］、航线［9-11］、环北极重要国家的北极政策等［12-15］方面综述了北极研究进展。除领域研究外，文献计量分析因可提供整体视角、揭示隐含信息、发现知识关联也被运用到北极研究中：牛艺博等［16］基于2010—2016年源自SCIE和SSCIE的46 000多条数据，分析了全球极地研究的发展格局和变化趋势；於维樱［17］等单独以北极地区海洋为对象，通过计量分析研究其发展态势。目前研究论文众多，各方面都显得很重要。但是总体上，哪些研究是最热的、最重要的，最核心的研究力量如何分布，重要进展及其相互间的联系等，尚不明确。

ESI高影响论文（ESI top paper，包括ESI热点论文hot paper和ESI高被引论文highly cited paper）作为ESI评价体系中的基本指标，是当今世界范围内评价国家或地区、学术机构、个人学术水平及影响力的重要评价依据。北极研究的SCIE论文数量庞大，相较于使用全部SCIE文献所做的大量分析，基于高影响论文的分析可宏观而概要地揭示北极研究中最具影响力的研究力量、最核心的研究领域和最新的重要进展，从而为了解中国目前在北极自然科学研究中的地位、明确今后重点发展方向、开拓极地国际合作新疆域、提升极地快速变化应对能力、打造极地全球共治的中国范式提供最精要的信息。

1 检索策略与数据分析方法

北极地区有多种定义：地理学的定义是指北极圈（66°34′N）以北地区，以极昼和极夜为主要特点；此外还有基于气候学、生态学、物候学、文化历史学、社会学和政治学等的定义。本文采用地理学定义，北极地区包括北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿、北美大陆和欧亚大陆的北极苔原和最外侧的泰加林带，环北极国家指加拿大、美国、俄罗斯、挪威、瑞典、芬兰、冰岛和丹麦8国［18］。

检索策略为主题检索。在SCIE数据库中，以与北极有关的地理学名词作为关键词，检索相关SCIE文献，并在检索结果中遴选ESI高影响论文为分析对象。主题词包括3部分：（1）北极与北极地区；（2）北冰洋及相关岛屿和群岛；（3）北极苔原和北极泰加林（又名：北方针叶林），文献类型限定为Article、Letter和Review①检索式：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文献82 000多篇，其中ESI高影响论文598篇，经过文献题录信息阅读，剔除不相关文献后，确定进入分析范围的文献为408篇。

数据分析采用EXCEL和VOSViewer，其中VOSViewer软件可通过共现分析呈现字段的网络结构关系，在进行作者、机构和国家分析时，编写了字段叙词表以合并同义词。此外，分析中还结合文献阅读和内容分析。

2 分析结果

2.1 文献数量年际分布

ESI统计时间段为近10年，每两个月更新一次数据。2019年目前有3篇为高影响论文（因2019年数据为截止检索日的部分数据，故未在图1中显示）。2009—2018年高影响论文数量较为稳定，每年在40篇左右，以2014年分界，前6年波动上升，从37篇增加到52篇，自2014年后逐渐下降，2018年为31篇，近5年数量下降的部分原因为文献存在引用周期。结合全部SCIE发文数量，整体发文呈平稳较快上升趋势，说明对该领域的关注在持续增强。

2.2 主要研究力量

2.2.1 作者

高影响论文作者之间几人成群、不同作者群之间相互独立、作者合作关系松散。较大的作者群有：以美国Colorado大学的Stroeve，Julienne C.（研究重点为北极海冰分布与模拟）、荷兰Utrecht大学的Van Den Broeke，Michiel R.（研究重点为格陵兰冰盖对海平面变化的贡献）为核心的作者群。发文最多的通讯作者是英国Exeter大学的Screen，James A.（7篇），研究重点为北极海冰与北极放大效应。

2.2.2 机构

408篇论文涉及了884个机构，共出现2962次，篇均7.26个机构。高影响论文的多机构合作创新特点明显。

发文量超过总量5%的机构有16个（表1），10个为美国机构，且排名前8位的均为美国机构：阿拉斯加大学排名第一，发文90篇，其次是科罗拉多大学（80篇），第三名是美国国家海洋和大气管理局（62篇）；加利福尼亚大学、华盛顿大学、美国国家航空航天局、美国国家大气研究中心、加州理工学院依次排第4～8位。中国科学院排名第9。其次是欧洲瑞典、俄罗斯、德国、荷兰的机构和加拿大阿尔伯塔大学。

