地球科学前沿解读 | 中科院发布《2019研究前沿》

11月26日，中国科学院科技战略咨询研究院、中科院文献情报中心与科睿唯安在北京联合向全球发布了《2019研究前沿》报告和《2019研究前沿热度指数》报告。

报告以ESI数据库中的10587个研究前沿为起点，在自然科学与社会科学的10大学科领域的137个研究前沿中遴选较为活跃或发展迅速的研究前沿。在全部137个前沿中，美国排名第一的前沿有80个，占全部137个前沿的58.39%（约五分之三），中国排名第一的前沿数为33个，约占24.09%。英国有7个前沿排名第一，德国和法国分别有1个前沿排名第一。

从十大领域来看，美国除了化学与材料科学领域和数学、计算机科学与工学领域和生态与环境科学领域，在其他七个领域的研究前沿热度指数得分均排名第一，领先优势明显。

中国在化学与材料科学领域，数学、计算机科学与工学领域以及生态与环境科学领域这三个领域排名第一，在农业、植物学和动物学领域、地球科学领域、生物科学领域、物理领域和经济学、心理学及其他社会科学领域等五个领域排名在第2名，整体表现突出，但在临床医学领域和天文学与天体物理领域这两个领域仅分别排名第9名和第11名，与美国差异悬殊，短板依旧明显。

此次分析基于2013-2018 年的论文数据，数据下载时间为2019 年3月。整个分析工作分为两个部分：研究前沿的遴选、137个研究前沿的核心论文及其施引论文的数据提供由科睿唯安完成；研究前沿的分析和重点研究前沿（包括重点热点前沿和重点新兴前沿）的遴选及解读由中国科学院科技战略咨询研究院科技战略情报研究所主持完成。

地球科学领域位居前10位的热点前沿仍然集中在固体地球物理学和地质学、气候变化、地球化学。

固体地球物理学和地质学研究热点包括：磁层多尺度任务科学研究进展，人工神经网络在预测太阳辐射中的应用，2016年新西兰库凯拉地震和2015年尼泊尔廓尔喀地震破裂带特征分析，地下流体注入诱发美国多地地震机理研究，利用好奇号开展盖尔陨石坑的岩石矿物研究，欧洲和中东地区地震数据库与地面运动模型。

气候变化研究热点包括：利用CESM模式和RCP8.5情景研究全球气候变化，利用热带降雨测量任务和全球降水测量任务开展全球多地区降水分析，元古代时期大气和海洋的氧化作用。

地球化学研究热点：中国主要矿藏重金属地理累积情况与环境风险管控。

气候变化是近年受到全球各界普遍关注的热点科研主题和重大政治议题。地球系统模式为理解过去气候与环境演变机理、预估未来潜在全球变化情境提供了重要的科学量化工具。作为目前世界上功能最先进、使用最广泛的新一代地球系统模式之一，通用地球系统模式（CESM） 由大气、海洋、陆地、海冰、陆冰等几大模块组成，同时考虑大气化学、生物地球化学和人文过程，具有良好的灵活性和可扩展性，在多时空尺度的各种地球系统相互作用研究中发挥了重要作用。

在模式计算中，排放情景的设定及相应的全球和各地区的温室气体排放数据至关重要。为了协调不同科研机构和团队的相关研究工作，强化排放情景对政府应对气候变化的参考作用，并在更大范围内研究潜在气候变化和不确定性，IPCC第五次评估报告提出了以稳定浓度为特征的新情景，包括4个代表性浓度路径（RCP）：高端路径（RCP8.5）、中间稳定路径（RCP6和RCP4.5）以及低端理想路径（RCP2.6）。4个RCP情景纳入了气候政策对温室气体和气溶胶排放的影响，优化了生物物理及海陆气交换过程，因此在科学方法上优势明显，其中RCP8.5响应最明显，在气候模式、影响、适应和减缓等各种预测和评估中研究应用最广泛。

热点前沿“利用CESM模式和RCP8.5情景研究全球气候变化"的核心论文主要利用CESM模式在RCP 8.5和RCP4.5情景下评估未来气候变化情况及其影响，包括气候系统内部变率和外部强迫、温室气体和气溶胶的影响，未来北美气候、极热天气、寒潮、全球干旱等。美加联合研究团队发表的“The Community Earth System Model A Framework for Collaborative Research”一文被引频次最高，达581次，重点描述了CESM及其各种可能的配置、特别是主要科研能力，为有关气候与环境的演变机理、自然和人类与气候变化的相互作用以及气候变化趋势的深入研究和科学预测等奠定了坚实的基础。

美国、加拿大、中国和澳大利亚参与了构成该热点前沿的8篇核心论文的研究工作。美国贡献最突出，15 所核心论文研究机构中有11所美国机构，CESM的研制和发布单位--美国国家大气研究中心（NCAR）主导了其中7篇核心论文（含1篇与兰州大学共同主导，即共同通信作者机构）的研究，并参与了由科罗拉多大学（博尔德）主导的另外1篇核心论文研究。

