海洋热浪(Marine Heatwave, MHW)是一定海域内发生的较长时间(几天至几个月)海水异常偏高的现象。Hobday等^[1]将其定义为在某一海域内发生的日海表温度(Sea Surface Temperature, SST)连续5天及以上超出当地季节阈值(即气候基准期内同期日海表温度的90%分位数)的一种极端海洋灾害现象。海洋热浪持续时间可达数百天, 空间范围可覆盖数千千米^[2], 深度影响可达数百米^[3–5]。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次评估报告以来, 海洋热浪变化规律、成因及其影响研究成为气候变化研究的前沿热点领域之一^[6], 同时海洋热浪也是IPCC《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》及第六次评估报告的重点评估内容之一^[7-8]。

在全球气候持续变暖的背景下, 海洋热浪发生频率、强度、持续时间及空间范围均呈现出显著增长趋势, 近30年来海洋热浪次数增加超过50%^[9]。当前全球已有多处地方发生了多起大规模影响巨大的海洋热浪事件, 如2003年地中海海洋热浪^[10-12], 2011年澳大利亚西海岸极端海洋热浪^[13-15], 2012年西北大西洋海洋热浪^[16], 2013—2016年东北太平洋海洋热浪^[17-19], 2016—2019年中国近海区域海洋热浪^[20-22]以及2015—2016和2019—2020年热带印度洋海洋热浪^[23]等。这些极端异常高温事件会引起大范围的珊瑚白化和死亡^[24]以及海草和海带的消亡^[15], 导致某些有害藻类的暴发性增长, 引发赤潮等生态灾害^[25], 对海洋生物多样性和生态系统造成极为严重的破坏。其还会影响鱼类产卵, 造成渔业和水产养殖业的巨大损失^{[3, 18]}。Li等^[26]发现1982年至今中国近海海洋热浪事件逐渐增多, 1982—2016年间海洋热浪频率增加趋势是全球平均的2.5倍。2016年8月, 我国渤海、黄海和东海区域发生了破纪录的海洋热浪事件^[27], 导致渤海近岸养殖海参大量死亡, 损失近70亿^[28]。2017、2018年该区连续出现海洋热浪事件, 造成重大经济损失^[29]。此外, 海洋热浪还会通过大气遥相关影响陆地区域的天气系统, 造成区域性的高温、干旱或极端降水等事件^[30-31], 进而影响陆地上的生态系统、人类健康和经济发展^[32]。近些年, 许多科研人员和研究机构针对极端海洋热浪事件、海洋热浪形成机制、海洋热浪对生态系统及生物多样性的影响、海洋热浪与全球变暖等方面对该领域进行了研究^[33], 并发表了大量高质量、高影响力的研究成果和科研论文。因此, 对海洋热浪领域做综述研究, 深入挖掘其研究热点、前沿及发展趋势具有非常重要的现实意义。

与传统的文献综述研究方法^[34]相比, CiteSpace作为具有多元、分时、动态等优势特点的引文分析工具, 以可视化知识图谱的方式呈现某一学科或知识领域的研究发展进程和结构关系^[35]。该软件是由Drexel University计算机与情报学的陈超美教授基于Java应用程序开发的一款引文可视化分析软件, 其通过挖掘引文空间的知识聚类及分布(关键词、文献共被引), 提供知识单元之间的合作和共现网络分析(国家/地区、机构、作者)^[36], 为研究者全面了解该领域的发展历史、研究热点及前沿等提供了有效途径。现已被广泛的应用在热浪^[37]、极地^[38]、热带气旋^[39]及气候变化^[40-41]等研究领域, 如李睿倩等^[42]基于Web of Sciences(WoS)数据库并利用CiteSpace可视化软件分析海洋空间规划应用生态系统服务研究, 全面揭示了近20年该交叉领域的国际研究进展及演变趋势; 王利等^[38]借助CiteSpace对国内(CNKI数据库)、国际(WoS数据库)北极科研领域的研究进行综述分析。但目前还没有学者使用CiteSpace引文可视化分析软件分析海洋热浪研究领域的发展历程与演变特征。