在所有机构间，相互关联强度处于前30位的机构，形成了密切的互联合作网络（图2），并形成较明显的合作聚类：（1）核心——美国：以多个美国机构（华盛顿大学、科罗拉多大学、美国国家航空航天局、美国国家海洋和大气管理局、加州理工学院、美国国家大气研究中心）形成的合作聚类；（2）中间——环北极：美国阿拉斯加大学、荷兰乌得勒支大学、瑞典斯德哥尔摩大学、芬兰赫尔辛基大学、挪威奥斯陆大学、加拿大阿尔伯塔大学、丹麦奥胡斯大学基本为环北极国家顶尖大学合作聚类；（3）外围——跨地域：以美国哥伦比亚大学和伍兹霍尔海洋研究所、法国巴黎大学、德国赫姆霍兹海洋研究中心和马克斯普朗克化学研究所、英国爱丁堡大学、中国科学院构成的最大地域跨度合作聚类。

2.2.3 主要国家

因1篇文章中，可出现多个国别信息，因此，单纯统计国家的频次不足以说明问题，此处采用百分比来显示。

以全部作者计，408篇文献涉及60个国家，文献量的国家占比（表2）中，美国以绝对优势领先，占总量的4成，其次是英国、加拿大、德国，占比在6%～9%之间；挪威和法国占比接近5%，其余的（澳大利亚、荷兰、瑞典、丹麦、俄罗斯、中国、瑞士）在2%～3%之间，中国占比2.19%。这些国家中，除环北极国家外，就是积极参与北极事务的国家。

以通讯作者计和以第一作者计的国别分布略有差别，前5位顺序不变，前4位第一作者占比略高于通讯作者，美国占比增加至45%。澳大利亚、新西兰和瑞典三类占比基本相同。变动较为明显的国家包括：全部作者法国占比4.46%，而在通讯作者和第一作者国家占比均降至2%以下；中国第一作者占比不到2%，而通讯作者占比为2.45%；俄罗斯、瑞士仅在全部作者中占比超过2%，而在通讯作者和第一作者占比中降至2%以下。通常认为，第一作者、通讯作者、参与作者在一篇文章中的角色定位依次为执行者、领导者、参与者，而中国是唯一通讯作者、参与作者、第一作者占比依次降低的发文国家，但占比差别很小。

发文超过4篇的31个国家间形成了密切的合作关系（图3），美国处于绝对领先的核心地位，合作关系中明显地形成3个合作聚类：美国、英国、法国、澳大利亚、日本、中国、韩国、冰岛和比利时合作紧密；环北极国家（挪威、加拿大、丹麦、瑞典、芬兰）形成密切合作关系；欧洲国家（德国、荷兰、俄罗斯、波兰、西班牙、意大利、瑞士、葡萄牙、奥地利、冰岛、捷克、爱沙尼亚）与新西兰交错合作网。

2.3 主要基金资助机构

366篇标注了基金资助机构信息，共1 676个，篇均4.11个（表3）。数量最大的基金资助机构是美国国家自然科学基金，有211项，其次是英国自然环境研究委员会（104项）、美国国家航空航天局（100项）。在基金数量不低于10项的资助基金机构中，美国的还有美国能源部（69项）、美国国家海洋和大气管理局（55项）、美国地质调查局（13项），总计448项，占总量的26.73%，数量占绝对优势。另外4个环北极国家（加拿大、挪威、瑞典和芬兰）的资助基金在11～31项之间。澳大利亚研究委员会、德国联邦教育和研究部、中国国家自然科学基金在10～13项之间。

表3 主要基金资助机构Table 3 The major Funding Agencies

中国资助基金数量共有26项，占全部基金数量的1.55%，若以第一资助基金统计，仅有7项，占第一基金总量（366项）的1.91%，基金占比与人员参与合作占比、发文量占比相较，基金占比更低。

