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IOP出版社每月从年度重点期刊中精选两个主题的研究文章供大家阅读，本月的主题为Terahertz Science and Technology和Extreme Events。这些文章体现了IOP期刊的高质量和创新性，并呈现了一些受关注的研究工作。欢迎大家阅读下载！ 您可以扫描下方二维码，查看IOP出版社材料领域和环境领域的最新资讯；还可以>>点击此处链接，订阅该领域的最新研究进展以及相关期刊的最新信息。 材料： 环境： 精选文章 Terahertz Science and Technology Journal of Physics: Condensed Matter Terahertz magnetic excitation in antiferromagnets: atomistic spin simulations versus a coupled pendulum model Cuixiu Zheng, Xing Chen, Sai Zhou and Yaowen Liu   Terahertz amplification and lasing by using transverse electric modes in a two-layer-graphene-dielectric waveguide structure...

该论文对电磁超材料和电磁超表面各个分支领域的最新进展进行了全面概述，并指明了该领域的未来发展趋势和研究路线图。作者包括来自中国东南大学崔铁军院士、英国帝国理工学院John Pendry爵士、中国香港大学张霜教授、美国纽约城市大学Andrea Alù教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院Martin Wegener教授等超材料领域国际著名科学家。 文章介绍 Roadmap on electromagnetic metamaterials and metasurfaces Tie Jun Cui（崔铁军）, Shuang Zhang（张霜）, Andrea Alu, Martin Wegener, John Pendry, Jie Luo, Yun Lai, Zuojia Wang, Xiao Lin, Hongsheng Chen, Ping Chen, Rui-Xin Wu, Yuhang Yin, Pengfei Zhao, Huanyang Chen, Yue Li, Ziheng Zhou, Nader Engheta, V. S. Asadchy, Constantin Simovski, Sergei A...

中山大学/南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）范可教授、易李达玲博士、张安婕博士研究生和挪威卑尔根大学贺圣平博士基于海冰卫星观测和海气再分析数据集等，定义了冬季海冰生长量（WSIG），研究了北极WSIG的年代际和年际变化。研究结果表明，自2008年后北极欧亚陆架边缘的WSIG显著增多，其中海冰的动力生长主导了波弗特海区WSIG的突增；自2010年后海冰的动力生长对喀拉海-拉普捷夫海区WSIG年际变化的调控作用增强。 文章介绍 Thermodynamic and dynamic contributions to the abrupt increased winter Arctic sea ice growth since 2008 Daling Li Yi (易李达玲) ，Ke Fan (范可)，Shengping He (贺圣平) 通讯作者： 范可，中山大学/南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）   Nonstationary thermodynamic and dynamic contributions to the interannual variability of winter sea ice growth in the Kara–Laptev Seas Anjie Zhang (张安婕)，Daling Li Yi (易李达玲) ，Ke Fan...

