基于VOSviewer的雪物理特性研究现状和前景分析

王亮亮，姚鹏泽，沈国庭，胡胜博，赵秋铭，李志军*

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.黄河水利委员会 宁蒙水文水资源局，内蒙古 包头 014030)

雪作为一种特殊的气象产物，在对地球的气候、水循环、生态系统等方面都有重要影响。近年来，随着全球气候变化的加剧，对雪的研究变得愈发重要。在我国北方冬天均有降雪，冰雪天气会影响交通，地面和房屋上的积雪给人们日常工作和生活带来诸多影响，比如积雪会对建筑物[1]造成破坏，雪崩会威胁人类安全，雪反射阳光会损伤眼睛等。

国内外领域关于雪的理论研究主要集中在以下三个方面：(1)通过对雪的结构和物理特性的研究，深入了解雪的形成机制和演变过程。例如，在微观结构方面张宁发现在密度相同条件下积雪之间硬度值会因为雪晶形态的不同而产生较大差异，其中六角形枝状雪晶随其密度增加而产生的硬度增加值最高[2]。(2)关于使用遥感技术[3]对积雪进行观测的相关研究。该研究可实现大范围内对雪情的监测和评估，在预防雪崩、农业灌溉、水资源管理等方面具有重要意义。(3)关于雪与生态系统[4-6]之间相互作用的研究。国内外学者在该领域的研究方向众多，在该领域进行一次统筹分析，对该领域发展情况的了解以及确定自身研究方向等方面都有重要意义。

VOSviewer是由荷兰莱顿大学的内斯和卢多开发的一款用于可视化和分析科学文献的软件。它可以构建和查看文献计量图，相对于SPSS和Pajek两款计算机软件具有标签清楚、生成聚类便于解释等优势[7]。使用VOSviewer软件对文献的作者及关键词数据进行处理，直观地揭示雪物理特性研究的学术热点和发展趋势，可以为该领域研究人员提供相关参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

国内外关于雪科学的研究方向众多、文章数量庞大，而将所有方向的文献数据一起处理和分析，无法清楚地掌握每个方向的发展现状。本文选择国内外研究雪结构、物理特性领域的文献作为分析对象。从Web of Science Core Collection上检索关于“snow”的论文、会议报告、概述论文。下载文献的全文信息并导入VOSviewer软件中，分析文章中关键词的使用频次和关键词之间的相关强度。VOSviewer软件将关键词分为10个聚类，在关于雪的结构、物理特性研究领域的聚类中挑选出关键词，例如物理特性、微观物理特性、微波、质量、硬度、贯入仪等。

在Web of Science上检索关于雪物理特性研究领域的文献。文献数据来源自Web of Science Core Collection；文献检索式：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)；文献类型：Article or Meeting Abstract or Review Article；文献检索年限：2000—2023年；学科领域：Geosciences Multidisciplinary or Meteorology Atmospheric Sciences or Water Resources or Engineering Civil；检索时间：2023年9月4日，检索到雪物理特性研究领域相关文献14 541(筛选后)篇。

1.2 研究方法

本次研究采用了EXCEL、VOSviewer可视化工具进行文献分析。使用EXCEL软件对每年全球范围的作者论文发表量进行作图。使用VOSviewer软件对作者、机构、国家、关键词等类型数据进行分析，将雪物理特性研究领域的权威机构、重要期刊、总趋势、热点变化等以可视化的形式呈现出来。

VOSviewer绘制的文献计量学网络图是由多个节点和线组成的。每个圆形的节点是VOSviewer从各个文献数据中提取的元数据作为分析对象，可以代表例如文献作者、国家、单位、关键词、期刊等标签，并且节点的大小代表该标签在数据分析结果中的占比，例如将作者发文情况可视化时节点越大代表该作者发文越多[8]。连接两个圆球的线则代表这两个节点之间存在关联，例如在分析作者发表论文情况时它代表着两个作者之间有共同发文的合作关系。VOSviewer提供的文献计量学网络可视化是基于距离的可视化，即相关性强的节点会汇聚[8]。

2 样本数据分析

2.1 发文趋势分析

从Web of Science Coll Collection收录的文献中检索到14 541篇合格文献，按照时间分布绘制柱状图，如图1所示。由图可知文献的发文数量总体上呈现逐年上升的趋势。文献年发表量在2022年达到近20 a的最高值，有1109篇，由此可见关于雪物理特性的研究逐渐得到学者的重视。

