多尺度水文循环与全球联系 ☆

马建霞; 张晶; 李娜; 宁宝英

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202006001

科学观察 ›› 2020, Vol. 15 ›› Issue (6) :1-11 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202006001

研究论文

多尺度水文循环与全球联系 ^☆

马建霞 ¹^,²^,^* ,
张晶 ¹ ,
李娜 ¹^,² ,
宁宝英 ¹^,²

作者信息 +

Bibliometric Analysis of Study on the Multi-scale Hydrological Cycle and Global Connection

Ma Jianxia ¹^,²^,^* ,
Zhang Jing ¹ ,
Li Na ¹^,² ,
Ning Baoying ¹^,²

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摘要

研究水文循环物理过程在不同空间尺度（宏观/中观/微观）、时间尺度间的联系、影响与相互作用,深入理解全球水循环变化规律,利用不同尺度模型预测其未来变化趋势,才能更好地避免人类活动所产生的不利影响,更好地应对流域、区域乃至全球变化问题,提高人类适应不同环境的能力。该文利用文献计量法对多尺度水文循环与全球联系领域研究的发展态势、研究力量分布以及研究热点进行分析,以期为相关领域的科研和决策提供参考。

Abstract

The study on the multi-scale hydrological cycle and global connection is important to deeply understand the law of global water cycle change and to predict its future change trend using different scale models. That will help us avoid the adverse effects of human activities, deal with basin, regional and global changes, and improve the ability of human beings to adapt to different environments. In this paper, bibliometric method is used to analyze the development trend, research force distribution and research hotspots in the field of multi-scale hydrological cycle and global connection, so as to provide reference for scientific research and decision-making in related fields.

Graphical abstract

关键词

多尺度水文循环与全球联系 / 文献计量 / 发展态势

Key words

Multi-scale hydrological cycle and global connection / bibliometrics / development trend

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马建霞, 张晶, 李娜, 宁宝英. 多尺度水文循环与全球联系 ^☆[J]. 科学观察, 2020, 15(6): 1-11 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202006001

Ma Jianxia, Zhang Jing, Li Na, Ning Baoying. Bibliometric Analysis of Study on the Multi-scale Hydrological Cycle and Global Connection[J]. Science Focus, 2020, 15(6): 1-11 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202006001

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1 引言

水循环发生在全球尺度,且与大气圈、生物圈、岩石圈、冰冻圈等其他圈层紧密相连^[1]。水在地球上三态共存,且通过能量交换而相互转化,这一循环过程周而复始。水循环本身的特点,以及与其他圈层的紧密联系,使水循环的研究天然具有全球性。但水文学起源于局地的需求,如水利工程和农业生产,因此水文学自产生就带有地域的基因^[2]。传统水文学的研究多集中在流域尺度。因为流域是天然的集水区域,是人类生存、经济社会发展、生态环境保护的自然单元,流域之间往往被认为不存在径流联系。但随着气候变化、经济全球化等强人类活动影响,局地的水循环势必受到全球水文大循环和非本地人类活动的影响,这要求水文学家跳出流域尺度,从全球视角理解局地水问题^[3]。

20世纪90年代初,水文尺度问题被正式提出^[4]。通过一系列国际研究计划（如BHAC计划、“全球能量与水循环实验”计划等）的实施,对不同尺度上的水文循环进行了研究^[5]。

从空间尺度看,对于小尺度（<200 km）的水循环研究主要集中在水、热通量从大气进入植物、土壤和不同水体后的迁移机理,随后从植被的小块发展成大气环流模式（GCMs）网格单元时空尺度上的土壤-植物-大气连续体中的能量和水的通用模式（SVAT）。

对于中尺度的（200~2000 km）水循环,为减少空间属性差异对水文模拟尺度的限制,通常的做法是基于“单元模型思想”和水文系统识别方法,将一个较大的流域分解成一系列空间属性相对均匀的相似水文单元（即不再考虑单元内部的差异性）,利用地理信息、遥感技术提取大量的陆地表面形态信息（如网格单元的坡度、坡向以及单元之间的关系等）,研究土壤-植被-大气之间的相互作用,利用大气环流模式研究水循环对下垫面变化的响应,修正大气环流模式,预测区域环境变化、区域开发对水循环的影响。目前的研究显示,中尺度下的地表非均一性、植被叶面的季节性变化对温度和降水影响很大。