本篇研究来自北京大学北京国际数学研究中心和生物医学前沿创新中心葛颢课题组。本研究推广了数学家Belius在简单随机游走模型上的结果，严格证明了环面上有限范围对称随机游走模型的覆盖时间，在进行适当归一化后，其分布会收敛到著名的Gumbel分布。该结果为之前物理学家在数值模拟中观察到的这一具有普适性的现象奠定了坚实的数学基础，也对于普遍应用于各个领域的随机搜索方法的穷尽时间的极限行为给出了定量刻画。 文章介绍 Cover-time Gumbel fluctuations in finite-range, symmetric, irreducible random walks on torus X Han（韩啸）, Y Zhang（张原） and H Ge（葛颢） 通讯作者： 葛颢，北京大学北京国际数学研究中心和生物医学前沿创新中心   研究背景： 随机搜索过程在物理学、化学和生物学，乃至机器学习和机器人等各个学科中都具有广泛的应用。随机游走是随机搜索过程的数学模型。覆盖时间，即一个随机游走首次访问所有节点所需的时间，是描述随机搜索过程的关键参数。2015年，有研究组在Nature Physics发文，通过数值模拟发现，在很多不同的随机游走模型中，覆盖时间，当进行适当的归一化后，其极限分布都是Gumbel分布，这就意味着研究首达时间的结果都可以被应用到研究覆盖时间上来。这项工作对于理论工作者也是一个很好的提示，也许这是一个研究覆盖时间理论性质的切入口。因此本研究希望通过严格的数学分析，深入探讨环面上有限范围对称随机游走的覆盖时间，试图证明其满足2015年这项数值模拟工作中发现的规律。   研究内容： 本研究利用严格的数学分析方法，研究了环面上有限范围对称随机游走的覆盖时间特性。数学家Belius在2013年严格证明了简单随机游走覆盖时间的这一极限性质，其证明中采用了数学家Sznitman在2009年建立的随机交织模型。其证明比较艰深复杂，涉及很多的细致估计，整个证明长达五十多页。我们在仔细研究了Belius的工作之后发现，其证明中的构造方法是可以在进行一定的改造后，推广到环面上有限范围对称随机游走模型上的；其证明中最关键的有关随机游走和随机交织模型的耦合结果，也是可以直接推广过去的。 从数学角度来看，我们的证明并没有什么特别创新的地方，很多改造也是这方面的数学专家比较容易想象得到的。但是从解释数值模拟中发现的这一现象的角度，我们的工作有其独特的价值，因为我们把环面上运动的各方面细节都研究得更深入，给出了关于覆盖时间Gumbel分布极限的一般结果，同时基本囊括了2015年的那篇文献里几乎全部数值实验，给这一普适现象提供了严格的数学基础。 作者介绍   葛颢  教授 北京大学 葛颢，北京大学长聘教授、国家杰青获得者。长期从事随机过程和统计学在物理、化学以及生物上的应用，在Physical Review Letters、Cell、Journal of Chemical Physics、Journal of Statistical Physics等权威期刊发表论文60余篇。获2009年中国数学会钟家庆数学奖，入选2016年教育部青年长江学者名单。 期刊介绍 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 2023年影响因子：2.0  Citescore：4.1 Journal of Physics...

本篇研究来自香港大学电气与电子工程系王中锐和深圳大学物理与光电子学院张晗课题组。本研究首次将柔性和可拉伸特性引入到光学忆阻器的研究中，开发了一种液态光学忆阻器。这种液态光忆阻器采用了富含电子的多金属氧酸盐和二甲基碳酸酯的有机-无机杂化液体，展现出可逆光致变色特性，在UV光照射下能够显著调制光吸收，准连续，非易失的调控权重，并在400%的应变下保持功能，显示出优异的机械稳定性。 文章介绍 A liquid optical memristor using photochromic effect and capillary effect Dingchen Wang（王鼎臣）, Anran Yuan（员安然）, Shilei Dai（代世磊）, Xiao Tang（唐潇）, Kunbin Huang（黄坤斌）, Songrui Wei（魏松瑞）, Han Zhang（张晗） and Zhongrui Wang（王中锐） 通讯作者： 王中锐，香港大学电气与电子工程系 张晗，深圳大学物理与光电子学院   研究背景： 物联网（IoT）的快速发展对数据的本地高效处理提出了更高的需求，尤其是在自动驾驶、机器人视觉、智能家居、远程传感、国防监控和显微镜等应用领域。这些应用需要高性能的边缘计算系统，而光子神经形态计算因其高并行性、低延迟、能效高和带宽大的特点成为研究热点。然而，现有光子神经形态计算系统通常使用刚性材料，无法在机械变形环境下保持可靠性和长期稳定性，特别是在软体机器人和可穿戴设备中。本研究旨在开发一种具有高机械灵活性和可编程光学特性的液态光学忆阻器（LOM），以克服现有光子神经形态计算系统在机械变形下的性能局限。   研究内容： 本研究选择了富含电子的多金属氧酸盐（POMs）作为主要材料，结合二甲基碳酸酯（DMC）形成有机-无机杂化液体。图一中的DMC-POM液体展示出可逆光致变色特性，通过紫外光照射和氧化过程实现颜色变化。   图一: 合成的 DMC-POM 液体可以在无色状态（左）和有色状态（右）之间可逆切换。   DMC-POM液体被注入两根光纤之间的间隙，通过毛细作用确保液滴形态的稳定性和可变性，液滴形态可通过调节液体体积从骨状、杆状变为类似突触的结构，以适应不同的机械应变需求。   图二: (a) 无色状态下的液态光学忆阻器（LOM）。此时LOM处于初始状态，没有经过紫外光编程。(b) 紫外光编程开始时的LOM。此时LOM开始接受紫外光的照射，逐渐改变其光学特性。(c) 着色后的LOM。在紫外光编程后，LOM的颜色发生了变化，表现出光致变色的效果。(d) 紫外光编程结束时的LOM。此时LOM已经完全经历了紫外光编程，颜色达到稳定状态。比例尺：100 μm。   如图二所示，在实验中使用650nm激光作为信号光源，通过紫外光编程LOM的传输特性。随后进行一系列机械应变测试，评估LOM在拉伸、错位和弯曲条件下的性能稳定性，并使用LOM构建的神经网络进行图像识别模拟实验。   图三：(a): LOM在不同时间下的传输强度（Transmittance）随紫外光脉冲的变化。随着时间的推移，紫外光脉冲的应用使传输强度逐渐降低，最终达到稳定的传输状态。(b): LOM在10个周期内的可逆性能测试。该图显示了在多次紫外光脉冲应用和去除后的传输强度变化，证明了LOM在多个循环中的可逆性和稳定性。(c): LOM在600秒内不同状态下的传输强度保持情况。该图展示了LOM在不同状态下（高传输、中传输和低传输）保持传输强度的稳定性。   结果显示，DMC-POM液体在UV光照射下表现出显著的光吸收变化（图三），能够非易失的准连续调控权重；...