图1 与雪相关的年度文献发表量

2.2 期刊收录情况

14 541篇文献共发表在653种期刊杂志上，发文量排名前十的期刊杂志占总发文量的35%，发文情况见表1。近20 a内累积发文量最多的期刊是Journal of Geophysical Research Atmospheres，但根据各期刊每年发文量情况，期刊Cryosphere和Remote Sensing在2018—2022年的发文量已远高于Journal of Geophysical Research Atmospheres，并且前两者的影响因子也高于后者。Cryosphere和Remote Sensing期刊从最早发表关于雪物理特性研究的文章起算至今不足15 a，但近5 a的发文量已经远超其他期刊，成为该领域的重要期刊。因此推荐研究人员关注和阅读Cryosphere和Remote Sensing上的最新成果，以便了解雪物理特性研究领域的学术热点和研究趋势。

表1 前10发文量的期刊的发文情况

2.3 国家、机构及科研人员合作关系分析

共有113个国家或地区在雪的物理特性研究领域开展了研究。运用VOSviewer软件生成国家合作关系视图，并展示发文量≥10篇的国家和地区的合作网络，见图2。从图2中可知美国与中国、加拿大为发文量最多的3个国家，这3个国家学者之间的合作非常密切，研究方向的关联性明显高于其他国家。美国文章被引用次数是最多的，并且发文量和文章被引用次数均逐年增加。美国在2018—2022年期间的发文量明显高于以往，近几年所发表文章的研究领域主要集中在气象学、地球科学和环境科学几个方面。由以上数据可看出美国在该研究领域的成果积累是最丰厚的，且凭借其绝对的合作影响力已然成为该领域主要研究国家，相较于其他国家或地区有更强的科研实力。

图2 国家合作视图

利用VOSviewer 软件绘制研究机构合作关系图谱网络，见图3。根据VOSviewer软件的分析结果可知在该研究领域发文的机构共有6866个，其中发文量最多是中国科学院，累计发文量为972篇。在2020—2022年期间，中国科学院在雪物理特性研究领域的发文量增长迅速，三年时间已经累计发表了438篇相关文章。发文量第二的是美国国家航空航天局(680篇)。美国国家航空航天局在该领域的研究开展很早，自2014年开始发文量就高于其他机构，直到2017年被中国科学院超越，进一步表明了我国近几年已经开始重视雪物理特性的研究。但在文献被引用次数方面，美国国家航空航天局是被引用次数最多的单位，并且被引次数排名前十的机构中，除了中国科学院，其他都是美国的科研机构。从图3的机构合作情况可知同一国家的机构相互合作非常频繁，研究方向具有很高的相关性。因此美国国家航空航天局以及多次合作发文的其他美国机构在该研究领域具有强大科研实力和重要影响力，例如科罗拉多大学(发文648篇)、加州大学(发文594篇)、马里兰大学(发文415篇)等等。但想要了解关于国内在雪的物理特性领域的研究热点和最新成果，可以关注中国科学院和中国科学院大学(发文319篇)的最新成果。

图3 机构合作视图

表2展示了在雪物理特性研究领域发文量前十的作者，其中发文量最多的是迈克尔·勒宁，共发表116篇文章。根据普赖斯定律[9]确定核心作者发文量，如式(1)：

(1)

表2 前10发文量的作者的发文情况

式中：Nmax为发文量最多作者的发文量，篇；M为核心作者最低发文量，篇。得出结果发文量12篇的作者为该领域核心作者，共有380名。运用VOSviewer软件绘制核心作者合作网络视图，见图4。在雪物理特性领域已经形成了以迈克尔·勒宁、吉斯兰·皮卡尔、米歇尔·范登布鲁克、约翰·波默洛伊等核心学者为代表的科研团队。发文量最多的迈克尔·勒宁学者现就职于瑞士联邦森林、雪地和景观研究所，他在2008—2018年间每年的发文量都很高，但往后几年发文量持续下降，直到2022年才有所提高。2022年迈克尔·勒宁发表了8篇雪物理特性研究领域的文章。迈克尔·勒宁在该领域有着很重要的影响力，他在该领域的文章共被引用4667次，排名第三。迈克尔·勒宁团队最新研究方向是关于雪对流现象的发生条件[10]以及南极降雪环境下雪密度的观测和模拟[11]。吉斯兰·皮卡尔在2022年发文12篇，为该领域2022年发文最多的学者。吉斯兰·皮卡尔的科研团队专注于研究使用雷达观测积雪的物理指标，例如雪层粒度的大小会影响南极洲表面的反照率，可用反照率测量南极洲沿海地区雪的粒度变化[12]。由以上数据可看出，瑞士学者在该领域的研究有丰厚的积累，更具影响力。