本文基于CiteSpace对WoS数据库所检索得到的海洋热浪相关文献进行数据可视化分析, 分别从发文数量的变化特征、海洋热浪研究合作特征、前沿热点分析共三个方面, 较为全面地探究了该领域的发展趋势以及研究热点与前沿, 为海洋热浪研究提供一定的科学参考和借鉴。

1 数据与方法 1.1 数据来源

本文数据来源于Web of Sciences Core Collection (WoS)数据库, 该平台是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术资源平台, 广泛收录了多个研究领域共11, 000多种世界权威且高影响力的学术期刊, 因此可以确切保证数据来源的质量。以“marine heat wave*”OR“marine heatwave*”为主题词进行文献数据精确检索, 文献类型选取为“Article”OR“Review”, 时间跨度为2012年1月—2021年12月, 共检索得到514篇海洋热浪相关文献。

1.2 研究方法

本文基于CiteSpace 5.8.R3(64-bit)对所检索的海洋热浪相关文献进行数据可视化分析, 根据检索文献的时间跨度选择对应的分析时间范围2012年1月—2021年12月, 时间切片层设置为1年; 在Term Source中选取项目所有提取位置, 包括“Title”(标题), “Abstract”(摘要), “Author Keywords”(DE, 作者关键词)以及“Keywords Plus”(ID, WoS增补关键词), 分别选择“Country”(国家), “Institution”(研究机构)和“Author”(作者)3个节点类型以此分析海洋热浪研究领域合作网络特征, 选择“Category”(类别), “Keyword”(关键词)和“Reference”(参考文献)3个节点分析其共现网络特征, 探究海洋热浪的研究热点、前沿及发展趋势; 选取阈值Top N为50, Top N%为10.0%, 裁剪方式为Pathfinder(寻径网络算法)^[36]。

2 结果与讨论 2.1 发文数量的变化特征

发文数量的时间变化可以反映海洋热浪研究的动态变化特征以及该领域的重要程度和学术热度^[37]。基于WoS核心合集所检索(2012年1月—2021年12月)的514篇文献, 通过CiteSpace数据去重处理后, 得到关于海洋热浪研究领域的文献发表数量年际变化图(图 1)。海洋热浪研究的发文量呈逐年增加趋势, 且呈现出三阶段特征: 2012—2015年为平稳阶段, 该时间段内的海洋热浪发文量较少, 相关研究仍处于探索时期, 平均为3.75篇/年; 2016—2018年为缓慢上升阶段, 该阶段的发文数量相比前一阶段有了较为明显的增加, 平均为23.33篇/年, 说明近年来海洋热浪日趋成为学术研究热点, 特别在2016年Hobday等^[1]针对海洋热浪阈值的确定提出了系统性定义, 为日后该研究领域的迅速发展起到了重要作用; 2019—2021年为迅速增长阶段, 该阶段的发文数量增长迅速, 平均为143篇/年, 其中2019年为海洋热浪研究发文量的转折节点, 海洋热浪有关文献在该年的发文量呈爆发性增长现象, 达93篇, 考虑与IPCC对此的高度关注有关^[6]。由发文数量的总体时间变化可见, 海洋热浪已成为目前国际海洋研究中的一个热点方向, 其变化特征可能与全球气候变化背景下的大范围极端海洋热浪事件增多^[43]以及科研人员或研究机构开拓该领域新的研究内容、方法等有关。

2.2 海洋热浪研究合作特征

合作网络图谱分析可以反映出某个研究领域国家、研究机构或科研人员之间的合作关系, 为评价其学术影响力提供了一个新的视角, 有利于我们发现并重点关注相关的国家、机构或学者^[44]。本文基于CiteSpace 5.8.R3依次选取“Country”(国家), “Institution”(研究机构)和“Author”(作者)3个节点类型, 从宏观的国家/地区合作、中观的研究机构合作, 以及微观的发文作者对海洋热浪研究进行三个层次的特征分析。

在CiteSpace合作网络图谱中, 节点大小代表国家/地区、研究机构或文献作者发表论文的数量, 节点越大说明发文量越高; 节点以年轮圈的形式呈现, 圈内用不同颜色表示文献出现的年份, 年轮圈层越厚说明对应年份的发文数量越多, 其中出现红色内圈反映海洋热浪领域发文量具有较高的爆发性(Burst); 节点间的连线反映合作关系, 连线的粗细表示关系的强弱; CiteSpace中利用中心中介性指标(Centrality)测度节点在网络中重要性, 衡量文献、机构以及国家等在海洋热浪研究领域的重要程度, 并用紫色外圈进行标注, 圈层越厚说明该节点在海洋热浪研究领域占有重要性越高。