高影响论文字段分析结果揭示美国在北极研究中的绝对优势地位，几近占据半壁江山。相比之下，作为非环北极国家的中国各项指标（论文数量、作者、机构、资助）仅在2%左右，在北极研究影响力方面相当弱，反映出中国北极研究的合作参与、外围相关（以与北极相关的青藏高原、北大西洋为主、未真正深入北极核心区；数据获取多为间接式、分析方法以模拟为主；国家间合作关系网络中处于边缘位置）、微量切入（中国作者量少、第一作者论文仅有8篇）的特点。这一方面与不占地利有关，一方面可能与平台有关，例如高影响论文主要发表期刊为美英期刊（美国、英国、德国、荷兰依次有11、4、2、1个，美国期刊数量绝对领先）。

3 主要研究领域

3.1 研究类别与研究方向

在254个WOS类别和153个研究方向中，403篇高影响论文涉及的WOS类别和研究方向主要分布在地学和地质学（20%）、气象学和大气科学（16%）、环境科学（11.63%、16.11%）、海洋学（5%）、自然地理学（5%）（表4），总体上高影响论文形成以地学为主，环境科学其次的以地、人地关系为两大核心的研究格局。

表4 主要WOS类别和研究方向Table 4 The major WOS categories and research areas

3.2 研究内容

依据论文中的作者关键词（仅40%文献含作者关键词信息，表5），利用关键词之间的共现关系，形成基于作者关键词的研究内容网络（图4），为更清晰展现关键词之间的关系，图中未含检索词Arctic。可以看出，北极地区研究，高影响论文揭示出以气候变暖为核心和背景，辐射相关海冰和海洋、生物与典型生态系统（生物多样性适应与保护、北方针叶林、苔原、微生物）、冰川退缩与冻土退化、温室气体和气溶胶、气候影响等领域的整体研究格局。为补充因数据库作者关键词字段缺失造成的信息展示不充分，对全部文献的摘要和部分全文进行了阅读，并据此对主要研究内容的阐述进行细节补充。

表5 高频作者关键词Table 5 High frequency author keywords

图4 作者关键词网络Fig.4 Author keywords network

3.2.1 海冰与海洋研究

气候变暖引起的海冰减少（sea ice loss），是海冰研究中的重点和基调，对其减少机制的探究（如atmosphere-ocean interaction，注：3.2.1～3.2.4节中每部分第一段中括号内的英文单词为该关键词相关领域的词汇，并非一一严格对应的翻译）和模拟（model intercomparison）是重要内容，由于海冰减少而正向反馈的北极放大效应（arctic amplification）、海冰融化后的冷淡水外流，对北半球洋流（circulation）及气候变率（climate variability、mid-latitude weather、atmosphere circulation）的影响也是重要方面，海洋酸化（acidification）和微塑料污染（marine microplastics pollution）也是北极面临的两大环境压力。

15.2%的（62篇）文献讨论海冰，主要内容包括海冰总量减少、一年冰增多、结冰期延迟。海冰呈减少趋势是共识，分异点在于减少的时空异质性、原因和影响、夏季无冰期的出现时间和持续时间。（1）海冰减少。Cavalieri和Parkinson［19］基于北极地区32年（1979—2010年）卫星被动微波辐射计数据，分析北极海冰趋势，认为除白令海外，海冰范围和面积的年际趋势均为负值，在海冰范围和面积的季节性基础上，夏季的负向趋势最大，秋季的负向趋势次之。2012年9月13日，北极海冰范围达到有卫星记录以来的最低点，为3.4×106km2，海冰面积3.0×106km2［20］。（2）海冰减少的原因。原因多样，包括：每年增加的1 000～500 hPa厚度场［21］、夏季大气环流的趋势［22-23］（被认为可能对1979年以来9月海冰范围下降贡献率高达60%）、秋冬季潮湿空气［24］、表面混合层的出现（斯瓦尔巴北部）［25］、大量淡水的注入［26-29］、尤其是大西洋暖水的注入［30-32］，加剧海冰减少。在波弗特海的研究认为，海冰减少与海洋热释放引起的周期性逆转有关，海洋热释放引起的秋季冰前进的周期性逆转，秋季风浪使上层海洋的热量混合到表面，然后使刚形成的薄、新冰层融化［33］。（3）一年冰增多。北极海冰覆盖正在从多年冰向季节性冰转变，季节性冰更低的反照率加速海冰减少的正向反馈，并使夏季无冰期延长［34-36］。（4）结冰期延迟。在过去的十年中，北冰洋表面温度增加了0.5～1.5℃，这在很大程度上解释了北冰洋附近海域秋季结冰的延迟现象［37］。