大尺度（陆地和全球尺度）的水文研究则注重大气过程及地表过程的相互作用,特别是大气圈-水圈-生物圈-冰雪圈-岩石圈-人类活动对水循环的综合影响,利用GCMs、遥感技术、世界气象观测网来预测水循环变化,模拟全球水文循环及其对大气、海洋和陆面的影响,利用大气与陆面特征的全球观测值确定水循环和能量循环。

未来水文学研究^[1]将逐渐发展转变为强调多要素、多过程、多尺度、多界面、自然和社会科学的综合交叉集成研究范式,以准确评估水文循环变化及其效应。研究水文循环物理过程在不同空间尺度（宏观/中观/微观）、时间尺度（从时、天、月、季节、年、多年、几十年、乃至上千年）间的联系、影响与相互作用,深入理解全球水循环变化规律,利用不同尺度模型预测其未来变化趋势,才能更好地避免人类活动所产生的不利影响,更好地应对流域、区域乃至全球变化问题,提高人类适应不同环境的能力,从而实现水文模型尺度科学研究的最终目的^[6]。

本文将针对“多尺度水文循环与全球联系”开展文献计量分析,以期有助于相关人员对该领域研究的年度态势、研究机构分布、研究热点、研究机构关注的领域等有所把握,为科研和决策提供参考。

2 数据基础与分析方法

本文利用Web of Science（WOS）检索平台,数据的检索时间为2020年8月。根据研究主题所涉及的研究内容构建了检索策略¹(¹检索策略：(Ts=("hydro* cycl*" OR "water cycl*" OR "water circul*" or "hydro* circul*" or "Hydrological model" or "Land surface process model" or "Dynamic vegetation model" or "(Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer" or "(Simple Biosphere Mode" or "Community Land Model" or "atmospheric global circulation model" or gcm or ("global water system" OR GWSP or “global-scale water cycle”) OR (Climate and soil and vegetation and water ) or ("air?sea interaction") or ("Land air interaction") or ("land atmosphere interaction") or (((air OR atmosphere) AND (sea OR ocean) AND land) and interaction) ） AND (ts=(("global linkage") or ("global interact*") or ("global interconnection") or ("global correlation") or ("global relat*") or ("global relav*") or (global change*) or (human activit*) ) OR ts=(global* AND (response or impact or interrelate* or link* or interconnect* or interact* or connect* or relat* or feedback or forc*) )) ) AND dt= (Article OR Proceedings Paper OR Review or letter or editorial material) ),共检索到11 629篇论文,限制文献类型为被SCI (E) 和SSCI收录的Article、Review、Proceedings Paper、Letter、Editorial Material。检索出的数据采用Excel、Derwent Data Analyzer (DDA）、VOSviewer等工具利用文献计量的方法和指标进行分析。

3 统计结果与分析

3.1 发文时间趋势

本文对全球多尺度水文循环与全球联系研究的发文数量进行分析,并总结该研究领域的论文产出趋势。该领域发文始于20世纪60年代后期,一直到1990年代初期,年发文量维持在10篇左右,属于萌芽阶段;之后发文量开始缓慢增长,到2009年,年发文增长到400篇左右;从2010年起发文量快速增长,2019年发文量超过1 000篇（图1）。可见该领域从20世纪90年代中期开始受到关注,2010年后关注度逐步加大。

3.2 国家/地区研究力量分布

多尺度水文循环与全球联系领域有141个国家/地区有发文,其中开展研究最多的国家是美国,共发表论文5 069篇,其发文量是发文量位居第二的中国的2.4倍;其次是德国和英国,分别为1 447篇和1 426篇（图2）。可见该领域美国的发文量占据了主要地位。

从表1可见,2010年美国发文占比51.7%,中国只占11.7%;而到2019年,美国发文占比35.6%,中国的发文量占比上升至35.9%,从第4位跃升到第1位,德国则稳定保持在第3位,英国从第2位降至第4位。