2.2.1 国家/地区合作特征

利用CiteSpace对海洋热浪研究的发文国家/地区进行可视化分析得到合作网络图谱(图 2), 图谱中共有62个节点, 92个链接, 网络密度D(Density)为0.0487, 表明各个国家或地区之间在该领域存在较为密切的合作交流关系。其中美国和澳大利亚两国在海洋热浪研究领域中占据主导地位, 发文数量都超过190篇(表 1), 两国的总发文量占所有国家/地区发文数量的43.26%, 但与其他国家的连线较少, 表明其与其他国家合作关系不太密切。综合中心中介性(简称中心性, 下同)的角度来看, 虽然英国(发文量为40)、中国(发文量为33)、德国(发文量为26)、法国(发文量为23)、葡萄牙(发文量为20)以及意大利(发文量为17)发文量并不多, 但其中心性均达到0.34以上, 其中意大利、德国和法国的中心性甚至超过0.60, 表明这些国家发表的研究文献质量较高, 影响力较大, 在海洋热浪合作网络中具有重要作用; 一些地中海沿岸国家(意大利、土耳其、突尼斯、克罗地亚、以色列、希腊)虽节点较小, 但彼此之间连线密集, 构成了一个较为紧密的合作群体, 这些合作关系密切的国家有望通过优势互补、取长补短, 使得针对地中海海洋热浪的研究得到快速发展。中国在海洋热浪研究领域的探索兴起于2017年, 虽然开始时间较晚, 但其发文数量现居于全球第5位, 且中心性处于较高水平为0.55, 说明近几年来我国对该研究领域的发展起到了重要的推动作用, 日后可考虑在加强国际合作交流的基础之上, 开展原始创新研究, 逐渐实现从跟跑到并跑到领跑的历史性跨越。从爆发性的角度可以发现, 澳大利亚是唯一具有较高爆发性的国家, 其数值为12.04, 同时其发文量仅次于美国且最早开始发表相关文献, 表明其在海洋热浪研究领域占有极为重要的发言权。

2.2.2 研究机构合作特征

基于CiteSpace对海洋热浪研究领域的发文机构以Timezone View呈现形式进行可视化分析, 得到其时间序列合作图谱(图 3), 图谱中共有节点数244个, 419个链接, 网络密度D为0.014 1, 表明机构间合作不够紧密, 学术交流有待加强。由表 2可直观看出, 发文数量排名前10的机构中绝大部分属于美国和澳大利亚两国, 其中NOAA(美国)在海洋热浪研究机构中发文量最大, 为83篇, 其次分别为The University of Western Australia (UWA)、University of Tasmania (UTAS)、CSIRO Oceans and Atmosphere和Australian Institute of Marine Science (AIMS)均属于澳大利亚, 再一次印证了该国家在海洋热浪研究领域中具有极为领先和重要的地位, 考虑可能是与澳大利亚频繁遭遇大范围的极端海洋热浪灾害事件有关; NOAA和AIMS具有较高的中心性, 其中AIMS在合作网络中的中心性达到0.65, 说明这些研究机构在海洋热浪领域合作中起到关键作用, 具备较大的国际影响力。而与外国相比中国科研机构的发文数量偏少, 代表性的研究机构为中国科学院(排名19), 中国海洋大学(排名30)以及青岛海洋科学与技术试点国家实验室(排名46), 且首发时间均为近两年, 表明我国在该领域现处于新兴阶段。

结合时间序列图谱(图 3)分析, UWA对海洋热浪领域的研究最早(2012年), 且发文数量现居于全球第二, 在2019年所发表文献的数量出现突增, 其爆发性高达6.05, 说明该研究机构近些年来极大推进了海洋热浪的研究进展, 但其合作线路较为单一; 随后从2013—2015年出现了不少伴随较高中心性的发文机构, 如AIMS(中心性为0.65)、Curtin University(中心性为0.31)以及James Cook University(中心性为0.12)等; 2016年为一关键时间节点, 在NOAA和CSIRO Oceans and Atmosphere对海洋热浪进行系统的定义基础上, 针对海洋热浪事件特征、物理机制、对生态系统生物多样性的影响、海洋热浪与全球变暖的关系研究迅速的发展起来。