本篇研究来自北京大学碳中和研究院、城市与环境学院袁文平课题组。本研究系统分析了1981年至2020年间中国农田生态系统随粮食籽粒收获而产生的碳移除量。具体地，基于省级和县级的十种主要农作物的产量数据，揭示了过去40多年间中国农田碳移除呈显著增长趋势，从1981年的0.185亿吨碳增加至2020年的0.423亿吨碳，与中国陆地碳汇相当。结合现有农作物分布图和卫星数据，研究生成了长时间序列的中国农田碳收获网格化数据集。在此基础上，检验了七个陆地生态系统模型对于农田收获碳的模拟能力，发现模型间存在显著差异和巨大的不确定性。该数据集为中国碳循环研究提供了重要的区域性数据支持，强调了准确核算农作物碳移除对于农田生态系统碳源汇核算的重要性，也为评估中国陆地碳收支提供了基础数据。 文章介绍 Increased harvested carbon of cropland in ChinaPeiyang Ren(任培阳), Daju Wang(王大菊), Xiaosheng Xia(夏晓圣), Xiuzhi Chen(陈修治), Zhangcai Qin(覃章才), Jing Wei(魏静), Shuguang Liu(刘曙光), Mike O’Sullivan and Wenping Yuan(袁文平) 通讯作者： 袁文平,北京大学碳中和研究院、城市与环境学院   研究背景： 农田作为关键的陆地生态系统，在全球碳循环中扮演重要角色，其植被生产力占全球的12%-16%，并影响碳循环的季节性波动。农作物籽粒中的碳会随着人类和牲畜的消耗迅速释放到大气中，对其的估算直接影响到农田生态系统碳源汇核算准确性的关键。尽管陆地生态系统模型考虑了随着籽粒收获碳移除的影响，但其模拟能力仍然存在巨大的不确定性。作为农业大国，中国农田生态系统对于国家碳收支扮演着重要的角色，但关于其农田收获碳的数据仍不完善。本研究旨在评估中国农作物收获碳的规模和趋势，并利用新生成的网格化数据集评估七个最新模型的性能。   研究内容： 本研究收集了1981-2020年中国31个省的作物产量统计数据，分析了随着农作物籽粒收获的碳移除量的长期变化趋势，并基于2001-2019年的县级数据生成网格化收获碳数据集（Terrestrial Ecosystem Disturbance-HCC, TED-HCC），在此基础上检验了7个陆地生态系统模型对于农作物收获碳的模拟能力。 本研究发现，中国农田收获碳在过去四十年间显著增加，总量从1981年的0.18 亿吨碳/年增长到2020年的0.42亿吨碳/年，增加了约2.3倍。谷物类作物（如稻谷、小麦和玉米）是主要贡献者，占总增长量的68.3%（图 1）。   图 1. 中国农田生态系统农作物收获碳长期变化。   此外，基于本研究生成的TED-HCC数据集，我们发现中国的农作物收获碳主要分布在东北、华北和西南地区。收获碳的强度从1 g C m⁻² yr⁻¹到467 g C m⁻² yr⁻¹不等。在过去的二十年（2001-2019年）中，超过42.1%的地区显示出收获碳强度的增加趋势（34.4%显著增加），只有18.4%的地区显示出减少趋势（5.1%显著减少）。需要注意的是，减少趋势主要发生在东南地区（图 2）。   图 2. 2001 年至 2019 年收获的作物碳强度（a）和趋势（b）.b...