3.3 主要研究机构分布

表2展现了全球关于多尺度水文循环与全球联系研究发文量位居前10位的机构的分布情况。从发文量看,中国科学院排名第1,发文1 088篇,占全部发文的9.36%,法国国家科学研究中心（CNRS）发文量位居第2位。该领域的活跃机构除了传统意义上从事资源环境研究的机构,还有美国国家航空航天局（NASA）这类航空航天机构,其以759篇的发文量排名第3,占全部发文的6.53%,其中,474篇来自美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心,220篇来自美国国家航空航天局喷气推进实验室。发文量TOP10机构中,美国占据5席：除NASA外,加利福尼亚大学系统、美国国家海洋大气管理局（NOAA）、美国国家大气研究中心（NCAR）和美国能源部（DOE）等发文均超过400篇;中国只有中国科学院1家机构入围;德国的赫姆霍兹协会和马普学会分列第8和第9位,英国气象局排名第10,这3个机构的发文量占比均在3.5%左右。

从篇均被引看,该领域平均篇均被引是49.6次/篇。美国国家大气研究中心遥遥领先,篇均被引129.8次;排名第2的是马普学会,篇均被引108.1次;美国国家海洋大气管理局的篇均被引为100.8次,位列第3。中国科学院的篇均被引为27.2次,低于平均水平。

从发文量看,中国科学院大气物理研究所（248篇）、北京师范大学（202篇）和中国科学院地理科学与资源研究所（201篇）排名前3;从篇均被引看,位列前3的是兰州大学（33.82次/篇）、中国科学院大气物理研究所（30.98次/篇）和中国科学院寒区旱区环境工程研究所（30.75次/篇）。

从主要机构的发文合作态势看,形成了4个主要的合作群团（图3）,以中国科学院为核心,联合南京信息工程大学、中国气象局、北京大学、清华大学、北京师范大学等形成了中国机构合作群团;以美国NOAA、NASA、NCAR为核心,联合哥伦比亚大学、亚利桑那大学、科罗拉多大学、华盛顿大学、马里兰大学、加州理工大学、德州农工大学等形成了美国机构合作群团;以马普气象研究所、雷丁大学、法国CNRS、布里斯托大学、埃克塞特大学、乌得勒支大学等机构为主形成了欧洲机构合作群团;以东京大学、日本海洋地球科学机构、京都大学为主形成了日本机构合作群团。四个群团之间又有密切交叉合作联系,比如,与中国机构合作密切的机构就包括美国能源部、法国CNRS、加利福尼亚大学系统、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、巴黎萨克雷大学、NASA、NOAA、凡尔赛大学、NCAR、东京大学等。

3.4 重点研究内容和研究热点主题

3.4.1 涉及的学科领域

从涉及的学科主题看,该领域的学科交叉性明显。气象与大气科学是占比最大的学科,达29%;其次是环境科学与生态学以及地质学,占比均超过15%;水资源占比11%;工程、科学技术其他学科、自然地理学、地球化学与地球物理学、海洋学和农业占比超过3%;此外,遥感、生物多样性保护及海洋与淡水生物学等占比超过2%（图4）。

3.4.2 高频关键词分析

从表4、图5分析可知,多尺度水文循环与全球联系研究的关键词聚成4个主题团组,其中最高频的关键词是气候变化,也就是说该领域研究主题往往基于气候变化的背景展开。

蓝色聚簇关注区域、流域尺度的水文循环相关问题,涉及关键词包括径流、盆地、河流、区域、汇流、黄土高原、青藏高原、土地利用、水文模型、SWAT、GRACE、不确定性、校准、农业、地下水、灌溉等。

绿色聚簇以植被为核心,涉及土壤湿度、干旱、蒸发、蒸散、MODIS、森林、水利用效率、陆地生态系统、气孔导度、涡动协方差（eddy covariance）、净初级生产力、二氧化碳、碳、氮、通量等关键词。

红色聚簇以水文循环、大气环流模式、气候、敏感性、变化率等关键词为核心,关注表面温度、海表温度、海冰、末次盛冰期、海洋、云、水蒸气、厄尔尼诺、夏季季风、全球水循环、耦合模型、PART II、热盐循环等关键词。

