海洋动力环境存在多种尺度的动力过程, 中尺度涡旋作为海洋中尺度动力过程中的重要组成部分, 其尺度范围为几十千米到几百千米不等, 持续时间从几十天到几百天不等^{[1, 2]}。从全球来看, 中尺度涡旋数量多、分布广、裹挟能力强, 蕴含着海洋约90%的动能, 可促进不同深度水层间的物质运输和能量传递, 影响海洋浮游生物群落的结构演变, 对海洋生态系统具有重要意义^[3-5]。如ZHAO等^[6]研究发现涡旋裹挟的叶绿素含量可达3.2×10¹² g, 约占海洋叶绿素总量的一半, 证明了中尺度涡在海洋内部叶绿素浓度上升的过程中发挥了重要作用。此外, 中尺度涡旋也可对全球海洋中热量、盐度、生物地球化学示踪物的分布、ENSO变化等区域动态产生深远影响^[7]。其研究历程可大致分为以下阶段: (1)发现: 20世纪30—40年代, 伍兹霍尔研究所的科学家Columbus Iselin等在海洋调查中发现墨西哥湾不同断面上的流向不一致, 而是一个环形结构。直至定位导航系统和剖面温度仪的出现, 这些环流才被确定为海洋中尺度涡^[8]。(2)现场专项调查: 20世纪60年代, FUGLISTER^[9]开展了涡旋动力学的专项调查, 至此拉开了海洋涡旋的研究序幕。(3)遥感时代: 20世纪70—80年代, 可见光和红外卫星遥感的应用, 推动涡旋水色遥感时代的发展, 系统开始了涡旋形态学、运动学的探索, 并初步开展涡旋生态效应的交叉研究^[10]。(4)卫星测高时代: 至20世纪90年代, TOPEX/Poseidon卫星等雷达高度计的陆续发射, 提供了高精度的连续海面测高数据, 大大促进了涡旋海洋学的发展^[11]。(5)多平台综合观测时代: 近年来, 大型潜/浮标、海洋次表层浮标、水下滑翔机、无人潜航器等装备的综合应用, 以及海洋物联网的构建, 实现了全球尺度的海洋环境数据的实时收集和传输, 极大地推动了中尺度涡旋的研究进展, 使得我们对涡旋结构、演变过程及其生态效应有了更深入的认识^[12-13]。

近年来, 关于海洋中尺度涡旋的研究越来越多, 为进一步了解其研究动态, 本文基于Web of Science核心数据库, 收集并分析了1974—2023年关于海洋中尺度涡旋的文献发文数据。采用文献计量学方法, 利用VOSviewer和Citespace软件对该研究领域的发文量、发文国家/地区、机构、学科分布、期刊来源、被引作者以及关键词等进行定量分析和可视化展示。本文通过总结现有的研究成果, 分析国际合作现状, 可为后续该领域的研究提供参考。

1 材料与方法 1.1 数据来源

基于Web of Science核心数据库为数据来源, 利用主题词((“mesoscale edd*”or “mesoscale vortex*”) and “ocean”)对海洋中尺度涡旋研究领域发表的论文进行检索。检索时间范围为1950年1月1日—2023年12月31日, 数据检索和下载日期为2024年2月29日, 文献类型为“Article”, 语种为“English”, 剔除主题、年份等不相关和重复数据后, 共获得1974—2023年间5 846篇海洋中尺度涡旋研究领域的相关文献。

1.2 数据分析

使用Excel和SPSS Statistics 27软件对不同国家、不同机构、不同作者关于海洋中尺度涡旋的发文量进行统计分析。使用CiteSpace 6.2 R6软件对文献中的国家/地区、机构、学科分布、作者、关键词等进行共现分析, 计算其共现频次和中心性值。具体参数设置如下: 时间跨度为1974年—2023年, 时间切片为1年, 阈值参数G-index、Top N和Top N%分别为25、50和100, 其他皆为默认值。并对关键词进行聚类分析和突现分析, 以分析该领域研究热点的变化。使用VOSviewer 1.6.20软件对国家/地区、机构合作网络以及关键词共现进行可视化展示。