我们很高兴地宣布，IOP出版社全新期刊Sustainability Science and Technology（SSTECH）发表了第一期文章，现已可供阅读和下载！ 从海藻栽培到BiOCl超薄纳米片，从食品-水关联系统到水凝胶3D打印——第一期文章展示了SSTECH期刊发表研究成果的深度和多样性。 我们非常感谢研究人员对我们的信任，并选择在Sustainability Science and Technology期刊上发表文章。 这是为致力于应对可持续发展挑战的跨学科群体建立一个有影响力的新平台的第一步，我们期待着更多的研究人员加入我们。现在投稿，与我们一起打造一个更加绿色、更加可持续的未来吧！ 为什么选择在SSTECH期刊上发表研究文章？ 跨学科：SSTECH期刊将物理学家、化学家、材料科学家和工程师团结在一起，为实现可持续发展的未来而努力。 以解决方案为导向：SSTECH期刊关注社会和经济背景下的实用解决方案和创新技术。 与联合国可持续发展目标保持一致：SSTECH期刊上发表的每篇文章都必须展示其具有可持续发展的潜力。 免费开放获取出版：SSTECH期刊将在前三年内免除所有文章发表费用，让作者免费与全球读者分享他们的研究成果。 开放获取文章的可见度高：去年，IOP出版社的文章的总下载量为7800万次，其中开放获取文章的下载量比传统文章高70%。 非营利模式：IOP出版社获取的所有利润都将回馈给英国物理学会（IOP），用于支持世界各地的研究、教育和推广。 第一期文章 Editorial Sustainability Science and Technology in 2024 and beyond: equitable publishing aligned with United Nations’ Sustainable Development Goals Jonas Baltrusaitis, Bhavik Bakshi, Katarzyna Chojnacka, Christopher J Chuck, Marc-Olivier Coppens, Jacqueline S Edge, Gavin Harper, Benjamin S Hsiao, Hao Li, Mark Mba Wright, Michael McLaughlin, Arpita Nandy, Shu-Yuan Pan, Zhe Qiang, Caue...