2.2.3 文献作者分析

通过CiteSpace对海洋热浪研究领域的文献作者进行统计分析可得, 共有267位作者发表了514篇与海洋热浪相关的科研论文。按照发表文献数量排名统计, 海洋热浪研究领域文献作者情况如表 3所示, 发文数量达到15篇及以上的作者只有6位, 其发文数总和占所有作者总发文次数的16.33%, 表明该领域内作者集中度较高, 核心作者对于海洋热浪的相关研究起到了先导作用, 并在此基础上不断开拓其研究内容。

由表 3可看出, 来自UWA的Thomas Wernberg是发文量最多的作者, 共有25篇, 主要研究方向为海洋热浪对海洋生物多样性及其生态系统的影响^{[14-15, 45]}, 其中以第一作者身份于2016年发表在Science中的Climate-driven regime shift of a temperate marine ecosystem^[15]该篇文章被引频数达到571次(检索时间: 2022年1月7日, 下同), 说明其研究成果在海洋热浪领域颇具影响力; 来自CSIRO Oceans and Atmosphere的华人科学家冯明共发表了23篇研究成果, 发文数量居于全球第二, 其主要从事西澳大利亚的海洋环流、印度洋-太平洋海区气候变化和极端海洋热浪事件研究, 近些年来极大推动我国在印太海域海洋热浪研究的进展^[46]。从发文作者合作群组特征来看, 发文量排名前5的作者(Thomas Wernberg, Ming Feng, Eric C. J. Oliver, Dan A. Smale, Alistair J. Hobday)彼此之间的合作关系较为紧密, 且共同发表的学术论文具有较高引用量, 如2016年发表在Progress In Oceanography中的A hierarchical approach to defining marine heatwaves^[1](被引386次)该篇文章首次将海洋热浪的定义进行标准化, 为日后该领域的研究分析奠定了坚实基础。2018年发表在Nature Communications中的Longer and more frequent marine heatwaves over the past century^[43](被引456次)该篇文章进一步对全球海洋热浪发生频率、强度及持续时间等进行量化分析, 结果表明全球平均海洋热浪发生频次和持续时间分别增加了34%和17%, 致使海洋热浪天数增加了54%。2019年同样发表在Nature Communications中的A global assessment of marine heatwaves and their drivers^[47](被引111次)该篇文章评估了全球范围内的海洋热浪及其驱动机制, 为未来海洋热浪过程分析与预测提供了一个全球基线。由此可见, 核心作者对海洋热浪研究领域的发展及海洋生态系统的维护做出了突出贡献。

2.3 海洋热浪研究前沿热点分析

共现网络图谱分析通过挖掘引文空间的知识分布及聚类, 反映了某个研究领域内的学科结构(学科共现分析)、研究基础(文献共被引聚类)、研究热点、前沿及演变趋势(高频关键词共现及突变的时间演化趋势分析)^[48], 全面揭示该领域的发展状况。本文利用CiteSpace分别选取“Category”(类别), “Keyword”(关键词)和“Reference”(参考文献)3个节点, 探讨海洋热浪研究领域的学科类别、研究热点、前沿及其演变历程。

基于CiteSpace生成的共现网络中的表征特点与合作网络图谱基本一致, 节点为年轮圈状, 其厚度与对应年份的关键词出现频次成正比。不同的是在网络聚类分析中, CiteSpace提供了聚类模块性指数(Q值)和聚类轮廓性指数(S值)两个评价指标, 两者共同作为评判图谱聚类效果的一个重要依据。一般地, Q值的取值区间为[0, 1], 当Q > 0.3时即认为得到的网络聚类结构显著; 当S值在0.5以上, 可认为聚类结果是合理的, 达到0.7时则认为聚类结果具有高信度^{[36, 44]}。