2 结果与分析 2.1 发文量

如图 1所示, 1974—2023年, 基于Web of Science核心数据库整理关于海洋中尺度涡旋的研究论文共计5 846篇, 年度发文量总体呈上升趋势。其中, 1974— 1990年发文量较少(< 10篇)且增长缓慢。1991年至今, 该研究领域的发文量快速增多, 从1991年的44篇增长至2023年的409篇(年均增长率: 7.22%)。特别地, 自2013年开始, 每年发文量超过200篇, 反映出近10 a该研究方向引起了全球学者的广泛关注。

2.2 发文国家/地区

全球涉及海洋中尺度涡旋研究的国家/地区约有127个。从数量上来看, 美国位居首位, 共发表论文2 381篇, 后续依次是中国(1 144篇)、法国(810篇)、英国(427篇)、德国(416篇)(表 1)。图 2显示出该研究方向发文量Top10国家近20 a的发文数量, 可以看出, 美国一直处于领先水平。我国关于海洋中尺度涡旋的研究起步较晚, 但发展速率快, 从2011年开始跻身全球前三, 于2022年赶超美国成为该领域发文量第一的国家。对近20 a发文量排名前十的国家的发文数量进行单因素方差分析, 结果显示, 不同国家关于海洋中尺度涡旋的发文数量呈显著性差异(F = 25.8, P < 0.001)。其中, 美国、中国关于海洋中尺度涡旋的发文量显著高于其他国家(P < 0.05), 该结果一定程度上说明了美国长期以来一直重视海洋中尺度涡旋的科研投入, 而中国则展示了在较短时间内快速追赶和超越的能力。中心性可代表该国家在此领域的发文质量和影响效应, 且中心性值≥0.1的节点被视作关键节点^[14-15]。如表 1所示, 美国(0.29)、法国(0.27)、德国(0.21)、意大利(0.16)、英国(0.14)、墨西哥(0.11)和加拿大(0.10)这7个国家在海洋中尺度涡的研究中发挥了重要作用。图 3显示了各个国家在这一研究领域的合作情况, 其中美国总连接强度值最大(1 707), 即美国和其他国家合作次数共计1 707次。中国总连接强度(604)低于美国、法国(974)和德国(606), 排名第4, 需进一步加强国际合作。从整体上看, 世界各国在海洋中尺度涡的研究中合作密切。

2.3 发文机构

发文数量上, 法国国家科学研究中心(608篇)、中国科学院(486篇)、加利福尼亚大学(460篇)、法国发展研究所(458篇)、伍兹霍尔海洋研究所(302篇)、美国国家海洋大气管理局(294篇)、法国海洋开发研究院(293篇)、崂山实验室(283篇)、索邦大学(252篇)和中国海洋大学(248篇)是在海洋中尺度涡旋研究领域排名前10的机构(表 2)。这些机构隶属于法国、中国和美国, 反映出海洋中尺度涡旋这一研究方向引起了全球的广泛关注。对发文量前十的研究机构间的发文量进行T检验, 结果显示, 不同研究机构间的发文量呈显著性差异(t值: 10.85, P < 0.001), 展示出这些机构在该研究领域发文量不均衡的状态, 进一步反映出其在资源分配、人才培养或研究重点等方面存在差异。此外, 法国国家科学研究中心的中心性值(0.07)居于首位, 说明该机构在海洋中尺度涡旋的研究上影响力较大。如图 4所示, 在海洋中尺度涡旋的研究中全球各机构合作密切。其中, 中国以中国科学院为中心, 与中国海洋大学、厦门大学、崂山实验室等多所涉海高校和科研院所形成了紧密的合作关系, 在海洋中尺度涡的研究中做出了重要贡献。