海冰减少造成影响是多方面的、综合性的、全球性的［38］，包括大气系统、生态环境、人类生产生活等多个领域：（1）对北半球中纬度气候的影响：秋季北极海冰面积的减少，一是导致大气水汽含量增加，冬季多雪；二是使阻塞模式出现得更加频繁，寒潮加剧［38-39］。北极海冰减少促使北半球冬季出现极寒天气的可能性增加［40-45］，并被认为是中国华北平原冬季雾霾的成因之一［46-47］。（2）对生态的影响：生产力、物种相互作用、种群混合、基因流动、病原体和疾病传播［48］。（3）对人类生产生活的影响：北极海冰减少削弱了大西洋经向翻转环流［49］、若海冰持续减少到21世纪中叶可通航新的跨北极航线［50］。

海洋酸化是北极海洋研究重点之一，其整体趋势模型表明［37］，到本世纪末，在IPCC A2方案中，地表水的pH值将从工业前的8.2下降到大约7.8，相对于工业时代的开始，海水酸度明显增加。海洋酸化对海洋生物从个体生理到种群结构均产生负面影响：海洋酸化可能改变幼虫行为和损害其感官能力，从而对鱼类繁殖造成重大威胁［51］。

3.2.2 生物与生态系统

苔原带（tundra、shrub tundra）、高山带（alpine）和北方针叶林（boreal forest）等陆地生态系统（terrestrial ecosystem）、北冰洋生态系统（marine ecosystem）及多种生物（vegetation、plant functional type、fish）在面对环境变 化（warming、wildfire、disturbance、sea level rise）时，生物从个体生理表征（photosynthesis、respiration）、生态系统从整体响应（dynamic vegetation model、feedback、ecosystem function、population dynamics）两个层面适应（adaptation）气候变暖的影响。人类也开始注意并保护（conservation）北极生物多样性（diversity、species richness）。生物地理学（biogeography）中，细菌（bacterial diversity、bacteria）和古生菌（archaea）被重点关注。

变暖背景下，北极生态系统出现一系列变化：（1）北冰洋初级生产继续增加［52］，藻类［53-54］和浮游植物［55］大量繁殖，北冰洋大陆架生物生产力增加［56］；（2）生物群落向北扩展，大型洄游鱼类捕食者的丰度和分布区域的增加；北极大陆架鱼类群落向北到达与深极地盆地接壤的较深区域［57］；灌木扩张［58-59］；植被区转移，木本覆盖增加52%［3］；北极苔原被重塑［60］；苔原和北方森林中植被分布出现新模式［57，61］；（3）北极苔原对气候变暖的反映增强［62］；（4）火灾风险增加，北方森林在温暖和干燥条件下可以维持几个世纪的高强度火灾状态［63］，闪电是近几年北美北部森林大火的主要驱动力［64］；（5）生物种群面对压力的适应。北冰洋似乎正经历着从极地向温带模式的根本转变，这可能会改变海洋生态系统，如海洋哺乳动物的亚区系和栖息地变化［65］；不同鱼类的温度容忍度不同，受到的影响不同：巴伦支海鳕最近显著增加［66］，鲑鱼则通过每次产更高数量的卵维持遗传多样性［67］；气候变暖可能导致全球渔获潜力的大规模再分配，高纬度地区的平均增长率为30～70%［68］；51份北极海洋生物群对气候变暖反映的报告可基本代表当前概况［69］，内容包括：丰度、生长/条件、行为/物候和群落/领地变化，其中大多是关于海洋哺乳动物（特别是北极熊）和鱼类的，充分记录浮游生物和底栖生物的文献惊人的少，且明显缺乏北冰洋特有物种、冰藻产量及相关群落的物种丰度和分布的定量报告，广大的西伯利亚大陆架和北冰洋中部等地区的文献中几乎没有关于气候变暖对海洋生态影响的文献，尽管气候变暖的性质让人担忧，且其对北冰洋有强大的潜在影响，但评估气候变暖对该区影响的研究工作却相当有限。（6）细菌的生物多样性改变，分为物种和群落两个层面，如甲烷营养细菌［70］和土壤细菌群落［71］的生物多样性，Chu［71］认为细菌群落分布的控制因素与宏观生物群落存在根本的不同，生物群落定义对预测全球土壤微生物多样性没有帮助。（7）污染物浓度增加。主要涉及微塑料、汞、溴化阻燃剂、有机氯农药、聚氟和全氟有机化合物、石油、过氧乙酰硝酸盐、有机卤素、有机磷酸酯、多溴二苯醚等污染物的分布、输送、生物富集及对生物体的影响。北冰洋成为微塑料的沉淀池［72-73］，但微塑料和生物间的相互作用仍需进一步研究［74］。污染物还产生连带影响，如过氧乙酰硝酸盐分解释放的氮氧化物分别占北极表面臭氧生成量的93%和55%［75］。