2.3.1 学科共现特征

学科类别的共现分析可以揭示某一研究领域学科知识的结构、关系及其演变趋势。根据WoS的学科分类, 借助CiteSpace对所检索的文献数据分析可得, 2012—2021年发表的与海洋热浪相关的科研论文共覆盖50个学科。由表 4可见, 海洋热浪研究的学科分布主要集中于环境科学与生态学、海洋及淡水生物学、地质学及气象与大气科学等相关学科。其中, 环境科学与生态学发文数量最多, 高达226篇, 占学科文献总量的19.42%。发文数量前十的学科中, 有6个学科与生态环境有关, 包括环境科学、海洋及淡水生物学、生态学、环境科学与生态学、渔业、生物多样性保护, 且前三者的中心性较强, 均达到了0.69以上, 尤其是环境科学的中心性数值甚至高达1.02, 表明了生态环境占据海洋热浪研究领域的绝对主导地位。此外, 海洋热浪的气象与大气科学研究也占有较为重要的地位, 虽然发文数量并不多, 但其具有较高中心性为0.97, 反映了海洋热浪与气候变化的密切关系。

结合图 4的学科逐年发文数量的变化图可见, 发文量排列前10的学科文章数量的总体变化均呈现出明显的增长趋势, 尤其是在2018年之后, 且海洋热浪相关各学科发文量与该研究领域的年发文量(图 1)变化趋势相一致。其中, 环境科学与生态学增长幅度较为突出, 平均每年增加9篇; 海洋及淡水生物学、环境科学的增长率次之, 约为7篇/年。其余7个学科增长率大致相似。

2.3.2 关键词分析

研究热点是指在一定时期内出现频次较高、稳定集中的研究领域或主题, 而研究前沿是近些年兴起的具有先导性、前瞻性和探索性的研究领域或主题, 两者存在一定交叉^[49]。关键词作为科研论文内容的高度总结, 能够反映论文的核心观点, 因此对某一研究领域的相关文献进行关键词分析, 有助于探究该领域的研究热点, 同时结合突发性检测(Burstness), 进一步挖掘其研究前沿及演化趋势, 并预测该领域的未来发展方向。

基于CiteSpace提取海洋热浪相关文献的关键词, 经过相同关键词合并、无关关键词排除后, 共得到338个关键词, 而只出现过一次或两次的关键词分别为76个和89个, 共占出现关键词总量的48.82%。出现20次及以上的关键词有27个, 仅占关键词总量的7.99%, 表明海洋热浪的研究内容虽涉及范围广泛, 但研究重点较为集中, 只出现过一次的部分关键词, 从侧面说明了其研究存在不可持续性或者与海洋热浪研究热点的关联性不大^[50]。

文中通过CiteSpace的关键词共现分析, 得到2012—2021年海洋热浪研究词频排名前20的关键词统计表(表 5)和关键词共现时区特征图谱(图 5)。结合图表综合分析可得, 国际上海洋热浪研究领域的主要内容大致可分为以下三大类别:

(1) 海洋热浪特征、变率及物理机制

该研究类别所涵括的主要关键词有sea surface temperature(海表温度)、temperature(温度)、variability(变率)、interannual variability(年际变率)、ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)、pattern(型态)、Leeuwin Current(利文暖流)、circulation(环流)、California Current(加利福尼亚海流)等, 集中出现于2013、2015及2017年。其中, temperature出现频次最高, 为108次, sea surface temperature次之, 为62次, ENSO名列第三为60次。表明该方向的海洋热浪研究主要关注海洋热浪(尤其是海表海洋热浪)的时空分布特征、多尺度时间变化以及与大尺度气候模态、主要环流系统的关系。

(2) 海洋热浪的生物生态影响

这一研究类别包括的主要关键词为ecosystem(生态系统)、impact(影响)、community(群落)、mortality(死亡率)、coral bleaching(珊瑚白化)、growth(生长)、biodiversity(生物多样性)、diversity(多样性)、acidification(酸化)、mass mortality(大量死亡)等。由表 5可以看出, 该类别所包含的大多数关键词具有较高的频次及中心性, 其中impact出现频次最高, 达到113次, 成为海洋热浪的研究热点。community具有较高中心性, 达到0.22, biodiversity次之, 为0.10, 说明均为海洋热浪研究的关键节点, 即探讨其对海洋生物群落及多样性的影响成为一个热门主题。结合图 5的时区图谱可见, 海洋热浪研究于2012年以ecosystem为起点, 随后对于生物生态的影响研究几乎贯穿于整个研究阶段(2012—2021年), 表明海洋热浪对生物生态产生的影响之大、范围之广、程度之深。