黄色聚簇以降雨、温度、模拟、趋势、预测等关键词为核心,重点关注区域气候模型、极端事件、统计降尺度等关键词。

各团簇之间又有相互联系。比如大气环流模式与水文循环、海洋、海表温度、植被、土壤湿度、径流、降雨、二氧化碳等关键词关联。

3.4.3 TOP10高被引论文

本领域共有263篇ESI高被引论文（根据对应领域和出版年中的高引用阈值,到2020年4月为止,本高被引论文受到引用的次数已将其归入某学术领域同一出版年最优秀的前1%之列）。从表5展示的TOP10高被引论文可见,可用于数据同化的欧洲中期天气预报中心（ECMWF）最新的全球大气再分析ERA-Interim^[7]得到高度关注,被引频次高达13 567次。其次,美国国家航空航天局全球建模和同化办公室提出的MERRA^[8]及MERRA-2^[9]也受到普遍关注。此外,在气候变化背景下土壤和气候交互关系^[10]、降雨的变化^[11]、全球陆地蒸散量因水分供应变化而变化^[12]、监测全球水循环关键要素的SMOS^[13]、全球变暖与干旱变化^[14,15]、利用IPSL-CM5地球系统模型预测气候变化：从CMIP3到CMIP5^[16]等研究主题被引频次均在850以上。

而近5年来,如表6所示,除了前面提到的MERRA-2外,ERA-20C^[17]、极端降水^[18]、基于卫星数据的陆地蒸发和根区土壤湿度^[19]、气溶胶和季风气候相互作用^[20]、全球范围内气候变化对河流洪水风险的影响^[21]、土壤湿度对改善地球系统的认识^[22]、气候变化对水资源匮乏的影响评价^[23]、气候系统中气溶胶-云相互作用关系^[24]、现代地下水总量与分布^[25]相关主题成为研究热点。此外,植物生根深度的水文调控、全球陆地蒸散量及其组成的多年代变化趋势、CMIP6高分辨率模型比对、夏季干旱对暖春减少碳循环的影响等主题也得到较多关注。

综上,从近年发文主题来看,不同尺度的水文循环变化机制涉及多种自然和人为过程,生态过程与水文过程双向耦合机制、陆-气水热交互过程与机制、冰冻圈水文过程和高原湖泊变化机制、城市化对地表产汇流机制的影响、人-水协同演化机制等,涉及的水文学要素众多,各要素之间的关系和相互作用机制及作用过程复杂。多尺度水文循环与全球联系研究正在更多地注重汇流过程、地表水-地下水相互作用、冰雪消融对水文循环的影响,注重人类活动对水循环的影响。卫星遥感观测数据为多尺度水文循环模型提供了多要素分布式大数据支撑,水文循环模型的不确定性,多源数据模型的同化,基于不同来源、不同时空尺度的观测数据对陆地水文循环进行多尺度解析与集成等研究主题得到重视。

多尺度水文循环与全球联系领域萌芽于20世纪60年代到20世纪90年代初期,从20世纪90年代中期开始受到关注,2010年后发文量快速增长,关注度逐步加大。总体看美国发文量占第1位;中国年度发文量在近10年迅速赶超,从2019年的第4位跃升到2019年的第1位,发文占比35.92%,略高于美国的35.64%。该领域发文最活跃的机构包括中国科学院、法国国家科学研究中心、美国国家航空航天局、加州大学系统、美国国家海洋大气管理局及美国国家大气研究中心等机构。美国国家大气研究中心、德国马普学会和美国国家海洋大气管理局的论文篇均被引频次超过100次。中国发文量排名前3的机构包括中国科学院大气物理研究所、北京师范大学和中国科学院地理科学与资源研究所;论文篇均被引频次位列前3的机构包括兰州大学、中国科学院大气物理研究所和中国科学院寒区旱区环境工程研究所。该领域形成了以中国科学院为核心的中国机构合作群团,以美国NOAA、NASA、NCAR为核心的美国机构合作群团,以马普气象研究所、雷丁大学等众多机构组成的欧洲机构合作群团,以东京大学、日本海洋地球科学机构、京都大学为主形成的日本机构合作群团,这四个群团之间有交叉合作关系。该领域以气象和大气科学、环境科学与生态学、地质学与水资源为主要相关学科,并与工程科学、自然地理、地球化学地球物理、海洋学等相关,具有明显的交叉学科特征。从近年发文主题看,不同尺度的水文循环变化机制涉及多种自然和人为过程,生态过程与水文过程双向耦合机制、陆-气水热交互过程与机制、冰冻圈水文过程和高原湖泊变化机制及其影响、地表产汇流机制的影响因素、人-水协同演化机制等,涉及的水文学要素众多,各要素之间的关系和相互作用机制及作用过程复杂。多尺度水文循环与全球联系研究正在更多地注重汇流过程、地表水-地下水相互作用、冰雪消融对水文循环的影响,注重人类活动对水循环的影响。卫星遥感观测数据为多尺度水文循环模型提供了多要素分布式大数据支撑,水文循环模型的不确定性、多源数据模型的同化、基于不同来源、不同时空尺度的观测数据对陆地水文循环进行多尺度解析与集成等研究主题得到重视。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	杨大文, 徐宗学, 李哲等. 水文学研究进展与展望[J]. 地理科学进展, 2018,37(1):36-45.