3.2.3 冰川退缩与冻土退化

北极地区气候变暖，导致陆上冰川尤其是格陵兰冰盖和沿海冰架崩解（ice sheet dynamics、deglaciation），北极苔原多年冻土（permafrost）退化致溶解有机碳（dissolved organic carbon）和重金属（heavy metal）成分释放，改变了整体水环境（aquatic environment）的生物地球化学组分。

38篇文献研究格陵兰冰盖、冰川物质平衡亏损成因、程度与时空分布、动力学过程与机制、对海平面上升的贡献。（1）成因。基本认同是热力而非动力造成冰川物质平衡亏损［76-80］。（2）程度与时空分布。物质平衡亏损数量在增加是共识，加拿大北极群岛冰川和冰盖的质量损失急剧增加［81］；格陵兰冰盖2012年夏季冰川融化创造了多个新记录：自有卫星数据以来融化的量最多、97%的冰层有融化、融化期比1979—2011年的均值长近2个月［82］；2012年7月12日的格陵兰冰盖的极端融化事件中，表面或其附近发生的融化占其整个范围的98.6%，甚至包括通常是冷极区的高海拔地区，如干雪相成冰的山顶［83］。（3）动力学过程与机制。格陵兰西北部海洋出口冰川运动速度加快［84］，多个研究认为冰下排水是加速冰川运动的原因，如冰川锅穴的存在使融水进入冰川内部［85］、高压的冰下水和基底沉积物驱动的冰床界面运动［86］，但也有研究持相反论点［87］。冰流排水网络与物质平衡变化、冰川内部动力反馈机制的关系基本未知，是未来工作需要补充的一个关键领域［88］。冰盖和冰川融化的机制除了变暖融化外，Van Tricht等［89］认为云层是格陵兰冰盖径流的主要驱动因素，有云层比晴空时融水径流增加约三分之一；Bennartz等［90］认为液态水滴组成的低层云（“液态云”）的辐射效应在这一融化事件中起到了关键作用；Ryan等［91］认为冰盖表面分布式生物源活性杂质控制的格陵兰冰盖暗区解释了73%的观测到的反照率空间变异性。（4）对海平面上升的贡献。研究普遍认为，格陵兰冰盖的物质平衡亏损及其对海平面上升具有重要贡献，差异在于使用不同数据集和模型得出的具体数量。

冻土退化、冻土环境显著变化。（1）冻土升温不均匀。与低温多年冻土相比，高温多年冻土的升温速度要小得多，低温多年冻土层正在迅速变暖［92］。（2）冻土区水文变化，主要表现为径流增加。冻土退化形成淡水［93］，融雪与大量储存在于有机土壤和湖泊中的水混合并置换而产生径流［94］。冰楔退化和由此引起的地面差异沉降相关的水文变化将扩大［95］。Walvoord和Kurylyk［96］系统论述了多年冻土退化的水文影响，认为多年冻土水文领域在多尺度观测、地下特征、模型构建以及与其他学科的整合等方面正在迅速发展，但预测气候变暖的相关后果是长期挑战。研究的难题包括：（1）研究条件不足：模型不具体、冻土区的水文地质特征信息不充分、缺乏历史数据、结构和过程表示太简单满足不了模型模拟的高计算要求；（2）自然条件的复杂性：多年冻土的地下非均质性、融化模式和速率的不均匀性、多年冻土退化模式和水文变化之间的联系不易扩展、变化轨迹也可能不同。