(3) 气候变化下海洋热浪的响应及适应与减缓

根据关键词共现时区特征图谱可发现, 该研究类别包含的关键词多集中于近几年, 其中具有代表性的关键词有climate change(气候变化)、climate extreme(极端气候)、adaptation(适应性)、resilience(恢复力)、ocean warming(海洋变暖)、response(响应)等, 主要研究热点为全球气候变暖的背景趋势下海洋热浪的响应以及不同海洋生物或水产养殖、渔业等对异常高海温的适应性和恢复力。相关研究是对原有海洋热浪的发生机制进行更加深入地探索, 全面了解极端气候事件及其海洋生态环境的影响, 有助于未来实现海洋热浪的精确预报, 制定相应防灾减灾措施。

此外, Western Australia (西澳大利亚)、Great Barrier Reef(澳大利亚大堡礁)、Pacific(太平洋)、North Pacific(北太平洋)作为出现频次较高的地名关键词, 表明这些地区频繁遭受海洋热浪灾害的严重影响, 如在2011年西澳大利亚沿岸发生极端海洋热浪事件(“Ningaloo Niño”事件), 使当地海藻/海草和珊瑚的生态环境发生改变, 从大型褐藻占主导变成海草, 造成大量珊瑚白化以及热带鱼广泛繁殖^{[3, 15, 51]}; 2016—2017年海洋热浪致使澳大利亚大堡礁发生大面积的白化现象, 波及90%以上的珊瑚, 并且对其造成的影响可能具有不可恢复性^{[4, 52]}; 2014—2016年北太平洋海温持续升高, 致使美国西海岸有害藻华暴发, 其产生的毒素制约渔场正常营业, 大量海洋哺乳动物搁浅^{[17, 19, 30]}。

近2年来出现了些新颖关键词如cumulative impact(累积影响)、species richness(物种丰富度)、tolerance(耐受性)、climate regime shift(气候跃变)等, 可见研究海洋热浪的累积影响以及对生态环境和生物多样性影响已成为该学科领域的重要发展前沿。

突变词是指在相对较短时间内关键词出现频次突然增加或频次增长率突然提高的词汇, 可以反映相关研究在一定时期内的突增及延续状况, 适合表征研究前沿和演化趋势^[53]。利用CiteSpace中突发性检测功能, 得到2012—2021年海洋热浪研究领域排名前10的突变词统计表(表 6), 其中研究时间列中用加粗横圆柱标注突变词的持续时间。由表 6可见, 自2012年开始, Western Australia和Leeuwin Current、Pacific和climate variability(气候变率)、current system(环流系统)是早期研究热点, 表明早期学者们对于海洋热浪领域研究多集中于某一海洋热浪事件及其形成机制。其中, Leeuwin Current突变强度最高, 达到7.87, Western Australia次之, 其强度值为7.28, 且呈现出持久的爆发趋势, 再一次印证海洋热浪对该地区造成的破坏力极强, 影响范围极大。ocean(海洋)、summer(夏季)、habitat(生境)、growth(生长)、harmful algal bloom(有害藻华)成为近些年研究前沿, 说明海洋热浪领域在其物理机制研究基础上, 引入了海洋热浪影响研究, 如极端异常高海温造成海洋物种发生远离热生境的位移, 致使海洋生物重新分布, 破坏了生态系统及生物多样性, 预测未来极端海洋热浪事件及其对海洋生态环境、海洋生物多样性的影响将成为该领域的一个重要研究方向。

2.3.3 文献共被引分析

文献共被引是指两篇(或多篇)文献同时被后来一篇或多篇论文所引证, 则这两篇(或多篇)文献构成了共被引关系^[36]。通过对此进行分析, 可以展示出某一研究领域的知识基础及需重点关注的关键文献, 并在此基础上, 采用聚类分析方法挖掘该领域的研究前沿。知识基础是由共被引文献集合而成的, 而研究前沿则是由引用这些知识基础的施引文献集合组成。在CiteSpace中知识基础的聚类命名可从施引文献的标题(T, Title)、关键词(K, Keyword)或摘要(A, Abstract)中提取的名词性术语确定, 且提供了三种聚类分析算法模型, 分别为LSI(潜语义索引算法)、LLR(log-likelihood, p-level, 对数似然率算法)以及MI(mutual information, 互信息算法)。