2.4 作者和共被引作者

共被引作者分析可揭示某一研究领域不同作者间合作关系, 结合作者的发文量, 可用以表征该研究方向最有影响力的作者^[16]。如表 3所示, QIU(61篇)、DONG(52篇)、MCWILLIAMS(40篇)、WANG(33篇)和CHEN(33篇)为海洋中尺度涡旋研究领域发文量排名前5的研究人员, 其中QIU的中心性值也较高(0.04), 说明其在该研究领域具有重要学术影响。此外, 对发文量排名前十的作者的发文数量进行T检验, 结果显示, 不同作者间的发文量呈显著性差异(t值: 8.80, P < 0.001), 反映出不同作者在海洋中尺度涡旋研究的活跃度和贡献程度具有显著差异。该研究领域共被引频次排名前10的作者如图 5b所示, 其中Chelton DB共被引次数最高(1 624次), 后续依次是MCGILLICUDDY(918次)、MCWILLIAMS(792次)、QIU(761次)和LARGE(608次) 等, 反映出这些研究人员在海洋中尺度涡研究领域具有重要学术影响力^[17]。

2.5 学科、期刊分布

如表 4所示, 海洋中尺度涡旋研究领域发文量最高的学科依次为海洋学(3 718篇)、地球科学综合(980篇)、气象与大气科学(795篇)、海洋淡水生物学(634篇)和环境科学(625篇)。从中心性上来看, 该研究领域在环境科学(0.30)、海洋淡水生物学(0.28)、海洋学(0.26)、地球科学综合(0.24)和生态学(0.22)等学科中具有重要影响力, 呈现了学科的多样性。学科突现分析可揭示该领域所涉及学科的时间演替变化, 本文通过对2000年以来海洋中尺度涡旋研究所涉及学科的突现分析, 如表 5所示, 共获得突现学科10个。其中, 环境科学的突现强度最大(48.59), 数学、跨学科应用的暴发期较长(2000—2014年)。

海洋中尺度涡研究领域涉及的期刊将近400个, 其中发文量前5的期刊分别是《Journal of Geophysical Research Oceans》(984篇)、《Journal of Physical Oceanography》(700篇)、《Geophysical Research Letters》(309篇)、《Deep Sea Research Part Ⅱ Topical Studies In Oceanography》(226篇)和《Deep Sea Research Part Ⅰ Oceanographic Research Papers》(220篇)(表 6)。此外, 两大权威期刊《Nature》和《Science》分别发文14篇和9篇, 且均为该研究方向共被引频次排名前10的期刊, 进一步说明了海洋中尺度涡研究领域的重要地位。

2.6 文献被引分析

论文的质量可用被引用次数进行评估, 一般认为被引用次数高的论文具有重要的学术影响力^[18]。而文献共被引分析可用来揭示某一研究领域的知识结构, 共被引频数更是衡量一篇文章学术价值和关注度的重要指标^[16]。表 7和表 8揭示了海洋中尺度涡旋领域被引次数排名前10和共被引次数排名前10的文献。其中, 共被引频数最高的文献为Chelton DB于2007年在《Geophysical Research Letters》上发表的“Global observations of nonlinear mesoscale eddies”。该文^[2]第一次分析了全球尺度的中尺度涡, 发现绝大多数涡旋为非线性的, 且50%以上的涡旋振幅为5~25 cm, 直径为100~200 km, 使我们对全球海洋中尺度涡有了系统的认知。接着是MCWILLIAMS^[19]于2016年发表于《Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering science》上题为“Submesoscale currents in the ocean”一文, 该文章系统分析了涡丝、次中尺度涡旋等次中尺度过程现象的产生机制(混合层不稳定、岛屿尾流等), 使得我们对中尺度涡旋的三维特征有了深入的认识。而且, 次中尺度过程作为当前海洋中尺度涡旋研究存在的难点问题, 引得了全球科学家的探讨。于2016年发表在《Annual Review of Marine Science》上题为“Mechanisms of physical-biological-biogeochemical interaction at the oceanic mesoscale”一文分析了海洋中尺度物理-生物-化学相互作用机制, 综述了中尺度涡对叶绿素、浮游植物以及其他高营养级生物的综合影响, 肯定了原位观测、遥感和建模等技术可进一步阐明中尺度和亚中尺度动力学间联系的可行性^[5], 为研究者提供了新的研究思路。