3.2.4 大气、天气与气候系统（温室气体和气溶胶、大气耦合模式比较计划、中高纬度天气）

气候变暖背景下，北极地区进入大气的温室气体（greenhouse gas），尤其是冻土退化释放的CH4和CO2等，改变气溶胶（aerosol）组分，影响全球碳循环（carbon cycle）。为系统观测北极地区大气环境变化而组织实施的大型大气研究计划（CMIP3、CMIP5），采取实测和模拟（climate model）的形式记录和预测（spatial trend、temporal trend）北极气候变暖对北极土地利用变化（land use change）和整个地球系统的影响。

冻土退化释放温室气体受到极大重视。北半球高纬度地区有两个巨大的碳库：多年冻土和北方针叶林。在碳的释放方面，除CO2外，CH4研究近来受到的重视很多。（1）CH4排放。2008年时北极地区的CH4排放增长几乎为0，说明当时多年冻土和甲烷水合物对气候的强烈反馈还未被激活［97］，当时排放总量中仅2%来自北极地区［98］。在当前观测到的气候变暖面前，二者极易失稳，且失稳的速度和强度预期会随着时间的推移而增加［99］。21世纪CH4排放的形式将从化石燃料转变到生物甲烷［100］。多年冻土CH4排放量受温度、水文条件、活动层厚度、植物组成、微生物组成多要素影响，相互间作用存在非线性的复杂性，这使得CH4排放对多年冻土退化的响应具有很大不确定性［101］。（2）甲烷水合物。东西伯利亚北极大陆架沉积物［102］和西斯匹次卑尔根大陆边缘海床［103］发现CH4排放源，但目前还没有确凿证据表明水合物衍生甲烷正在进入大气［104-105］。存在的关键问题包括：CH4排放对气候系统的反馈在多数全球气候变暖模型中未被考虑到；冻土退化过程中土壤微生物对CH4的影响机理；冻土退化对CH4排放影响的空间异质性。

气溶胶。Wofsy等［106］认为北极上空有高密度污染物、黑炭和生物源CH4。生物质燃烧被认为是北极地区一次和二次有机气溶胶的主要来源［107］。Kawamura等［108］从分子水平解释了气溶胶中水溶性二羧酸及其相关化合物的地理变异性、大小分布、来源和形成途径。

35篇文献论述了北极变暖、北极放大效应对北半球中高纬度天气和气候的影响。主要的发现有：中纬度天气对北极变化呈非线性响应［109］、在可预见的未来无法量化北极变化对中纬度天气的影响［110］、无论是海冰损失还是人为因素都不是大陆变冷的原因［111］。（1）影 响 具 有 区 域 差 异 性。虽 然 多 项 研究［112-114］认为欧亚大陆极寒与北极变暖有关，但北极变暖对北美和东亚冬季寒冷的影响截然不同［115］。（2）影响机制不同。北极变暖或通过增加阻塞［116-117］、或通过影响中纬度急流［118-119］；而北极放大通过减小北半球中高纬度地区的温度变化［120］、调节大气行星波振幅变化［121-122］来影响北半球中高纬度天气。尽管有如此多的研究试图发现两者之间联系，“不确定性”仍是该部分研究中几乎所有文献都在提及的说明。

3.2.5 其他

除以上重点研究内容，关于北极古气候和古环境反演的文献有20篇，这为从地质历史的时间尺度审视当前的变化提供了宏大的视角和参照。主要是使用冰芯记录、湖芯记录、植物DNA、贝壳。

此外，有49篇数据集和模型介绍论文，揭示北极研究以大数据支持、模型运算为主的突出特点。北极研究立足北极，着眼全球，以行星地球的整体视角获取分析数据、建立对比参照系。研究基于强大的数据支持、平台支撑的构建和优化。（1）数据源类型有：长序列多站点观测数据、采集样本分析数据、遥感和卫星数据、气象再分析数据、融合数据集；数据获取方法有：现场采集（使用无人机观测是近两年发展起来的技术）、（冰芯、气溶胶、纹泥、树轮、黑炭）样本分析、遥感、共享（再分析数据）。数据分析手段主要是构建模型、大数据推演。（2）专门介绍模型的论文有23篇，运用模型、优化模型组件被运用于北极研究的诸多方面。