本篇研究来自哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所王长国课题组。本文基于冯卡门方程，建立了单层石墨烯环扭转-褶皱行为的精确理论预报模型，揭示了含缺陷的石墨烯环褶皱的形成及演化规律，探讨了褶皱与缺陷对石墨烯热导率的综合影响，并从声子角度探讨了其内在影响机制,为新一代石墨烯纳米器件的机械和热性能调控提供了理论指导。 文章介绍 Thermal conductivity of wrinkled graphene ring with defects Qingxiang Ji（吉庆祥）, Bohan Li（李勃含）, Muamer Kadic and Changguo Wang（王长国） 通讯作者： 王长国，哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所   研究背景： 优异的热力学和光学性能使石墨烯成为微纳米电子系统等应用的理想材料。石墨烯是单层原子结构，极易发生褶皱失稳现象，造成其功能损失甚至结构破坏。然而，褶皱行为也为调节石墨烯物理特性提供了一个有效手段，且该调节是可恢复的、可重复利用的，不破坏石墨烯结构的完整性。在单层石墨烯环中，径向花瓣形状是最常见的褶皱模式，其通过简单的内部区域扭转即可获得。然而，其形成和演化机制的理论预报模型却鲜有报道。 石墨实际制备时不可避免的产生缺陷，这将对其褶皱行为以及导热性能产生影响。对于缺陷和褶皱对石墨烯环面内导热特性综合影响的研究较少，更不用说利用缺陷和褶皱调控实现特定功能。填补这一研究空白，成为本文的首要研究意义。   研究内容： 石墨烯环在生物调制器、电化学生物传感器和谐振器等领域具有广阔的应用前景，但其易产生褶皱，影响其物理性能。本研究首先建立了一个理论模型以预测含缺陷的单层石墨烯环的扭转褶皱行为，对褶皱形貌精确预测。结果表明，随着扭转角的增大，沿方位角方向出现正弦褶皱;随着扭转角的进一步增大，高度图案化的褶皱逐渐变得不规则，最终由于碳碳键断裂而消失。此外，空位缺陷可以促进褶皱的产生，延缓石墨烯环的坍塌，削弱褶皱水平。然后研究了褶皱程度、缺陷浓度和尺寸效应对石墨烯环导热性能的影响。结果表明，随着尺寸、缺陷浓度和扭转角的增大，褶皱的幅波比逐渐增大，且空位缺陷和尺寸效应对导热性能的影响更显著。最后通过声子态密度揭示了褶皱和缺陷对导热系数的内在影响机制。相关结果为通过力学手段调控石墨烯环的物理特性提供了理论指导，助力石墨烯微纳米器件的发展和应用。 作者介绍 王长国  教授 哈尔滨工业大学 王长国，哈尔滨工业大学长聘教授、入选国家级人才计划。主要从事柔性复合材料与结构力学研究，主持国家自然科学基金和国家重大科技专项等项目。授权发明专利100余项，技术转化应用10余项。成果发表于JMPS、CSTE、Compos Part A, AIAA J. 等力学与航天领域著名期刊，出版专著3部。获省部级科技奖励6项、黑龙江省青年科技奖。 期刊介绍 Journal of Physics: Condensed Matter 2023年影响因子：2.3  Citescore: 5.3 Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)为读者提供凝聚态物理、软物质、纳米科学和生物物理各领域的最新研究成果。JPCM发表实验/理论分析和模拟研究，读者可以获取涉及下列领域的专题综述、快报和特刊：表面、界面和原子尺度的科学，液体、软物质和生物物理，纳米材料和纳米电子，固体结构的晶格动力，电子结构，超导体和金属、半导体，电介质和铁电，以及磁学与磁性材料。

This article examines how international trade and policy shape the economic consequences of climate-induced changes in crop productivity, considering both adaptation and mitigation. International trade serves as a global risk-sharing mechanism with the potential of ameliorating the adverse impacts of climate-induced crop shortages by allowing regions with agricultural surpluses to provide for those facing shortages....

本篇研究来自北京师范大学水科学研究院付永硕课题组。本研究发现水分和光周期在中国亚热带森林秋季光合物候过程中起主导作用；基于传统积冷模型（CDD）开发了温-光-水耦合的秋季光合物候新模型，模拟精度显著提升；基于秋季物候模型结合未来气候变化情景，发现中国亚热带森林秋季光合物候期持续延迟。 文章介绍 Autumn phenology consistently delays in subtropical forests in China based on a new process-based model integrating temperature, photoperiod and precipitationYue Xu（徐月）, Mingwei Li（李明尉）, Zhaofei Wu（吴兆飞）, Xiran Li（李溪然）, Zunchi Liu（刘尊驰）, Xingyu Nie（聂兴雨）, Xuan Zhang（张璇）, Jiahao Chen（陈嘉浩）, Fanghua Hao（郝芳华） and Yongshuo H Fu（付永硕） 通讯作者： 付永硕，北京师范大学水科学研究院   研究背景： 在全球变暖背景下，植被春季物候和秋季物候分别发生了显著的提前和延迟趋势，亚热带森林是陆地生态系统中的主要有机碳贮库，但其秋季物候对气候变化响应机制仍不清晰。典型的秋季物候过程模型如积冷模型（CDD）和温光模型（DM）未考虑降水影响，无法准确模拟秋季物候。因此，准确表征多种气候因子对亚热带森林秋季物候的影响，开发新的秋季物候模型对准确理解亚热带森林对气候变化响应至关重要。   研究内容： 本研究基于高分辨率太阳诱导叶绿素荧光（SIF）数据，采用三种物候提取方法确定了2001-2018年中国亚热带地区的秋季光合物候（the end-of-photosynthetic-growing-season, EOPS），并将降水和光周期整合到经典的积冷模型（CDD ）中，进而开发了一个新的秋季物候过程模型（DMP），并基于该模型预测了未来中国亚热带森林秋季物候的变化趋势。 研究发现，2001-2018年中国亚热带森林EOPS整体呈现延迟趋势，平均每10年延迟4.1 天。通过比较气候因子与EOPS的相偏相关系数，研究发现降水（r = 0.45），而不是温度（r = 0.29）对秋季光合物候的变化过程起到主导作用。 Figure 2. (a) The...