此外, 国内学者也在《Nature》《Science》《Nature Geoscience》等高影响期刊上发表了关于海洋中尺度涡旋的文章, 重点关注了海洋动力学的复杂相互作用, 揭示涡旋在海洋和大气系统中的关键地位, 为理解和预测全球气候系统的动态过程提供了重要的见解和数据支持。如MA等^[20]在2016年发表于《Nature》的“Western boundary currents regulated by interaction between ocean eddies and the atmosphere”一文, 研究指出了海洋涡旋和大气间的反馈作用是控制西部边界流动力的关键因素。ZHANG等^[21]于2020年发表于《Science》上题为“Strengthening of the Kuroshio current by intensifying tropical cyclones”一文, 研究发现了热带气旋可导致涡旋的显著耗散, 特别是对反气旋涡的耗散有明显偏向, 且随着涡旋的西进, 越来越多的正位涡异常冲击黑潮, 使得黑潮下游加速流动。WANG等^[22]通过长期高分辨率的全球气候模拟, 发现赤道处水平波长小于几百公里的海洋涡旋显著地抑制了厄尔尼诺和拉尼娜的发生。

2.7 关键词分析

关键词是学术论文核心内容的高度凝练和直接体现, 对高频关键词进行共现分析, 可揭示某研究领域的热点主题^[23]。通过对海洋中尺度涡旋研究的关键词进行共现分析, 并进行去重处理, 共得到共现关键字860个。表 9列出了频数排名前20的关键词, 其中, 中尺度涡旋(mesoscale eddy)共现频次最高, 后续依次是变异性(variability)(1 307次)、环流(circulation)(1 226次)、海洋(ocean)(850次)和模型(model)(792次)。研究发现, 海洋中尺度涡旋主要的研究区域为北大西洋(North Atlantic) (335次)、中国南海(South China Sea) (245次)、南大洋(Southern Ocean)(243次)和太平洋(Pacific)(218次)。从中心性来看, Phytoplankton的居于首位(0.10), 进一步说明了海洋中尺度涡旋与浮游植物之间有着密切的联系。结合关键词共线性图谱(图 6)可以看出, 当前海洋中尺度涡旋研究领域主要包含4个主题: (1)中尺度涡的生态学效应, 如其对碳输入、叶绿素、浮游生物群落结构等的具体影响; (2)解析中尺度涡的能量转移、物质输运过程、三维结构和表观特征, 特别是对中尺度涡能量耗散、次表层涡旋等难点问题的探讨; (3)涡旋-大气耦合分析, 揭示中尺度涡对全球气候变化的影响。(4)中尺度涡观测技术、模型构建以及数值模拟的发展, 以模拟复杂的海洋动力学过程。

关键词聚类分析可用来反映某一学科的研究热点领域。利用CiteSpace 6.2.R6软件对海洋中尺度涡旋研究领域的关键词进行聚类分析, 如图 7所示, 共得到903个节点, 5886条连线。聚类模块值Q为0.32 (> 0.3), 聚类平均轮廓值S为0.64(> 0.5), 说明聚类结果显著且可信度较高。根据每个聚类的实际含义可总结出以下4类: #0、#6为海洋中尺度涡旋的生态学效应; #1为中尺度涡旋和海洋内波间相互作用机制; #3、#8、#9为海洋中尺度涡旋数据同化、数值模拟; #4、#5、#10则为中尺度涡旋频发海域的系统研究。基于年份对聚类结果绘制时间线图谱(图 8), 结果显示, 各聚类结果的时间跨度有所差异。其中, 中尺度涡旋数值模拟和参数化研究的时间跨度最长, 且#10外, 其余均为当前海洋中尺度涡旋的研究热点和前沿的聚类。

关键词突现分析可揭示某一研究领域的热点演替^[24], 表 10列出了近十年海洋中尺度涡旋研究的关键词突现性分析结果。其中, 突现强度较高的为南极绕极流(Antarctic circumpolar current)(19.12)、内波(internal waves)(14.92)、Topex/Poseidon卫星(14.23)、通量(flux)(13.98)和模拟(simulation)(13.40)等。此外, 内波(internal waves)、黑潮延伸(Kuroshio extension)、位涡度(potential vorticity)、动能(kinetic energy)、分辨率(resolution)和中尺度过程(mesoscale processes)等关键词突现至2023年, 未来仍需重点关注。