文中利用CiteSpace对所检索到的文献数据进行共被引分析, 得到2012—2021年海洋热浪相关文献的共被引网络图谱(基于引用次数的海洋热浪研究相关关键文献见附表1), 在此基础上, 对文献进行聚类分析, 以文献关键词为聚类名来源, 且为了获得较为合理的聚类结果, 经反复调试和对比后, 最终选取LLR算法对海洋热浪研究领域进行聚类, 共得到22个聚类, 针对聚类大小排列前10的结果(图 6)进行分析, 并整理了每个聚类与其对应的代表性文献(表 7)。

由图 6的聚类图谱显示, 图中节点大小与文献被引频次成正比, 不同聚类结果用颜色块填充, 其中聚类模块性指数Modularity Q为0.897, 表明海洋热浪研究网络的聚类结构显著; 聚类轮廓性指数Mean Silhouette S为0.964 3, 表明该聚类网络同质性较高, 聚类结果具有高信度。结合表 7可以得出, 海洋热浪研究领域的前沿发展主要可分为以下两大类:

(1) 海洋热浪对海洋生态系统及生物多样性的影响(#0、#2、#3、#5、#9)

该研究方向主要包括#0 kelp(巨藻)、#2 coral bleaching(珊瑚白化)、#3 seagrass(海草)、#5 coral (珊瑚)、#9 Echinodermata(棘皮动物门)共5个小聚类。由于聚类编号越小所包含的关键词节点越多, 因此依据该研究方向所含有聚类号大小和聚类个数多少, 可判断研究海洋热浪对海洋生态系统及生物多样性的影响已成为当前该领域的重要研究方向及热点。海洋热浪的发生往往伴随着海洋物种分布的大规模变化^[54-56]、物候变化^{[13, 57-58]}、生态系统结构的变化^[59-60]以及极端事件下的大量死亡^[61-62]等, 给海洋生物多样性、海洋经济、渔业资源等造成严重影响。例如, Mills等^[16]研究发现, 2012年发生于西北大西洋的海洋热浪事件改变了当地的长鳍鱿鱼和美洲龙虾的分布及种群结构, 导致捕鱼方式发生了变化, 渔业经济受到严重影响。Jones等^[62]研究2013—2015年东北太平洋发生海洋热浪期间, 海鸟死亡的原因机制发现, 越发频繁和强烈的海洋变暖事件可能会对食物网、栖息地等产生影响, 从而对海洋捕食者造成种群影响, 特别是海鸟。Babcock等^[63]综合统计了2011—2017年澳大利亚一系列极端气候灾害信息, 结果发现该地区大陆海岸线45%以上的重要海洋栖息地形成生物——珊瑚、海带、海草和红树林遭到大量死亡。

(2) 海洋热浪特征、变化及其物理机制(#1、#4、#6、#7、#8)

该研究方向所包括的聚类标签有#1 sea surface temperature(海面温度)、#4 California Current(加利福尼亚海流)、#6 Leeuwin Current(利文暖流)、#7 Ningaloo Nino、#8 heat budget(热收支)。在全球持续变暖的背景趋势下, 海表温度异常偏高, 海洋气候极端事件频发所导致的海洋热浪呈现出发生频次更频繁、持续时间更久、袭击范围更广、强度更大的趋势^[43]。因此, 研究海洋热浪形成的物理机制, 对于更好地开发有效的预报系统, 降低其危害具有非常重要的现实意义。例如, Feng等^[13]对2011年西澳大利亚沿岸极端海洋热浪事件进行成因分析, 可得该事件主要是由南太平洋夏季向极地流动的利文暖流的非季节性涌浪所驱动; Scannell等^[64]研究表明, 北大西洋在大西洋多年代际振荡(Atlantic Multi-decadal Oscillation, AMO)正位相期间较为容易发生大面积的海洋热浪, 而东北太平洋则在太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)和ENSO正位相时才会较大可能发生大面积海洋热浪; Qin^[65]以2006年11月的热带太平洋海洋热浪事件为例, 探究其形成机制, 结果表明由于厄尔尼诺的影响, 热带太平洋东部海温异常升高, 进而形成了深对流, 导致热带太平洋西部高空气流辐合下沉, 抑制对流和云的发展, 海温逐渐升高, 生成海洋热浪。