This Roadmap article provides a succinct, comprehensive overview of the state of electronic structure methods and software for molecular and materials simulations. Seventeen distinct sections collect insights by 51 leading scientists in the field. Each contribution addresses the status of a particular area, as well as current challenges and anticipated future advances, with a particular...

本篇研究来自清华大学水利系钟德钰和王光谦。动理学方程（Kinetic Equation）对于理解随机过程的统计特性至关重要，但现有方程仅限于局部分析。文章构造了随机向量丛，通过对系综平均的局部概率密度函数进行累积展开，推导了一种新的动理学方程，用于描述向量丛上的随机系统，能够处理全局随机性和非马尔可夫（non-Markovian）过程。 文章介绍 Kinetic Equation for Stochastic Vector Bundles De-yu Zhong（钟德钰） and Guang-Qian Wang（王光谦） 通讯作者： 钟德钰，清华大学水利系   研究背景： 动理学方程是描述物质或粒子系统在相空间中分布随时间变化的数学表达式，其中最著名的动理学方程包括玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation）和福克-普朗克方程（Fokker-Planck Equation）等。动理学方程是连接微观粒子行为与宏观物理现象的桥梁，可以帮助我们理解物质状态、预测系统行为、优化系统设计，在物理、化学、力学甚至社会科学中都有广泛的应用。动理学方程的推导方法有Kramers和Moyal的矩展开，钟德钰等人提出的累积展开等。但目前的经典方程仍仅限于局部分析，不能处理全局随机性。本研究旨在推导一个适用于一般随机系统的动理学方程，通过引入一种基于随机系统状态转移路径系综的平均方法，该方程能够描述非马尔可夫过程的全局统计行为。   研究内容： 随机向量丛是将随机过程理论与向量丛理论相结合的数学结构。向量丛使得可以将向量空间中的随机行为扩展到整个流形上，从而有效地将局部随机行为转变为全局影响的随机模型。本研究首先定义一个在基础流形上的随机向量丛，流形中的每个点对应一个代表系统随机状态空间的纤维，该框架为理解随机过程提供了一个全新的几何视角。通过对集合平均的局部概率密度函数（PDF）进行累积展开来推导动理学方程。这个PDF不仅仅是状态的函数，而是状态转换轨迹的泛函。累积展开有助于捕捉固有于非马尔可夫过程的历史和全局依赖效应。在数学上，使用协变导数和其他几何的工具来处理向量丛结构，并通过涉及微分几何和随机微积分的相关步骤推导出动理学方程。具体推导过程详见原文。 除此之外，论文还讨论了如何从该动理学方程出发，推导出描述流体等复杂多相系统宏观行为的守恒方程，展示了该方程在实际物理问题中的应用潜力。鉴于推导出的动理学方程是无限阶的，论文进一步讨论了在实际应用中如何进行截断，以及截断对模型精度的影响。 该论文的结果为研究大尺度复杂系统的统计规律提供了新的理论工具和分析框架，对于深入理解这些系统的行为、提高预测准确性以及指导实际应用具有重要意义。 期刊介绍 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 2023年影响因子：2.0  Citescore：4.1 Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical（JPhysA）每年出版50期，针对运用数学结构来描述物理世界的基本过程，并探索这些结构的分析、计算和数值方法。期刊内容涵盖：统计物理；非平衡系统、计算方法和现代平衡理论；混沌和复杂系统；数学物理；量子力学和量子信息理论；场论和弦理论；流体和等离子体理论；生物模型等方面。文章类型包括原创性论文和综述，以及关注于热点研究的专题综述和特刊，提供及时、全面的纵览。