[2]	Gao H K, Sabo J L, Chen X H, et al. Landscape heterogeneity and hydrological processes: a review of landscapebased hydrological models[J]. Landscape Ecology, 2018, (33):1461-1480.

[3]	高红凯, 赵舫. 全球尺度水文模型: 机遇、挑战与展望[J]. 冰川冻土, 2020,42(1):224-233.

[4]	年福华, 李新. 中国干旱区地理水文研究概述[J]. 干旱区地理, 2000,23(1):91-95.

[5]	刘贤赵. 论水文尺度问题[J]. 干旱区地理, 2004,27(1):61-64.

[6]	朱吉生, 黄诗峰, 李纪人. 水文模型尺度问题的若干探讨[J]. 人民黄河, 2015,37(5):31-37.

[7]	Dee D P, Uppala S M, Simmons A J, et al. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2011,137(656):553-597.

[8]	Rienecker M M, Suarez M J, Gelaro R, et al. MERRA: NASA's modern-era retrospective analysis for research and applications[J]. Journal of Climate, 2011,24(14):3624-3648.

[9]	Gelaro R, McCarty W, Suarez M, et al. The modern-era retrospective analysis for research and applications, Version 2[J]. Journal of Climate, 2017,30:5419-5454.

[10]	Seneviratne S I, Corti T, Davin E L, et al. Investigating soil moisture-climate interactions in a changing climate: A review[J]. Earth-Science Reviews, 2010,99(9/10):125-161.

[11]	Trenberth K E. Changes in precipitation with climate change[J]. Climate Research, 2011,47(1/2):123-138.

[12]	Jung M. Recent decline in the global land evapotranspiration trend due to limited moisture supply[J]. Nature, 2010,467(7318):951-954.

[13]	Kerr Y H. The SMOS Mission: New tool for monitoring key elements of the global water cycle[J]. Proceedings of The IEEE, 98(5):666-687.

[14]	Trenberth K E, Wood E F, Roderick M L. Global warming and changes in drought[J]. Nature Climate Change, 2014,4(1):17-22.

[15]	Sheffield J, Foujols M A, Denvil S, et al. Little change in global drought over the past 60 years[J]. Nature, 2012,491(7424):435.

[16]	Dufresne J L, Foujols M A, Denvil S, et al. Climate change projections using the IPSL-CM5 Earth System Model: from CMIP3 to CMIP5[J]. Climate Dynamics, 2013,40(9/10):2123-2165.

[17]	Poli P, Hersbach H, Dee D P, et al. ERA-20C: An atmospheric reanalysis of the twentieth century[J]. Journal of Climate, 2016,29(11):4083-4097.

[18]	Donat M G, Lowry A L, Alexander L V, et al. More extreme precipitation in the world's dry and wet regions[J]. Nature Climate Change, 2016,6(5):508.

[19]	Martens B, Miralles DG, Lievens H, et al. GLEAM v3: satellite-based land evaporation and root-zone soil moisture[J]. Geoscientific Model Development, 2017,10(5):1903-1925.

[20]	Li Z Q, Lau W K M, Ramanathan V. Aerosol and monsoon climate interactions over Asia[J]. Reviews of Geophysics, 2016,54(4):866-929.

[21]	Arnell N W, Gosling S N. The impacts of climate change on river flood risk at the global scale[J]. Climatic Change, 2016,134(3):387-401.

[22]	Dorigo W, Wagner W, Albergel C, et al. ESA CCI soil moisture for improved earth system understanding: State-of-the art and future directions[J]. Remote Sensing of Environment, 2017(203):185-215.

[23]	Gosling S N, Arnell N W. A global assessment of the impact of climate change on water scarcity[J]. Climatic Change, 2016,134(3):371-385.

[24]	Seinfeld J H, Bretherton C, Carslaw K S, et al. Improving our fundamental understanding of the role of aerosol-cloud interactions in the climate system[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016,113(21):5781-5790.