总体而言, 极端气候变化、海洋生态系统及生物多样性、物理机制和海洋热浪热点事件的研究成为海洋热浪领域的研究主体。同时, 不同研究方向之间构成一定程度的交叉结构, 如#0 kelp、#1 sea surface temperature、#3 seagrass与#8 heat budget两两之间相互交叉, 组成了一个大聚类集群, 说明海表温度异常增加导致极端海洋热浪发生, 破坏了海带森林、海草草甸等海洋生态系统结构稳定; #2 coral bleaching与#9 Echinodermata部分交叉, 说明这两个聚类模块之间构成较为紧密的联系, 即珊瑚礁作为棘皮动物理想的栖息地和繁殖产所, 一旦珊瑚礁出现大面积白化, 进而对棘皮动物的生存和繁殖造成严重影响; 而针对#4 California Current、#6 Leeuwin Current聚类的研究较为独立。

3 结论与展望

近年来, 随着全球气候持续变暖, 海洋热浪灾害愈发严重, 相关研究已成为全球海洋科学研究热点。本文基于WoS核心数据库, 利用CiteSpace对所检索到的2012—2021年共514篇海洋热浪相关文献进行可视化分析, 揭示了发文数量的变化特征, 并在此基础上, 分别从国家/地区、研究机构、文献作者3个方面分析海洋热浪研究领域合作网络特征; 从学科共现、关键词、文献共被引3个方面分析其共现网络特征, 全面综述该研究领域的发展趋势、研究热点及前沿。主要得到以下结论:

(1) 从发文数量上看, 海洋热浪研究的发文量呈逐年增加趋势, 总体呈现出平稳-缓慢上升-迅速增长3阶段特征。

(2) 从合作网络来看, 其特征分析可划分为3个层次: ①宏观的国家/地区, 总体上合作关系较为密切, 具有主要发文国家合作线路较为单一, 一些小国家(地中海沿海国家)合作紧密的特点。其中, 美国和澳大利亚两国在该领域中占主导地位, 特别是澳大利亚作为唯一具有高爆发性的国家, 拥有极为重要的发言权, 而中国相关研究虽起步较晚, 但近年发文量迅速增加且中心性较高, 在该领域的影响力将不断增强; ②中观的研究机构, 各机构间的合作较为独立, 发文量排名前10的机构中绝大部分属于美、澳两国, 且均在该领域合作中起到关键作用, 具备较大的国际影响力; ③微观的发文作者, 发文数量达到15篇及以上的作者发文数总和占总发文次数的16.33%, 表明作者集中度较高, 且发文量排名前5的作者合作关系较为紧密, 共同发表的论文具有较高引用量, 对于海洋热浪的相关研究起到了先导作用。

(3) 从共现网络来看, 其特征分析可划分为2个方面: ①海洋热浪研究领域覆盖的学科较为集中, 发文量排列前10的学科中6个学科与生态环境有关, 表明生态环境占据该领域的绝对主导地位; ②该领域的研究热点和前沿内容主要分为三大类别: 一是海洋热浪特征、变率及物理机制, 为早期研究的突变热点; 二是海洋热浪的生物生态影响, 为该领域的关键节点, 其影响研究贯穿于整个阶段(2012—2021年); 三是气候变化下海洋热浪的响应及适应与减缓, 主要探索全球变暖与海洋热浪、海洋热浪对气候变化的响应及不同海洋生物种类或水产养殖、渔业等对异常高海温的适应性和恢复力等, 这也正是近年的研究主流方向。

本文基于CiteSpace较为系统且全面地揭示了海洋热浪研究领域的发展趋势、研究热点及前沿, 是对该领域文献综述的一个新颖尝试, 为未来更有针对性的开展海洋热浪前沿热点和难点问题提供了科学参考。