图4 核心作者合作网络视图

2.4 关键词分析

分析关键词是了解文章主要内容的重要方法，关键词是文章研究内容的中心。运用VOSviewer软件对雪物理特性研究领域的文献进行关键词分析，将高频关键词划分类群以展示该领域的几种热门研究方向。将关于雪物理特性研究领域14 541篇文章的全文数据输入VOSviewer软件中进行关键词共现分析，绘图时选择关键词的出现频率≥10时为最低出现频率，得到关键词聚类视图，见图5。在关键词的聚类视图中关键词被划分为3个类群，并从VOSviewer分析结果中得出每个类群出现频次前五的关键词，见表3。

表3 聚类一和聚类二、聚类三中出现频次前五关键词

图5 关键词聚类视图

(1)雪科学在气象学领域的发展。关键词主要有气候变化和南极、冰川、永冻层、北极、雪融等。季节性积雪是全球气候和水文系统的重要组成部分，气象学领域的研究人员对季节性积雪越发重视，相继开发多种气象勘探工具来观测季节性积雪的变化规律或者预测气象变换。国内以李晓峰[13]为代表的科研团队最新开发一种雪深检索模型可以提高预估东北地区雪深的精准度。极地地区的生态环境受到气象变化的影响很大，南北极两地的降雪和积雪消融情况也一直是科研人员研究的热点。加拿大学者丹尼尔·克莱默[14]最新提出使用便携式调频连续波雷达评估北极雪地层和水当量的方法，帮助科研人员研究整个北极积雪特征存在显著空间变化这一现象。我们将冰领域[15-17]的先进研究方法引入雪的探索中，开创了一条富有创新性和前瞻性的科研道路。研究某一地区雪的覆盖量、融化过程等可以为该地区气候变化、气象预测的研究提供参考依据。

(2)遥感技术观测积雪的研究。关键词主要有遥感、反照率、MODIS数据、能量平衡、卫星等。卫星遥感技术[18]在观测和评估雪的物理特性方面发挥着重要作用，尤其是利用MODIS卫星数据进行积雪的监测和分析，可帮助研究人员获取积雪的反照率、覆盖度、温度等信息。曹肖奕[19]发现了雪粒径、黑炭浓度和积雪反照率的相互关系，有效提高雪粒径的反演精度，为积雪相关现象模拟提供了技术支持。俄罗斯学者茹拉夫斯基[20]发现一种冰雪表面反照率摄影测量估计技术，可在极端条件下更准确地估计反照率，已使用该技术评估了俄罗斯南极进步站地区的自然和人造雪冰表面的反照率。将其他观测数据与MODIS卫星数据结合可帮助提高积雪反照率反演的精准度，或将其他观测技术与原有观测技术结合，打破卫星遥感技术观测积雪的现状，为雪物理特性的研究提供思路。

(3)降雪过程的研究。关键词主要有降水、云、大气、降雪、数据同化等。整个降雪过程受到气象系统中云、风、温度和湿度等多种因素影响，同时降雪过程在气象系统的能量和水源交换中起着重要作用。美国学者马尼莎·加内山[21]发现云和吹雪现象会显著影响南极洲圆顶C站的地表能量平衡和辐射传输，并改变大气边界层的稳定性和湍流结构。弗雷泽·金发现使用机器学习模型可以弥补现有遥感降雪检测技术无法准确观测积雪峰谷幅度的不足，基于非线性机器学习的检测手段可以为全球积雪检测模式提供新的参考思路。

3 结 论

(1)目前对于雪的物理特性领域的研究越来越引起国内外学者的重视，Cryosphere和Remote Sensing期刊已成为该领域学者最重视的期刊。

(2)国内研究人员对积雪的研究越来越重视，中国科学院在最近几年已有大量研究成果，但从学者的影响力来看，我国在该领域的研究仍亟待加强。

(3)该领域研究的重点集中在气象学研究、卫星遥感技术研究、大气研究三个方面，同时改进出更加精准的观测技术或者观测手段的新组合是国内外研究人员普遍采用的研究方法。将改进观测技术与气象学研究、遥感技术研究、降雪过程研究三个方面结合具有很好的研究前景，期待开拓出更多关于雪物理特性的新的研究方向。