3.3 关键科学问题

纵观408篇论文研究内容及其进展，认为北极自然科学研究中的关键科学问题涉及四个方面。其共同点是不确定性，减少或消除这些不确定性，是北极自然科学研究取得突破的基础。

3.3.1 气候变暖的本底认识和预测

气候变暖在北极更地域性地表现为北极放大，形式上体现为冰冻圈变化（冰川退缩和冻土退化）、海洋变化（海洋暖化、海冰减少）等；目前的关键问题是气候变暖的本底认识和预测中不确定性的解决，比如确定“工业前时期”的期限、开发完全耦合的气候平衡模型来模拟和告知气候变暖的影响。既涉及基础本底数据（冰川、冰盖、冻土和海冰的数量、性质及分布）、变化情况（格陵兰冰盖物质平衡亏损量、北极海冰损失量、何时出现季节性无冰北冰洋、海平面升高多少）、又涉及数据观测和预测模式水平。如何从自然的气候变化噪声中识别出气候变化信号，是气候预测和风险评估的关键。

3.3.2 气候变暖的影响

气候变暖的影响是多方面的，多项案例研究从物种、群落和生态系统三个尺度上展现了其对生态的影响。气候变暖对温室气体排放的影响是北极研究中的重点，其关键问题是碳循环的不确定性：（多年冻土中的有机质、北极地下和水下多年冻土中的甲烷水合物）碳含量有多少、北极碳循环的敏感性高低、碳释放量和时间、陆地生态系统和碳循环间的反馈（多年冻土碳反馈的强度、时间及其相关因素）、碳动态变化与可能影响其变化的过程。

3.3.3 多圈层相互作用机制

北极研究中存在多个多圈层相互作用，典型的如大气-海冰-海洋中海冰减少与北极放大间的正反馈机制，目前倾向于认为是全球变暖-海冰减少-海洋水温增加-加热大气变暖-海冰减少。圈层内部要素的微观机理（如云微物理性质和过程、辐射通量）、宏观运动（如大气和海洋中普遍存在非线性的混沌运动）、圈层间相互作用的因果关系和反馈（北极海冰减少与北极陆地生态系统变化之间的联系），除微观机理有相对较为明确和量化的认识外，后两者的不确定是北极研究中的难点和关键。

3.3.4 北极对中纬度天气的影响

Cohen［123］认为最终影响中纬度天气的因素是大气中风暴轴、急流和行星波动的变化，而影响这些变化的要素包括全球变暖、极地放大、海冰变化、极涡、气候内部变率、太阳活动周期、火山喷发等，众多要素综合作用，极大增加了北极影响中纬度天气的不确定性，如何有效提炼出北极对中纬度天气的影响便是其中的科学难题。北极变化对北半球气候影响的可能性，存在相当大不确定性，因为潜在联系的时间序列很短（小于10年），还需了解北极变化对混沌气候系统的直接作用力的相对贡献。大气动力机制是进一步研究的方向，北极变化对中纬度天气的定量影响在可预见的未来可能无法解决。

4 趋势与展望

4.1 趋势

北极研究可分为四个重要研究方向：海冰与海洋；生物与生态系统；冰川退缩与冻土退化；大气、天气和气候系统。四个研究方向年度研究主题词或重要进展10年变化（表6）揭示：海冰减少、格陵兰