加拿大核心论文来自多伦多大学和卡尔加里大学。中国兰州大学与美国国家大气研究中心合作研究了利用CESM基于不同的温室气体和气溶胶情景预测21世纪全球干旱的不确定性。澳大利亚气象局亦参与1篇核心论文研究。

从下表可以看出，美国的施引论文最多，达776篇，占全部施引论文的77.3 %。中国的施引论文位列第2位，占16.6%。英国、德国、法国、加拿大、瑞士等紧随其后。施引论文数量Top10机构中，有8所来自美国，其中美国国家大气研究中心表现最突出，一直引领该研究前沿的探索。美国能源部和科罗拉多大学（博尔德）分别位列第2和第3名。

矿产资源是社会经济发展的重要物质基础，矿产资源的开发与利用对国家现代化建设至关重要。中国矿产资源丰富，已探明的矿产资源储量占世界矿产资源的12%。但矿产开采对环境造成了严重破坏，特别是重金属污染。原中国环保部与国土资源部于2005年4月至2013年12月组织开展了中国首次土壤污染状况调查，结果显示矿山是我国重金属污染的主要来源之一。

热点前沿“中国主要矿藏重金属地理累积情况与环境风险管控”的34篇核心论文主要集中在对中国主要矿区的土壤重金属来源识别和空间分布研究，以及生态风险和健康风险评估，可为中国矿区管理提供借鉴，为治理和防治重金属污染提供对策和建议。 

根据核心论文的产出国家（地区）和产出机构的分析，可以看出，中国在该前沿领域占据绝对优势，贡献了26篇论文。从核心论文的产出机构看，北京师范大学发表了7篇核心论文，位列第1。中国科学院、湖南大学和浙江大学紧随其后，均贡献了4篇核心论文。来自南京大学污染控制与资源化研究国家重点实验室的研究团队发表的“A review of soil heavy metal pollution from mines in China: Pollution and health risk assessment”一文被引频次最高，达519次。该文基于2005-2012年中国矿区重金属土壤污染数据，评估矿山土壤污染情况，量化这些污染对人类健康造成的风险，并根据评估结果确定了需要优先管控的重金属元素、矿山类型和省份，受到科学界的极大关注。 

从施引论文角度来看 ，由于该研究重点关注中国特定地区，因此中国贡献了大部分施引论文，达1208篇，占全部施引论文的60.3%。美国的施引论文虽然位列第2，但所占比例仅为7.2%。施引论文Top10机构中有9所中国机构，其中中国科学院表现最为突出，位列第一。北京师范大学和湖南大学分别位列第2和第3名。

地球科学领域有1项研究入选新兴前沿，即“热损伤对岩石力学特性的影响研究”。

温度是影响岩石力学特性的重要因素之一。在高温核废料处理、地热资源开发与利用、煤与油页岩现场气化及热能传输、岩石地下工程灾后重建及大都市圈的大深度地下空间开发等工程中，岩石可能经历加热和冷却，其细观结构和矿物成分将发生变化，导致岩石的强度及变形特性也随之发生变化，影响工程的安全稳定性。相关力学参数是岩石地下工程开挖、支护设计、围岩稳定性分析不可或缺的基本依据，研究热损伤对岩石力学特性的影响可为地下掩体工程长期安全性评估提供佐证。

2019年度地球科学领域新兴前沿“热损伤对岩石力学特性的影响研究”中的核心论文聚焦在不同温度条件下岩石的破坏试验，不同尺寸的岩石热损伤力学特性和细观力学分析，高温后岩石裂纹扩展试验等方向。中国在该前沿占有绝对优势地位，参与了全部9篇核心论文的产出工作，并与美国和澳大利亚进行了合作。中国矿业大学表现尤其突出，贡献了6篇核心论文，施引论文数位列第1。

在地球科学领域，美国的研究前沿热度指数得分22.13，排名第1，远超其他国家。中国得分为10.92，排名第2，与美国还有较大差距。加拿大、法国和英国分别得分为6.15、5.06 和4.54，分别排名第3-5名。从下表可以看出，Top5国家在国家研究前沿热度指数、国家贡献度和国家影响度上排名一致。美国和法国在七个指标上均排名一致，分别为第1名和第4名，中国在国家研究前沿热度指数等六个指标上均为第2名，只有国家核心论文被引频次份额排名第3。加拿大和英国在细分指标上排名略有波动。

在该领域11个研究前沿中，美国在热点前沿1、2、3、5、6、8、9和10等8个前沿的国家研究前沿热度指数得分均排名第1，表现出超群的实力。中国在热点前沿7和新兴前沿1这两个前沿排名第1；在热点前沿3、4和9等3个前沿上排名第2-3名。加拿大在热点前沿1、6、9和10等4个前沿上排名2-3名。法国在热点前沿2、5和8等3个前沿上排名2-3名。英国在热点前沿6和8等2个前沿上排名第3名。

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