2.8 中尺度涡旋和其他海洋动力过程的关系

中尺度涡旋并不是孤立存在的, 与其他海洋动力过程(内潮、湍流混合、次中尺度过程等)间有着强烈的相互作用。内潮是海洋内波的重要组成部分, 是海洋将大尺度能量传递到小尺度湍流混合的重要一环。研究指出, 中尺度涡旋可改变内潮的传播路径和能量分布, 同时内潮也可通过非线性相互作用影响中尺度涡旋的结构和演变^[25-26]。而且, 相关研究表明^{[19, 27]}, 中尺度涡旋的剪切和旋转运动可以促进局部地区的湍流混合, 从而增强热量、盐度和营养物质的垂向输运, 对海洋的热盐结构产生了重要影响。次中尺度过程通常发生在中尺度涡旋的边缘和锋面区域, 具有高旋转率和强垂直速度, 对局部地区的能量传递和物质输运起到了重要作用^[28-29]。JING等 ^[30]研究指出, 在锋生和大气强迫引起的浮力损失共同作用下, 中尺度涡旋与锋面海域增强的水平浮力梯度有利于减小位涡, 引起次中尺度对称不稳定, 并产生强烈的垂向非地转次级环流。总之, 中尺度涡旋与内潮、湍流混合、次中尺度过程等动力过程间的相互作用构成了海洋中复杂的多尺度动力系统, 这些相互作用不仅控制着各个过程的演变和能量传递, 还对海洋的物质输运、生态结构以及气候变化产生了重要影响。因此, 深入研究中尺度涡旋与其他动力过程的相互作用关系, 对于全面理解海洋中的动力过程及其环境效应具有重要的科学价值。

3 总结

本文采用VOSviewer和Citespace软件对海洋中尺度涡旋研究领域的发文量、发文国家/地区、机构、被引作者、学科分布、期刊来源、被引文献、关键词等进行定量分析和可视化展示, 以揭示该研究领域的研究热点和未来发展方向。研究结果表明:

(1) 自1990年以来, 海洋中尺度涡旋相关研究的发文量增长迅速, 说明了该研究领域的学术影响力不断增强。截至2023年, 中国的发文量全球排名第2, 仅次于美国, 虽起步时间较晚, 但发展势头迅猛。但我国作者发表的文章影响力低于美国、法国等发达国家, 未来需提升该研究领域的发文质量和创新性。且在国际合作方面, 中国排名第4, 低于美国、法国和德国, 因此建议在下一阶段的海洋中尺度涡旋研究中, 中国仍需加强国际合作。

(2) 法国国家科学研究中心在海洋中尺度涡旋研究领域发表的文章数量多, 影响力大, 属于核心机构。中国则以中国科学院为中心, 与中国海洋大学、厦门大学、崂山实验室等多所涉海高校和科研院所形成了紧密的合作关系, 在海洋中尺度涡旋的研究中发挥了重要作用。

(3) 目前, 关于海洋中尺度涡旋的研究涉及到环境科学、海洋学和生态学等学科, 趋向多学科融合化发展。《Journal of Geophysical Research: Oceans》是刊登海洋中尺度涡旋文献最多的期刊, 居于领先地位。

(4) 海洋中尺度涡旋的研究主要集中在北大西洋、中国南海、南大洋和太平洋等海域。当前研究热点主要为: 涡旋形态学、动力学和运动学认知; 涡旋能量传递、物质输运过程及机制分析; 涡旋-大气耦合, 以揭示其对全球气候的具体影响效应; 涡旋生态学效应, 即探讨“涡旋-环境-生物”内在耦合关系, 揭示海洋中尺度物理-生物-地球化学相互作用机制。其中, 次中尺度过程、中尺度涡能量耗散等难点问题, 仍需全球科学家的深入探索。

(5) 中尺度涡旋与内潮、湍流混合、次中尺度过程等动力过程之间的相互作用构成了海洋中复杂的多尺度动力系统, 相关研究表明, 这些相互作用对海洋的物质输运、生态功能以及气候变化产生了重要影响。