冰盖物质平衡亏损、北极放大贯穿了整个10年，是研究的核心与关键。海冰与海洋研究中，淡水注入、污染、海冰减少对北半球大陆冬季气候的影响是持续受到关注的方面，2012年出现的海冰最小值引发后续的海冰量估算、无冰期推测研究。气候变暖对生态系统产生内容广泛、层次各异的多维度影响是生物与生态系统研究的核心，纵观10年研究，基本还是以生态系统中的单个要素或现象为研究切入点，展示其变化、分析其原因，这些研究可为后续系统地发现要素间联系与相互间的影响反馈机制提供基础资料。冻土有机碳释放是冰川退缩与冻土退化研究中的重点，从对本底情况的认知（欧洲多年冻土变化的空间分布、格陵兰冰盖本底数据）、微观机理的探究（雪冰物理、冰动力学）到融水的水文特征，再到对海平面上升影响的估算，该方向的研究是立体的、全方位推进的。大气、天气和气候系统研究中，北极放大是气候变暖在北极呈现的核心特征，探究北极变暖的原因、测算CH4排放和臭氧变化、识别气候变暖的信号、刻画北极放大对中纬度天气的影响、认识微观机理，该方向研究也是多维度推进，且是不确定性表现得最为集中的研究方向，甚至直至2017年，IPCC还不存在完全耦合的气候平衡模型来模拟和告知气候变暖的影响、还在确定“工业前时期”的期限。总体而言，10年北极各方向研究主题并未呈现明显趋势性的变化，而呈全方位、多角度推进的态势，这也是一个领域处于发展期而呈现的明显特点。

4.2 展望

北极研究中，“不确定性”是其主要特征。原因一是前期研究对北极自然环境本底状况和反馈机制（局地反馈、全球反馈）的认识不深刻，其二是北极后续变化受到诸多人为因素的影响（CO2排放、北极资源开发等）。倪杰等在对北极冻土碳循环的研究中也阐述了该特点［124］。减少、纠正、解决不确定性，通过获取跨纬度、跨区域的多点同步、对比观测研究数据集、发现反馈机制、厘清多要素的影响力、完善和发展算法、构建更多模型组件优化模型等，可望得以完善或解决。

纵观408篇高影响论文，总体呈现数据源类型和范围、分析方法，以及对比参照系的全球尺度特点，多数论文中出现“最长时间序列”、成百上千计的样本数量、跨越几十年的观测数据等等。以中国作者为第一作者的8篇论文中，基本是采用卫星数据、再分析数据、以模型模拟的形式，以对大量数据集的分析和模拟，来研究北极海冰减少的原因及对中纬度天气系统的影响、海平面上升中格陵兰冰盖的贡献度，或以北极作为参照地区开展对比研究。这种现状与观测设备和平台零散、自主采集数据区域受限、北极研究的制度歧视与知识垄断密切相关［125］，是中国拓展北极研究的重要限制因素。对照现状，如何积极拓展北极研究通道，从制度构建、平台建设、内容设计、数据获取、人才培养等诸多方面打破当前困境，亟需从定性的、理论的建议落实到可量化、可操作的具体行动。我国冰冻圈研究成果丰硕［126］，基础理论和方法、寒区工程建设的实践经验均很丰富，这是很好的基础；北极研究处于全面发展的阶段，各种研究力量和研究方向远未达到固化的程度，是积极参与争取科学话语权的好时机；利用好这些有利条件，把握时机，可望对北极研究有所推进。

5 结论

从高影响论文揭示的北极研究现状来看，目前已形成以美国全方位绝对控制的北极研究格局，其作者、研究机构、期刊和基金资助机构数量，都处于遥遥领先的地位。美国除自有机构密切合作而形成强大研究机构合作集群外，还与环北极国家顶级科研机构合作形成跨国合作集群。

北极研究已形成以气候变暖为核心和背景，辐射相关海冰和海洋、生物与典型生态系统（生物多样性适应与保护、北方针叶林、苔原、微生物）、冰川退缩与冻土退化、温室气体和气溶胶、气候影响等领域的整体研究格局。呈现出由大数据支持、以模型运算为主的突出特点。北极研究立足北极，着眼全球，以行星地球的整体视角获取和分析数据、建立对比参照系。

不确定性是北极研究的重要特点，也是多个关键性科学问题的共同点，分布在北极研究的几乎各个领域，主要包括四个方面：气候变暖的本底认识和预测、气候变暖的影响、多圈层相互作用机制、北极对中纬度天气的影响。10年北极研究，海冰减少、格陵兰冰盖物质平衡亏损、北极放大一直是重点，期间各方向研究主题并未呈现明显趋势上的变化，呈全方位、多角度推进的发展态势。

中国的北极研究，由于各种限制未能深入、宽广地开展，从高影响论文视角呈现合作参与、外围相关、微量切入的特点。在全球变化的背景下，加强北极研究势在必行，形势严峻亟待突破，利用我国冰冻圈科学研究已取得的基础，把握参与时机，可望对北极研究有所推进。