朱蕊蕊 張曉彤 劉亦斌 從裕 楊蕾 高偉俊

收稿日期：2020-10-14

*基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“基于多源數(shù)據(jù)融合的城市公園植物空間小氣候調(diào)控機(jī)理及優(yōu)化模式構(gòu)建研究”

（ZR2020QC172）;青島理工大學(xué)濱海人居環(huán)境學(xué)術(shù)創(chuàng)新中心開放課題“低能耗背景下居住區(qū)綠地的小氣候效

應(yīng)及公共健康效益協(xié)同優(yōu)化研究”（C2020-038）

第一作者：朱蕊蕊（1985- ），女，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)及理論、風(fēng)景園林小氣候、風(fēng)

景園林與健康。E-mail：zhuruirui@qut.edu.cn

摘要：小氣候作為城市人居環(huán)境相關(guān)學(xué)科研究的重要領(lǐng)域，研究體系龐雜且與多學(xué)科交叉融合。文章以2008—2020年Web of ScienceTM核心合集數(shù)據(jù)庫檢索到的6304篇小氣候英文文獻(xiàn)為研究對象，利用CiteSpace5.6.R2科學(xué)知識可視化圖譜軟件對文獻(xiàn)進(jìn)行分析，旨在為風(fēng)景園林、建筑技術(shù)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境、能源學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究提供理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。結(jié)果表明，小氣候英文文獻(xiàn)的研究主要集中在室外熱舒適、氣象資料、溪流溫度、邊緣效應(yīng)、無人機(jī)輔助紅外熱像等方面，研究前沿為平均輻射溫度、空氣質(zhì)量、氣流縱橫比、城市健康、能量效率、城市排放、氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)和規(guī)劃策略等。

關(guān)鍵詞：小氣候，人居環(huán)境，研究綜述，CiteSpace

DOI： 10.12169/zgcsly.2020.10.14.0002

Review on Urban Human Settlement Microclimate Research：

Based on Knowledge Graph Analysis of Literature from Web of Science

Zhu Ruirui1 Zhang Xiaotong1 Liu Yibin1 Cong Yu1 Yang Lei1 Gao Weijun2

（1.College of Architecture and Urban Planning， Qingdao University of Technology， Qingdao 266033， Shandong， China;

2.Academic Innovation Center for Coastal Human Settlement， Qingdao University of Technology， Qingdao 266033， Shandong， China）

Abstract：Microclimate， as an interdisciplinary research field， is an important and significant area of urban human settlement research， there are numerous and complex research systems. Taking 6 304 English papers on microclimate from Web of Science TM core collection as research subjects， this paper analyzes the status of microclimate research using CiteSpace5.6.R2， the visualizer software of scientific knowledge， in order to provide references and methods for the scientific research on landscaping， architecture technology， urban-rural planning， eco-environment science， energy science，etc. The results show that the research on microclimate focus on outdoor thermal comfort， weather data， stream temperature， edge effect， drone-assisted infrared thermography， etc. The research frontiers include mean radiant temperature， air quality， air flow aspect ratio， urban health， energy efficiency， urban emission， climate adaptation design and planning strategy.

Keywords： microclimate， human settlement ， research review， CiteSpace

截至2019年底統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球約54%的人口生活在城市中[1]。城市人居環(huán)境的不斷惡化和熱島效應(yīng)的加劇使室外熱舒適不斷下降，建筑能耗逐漸增加，城市氣候問題日益凸顯，嚴(yán)重威脅著城市居民的健康[2]。如何改善城市人居環(huán)境使其更適宜居住是人居環(huán)境相關(guān)學(xué)科需要面對的問題。

城市人居環(huán)境作為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾獔鏊?，必須保證其小氣候適宜人們的生理、心理以及社會需求[3]。城市人居環(huán)境小氣候主要是指在城市內(nèi)部，城市環(huán)境由于其下墊面不同于其他環(huán)境而產(chǎn)生的特殊小氣候，是在地形、植物、水體、鋪裝等設(shè)計(jì)要素的影響下形成的小氣候類型[4]。良好的城市人居環(huán)境作為人們休閑娛樂、體力活動、社會交往的重要空間載體，應(yīng)提供適宜的小氣候，通過影響溫度、風(fēng)、濕度、空氣質(zhì)量、風(fēng)景質(zhì)量和動植物多樣性等改善人體熱舒適、激發(fā)戶外活動，進(jìn)而全面促進(jìn)城市居民的健康和福祉。

筆者系統(tǒng)梳理Web of Science人居環(huán)境小氣候研究進(jìn)展，選取與城市人居環(huán)境學(xué)科密切相關(guān)的室外熱舒適聚類展開論述，并對重要核心文獻(xiàn)進(jìn)行分析，以期為下一步的科學(xué)研究提供基礎(chǔ)理論參考。

1 研究方法

采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)理論和信息可視化技術(shù)對Web of Science核心庫檢索到的2008—2020年小氣候相關(guān)研究的論文，分別從研究主題、關(guān)鍵詞、學(xué)科分布、出版物來源、文獻(xiàn)共被引分析與耦合分析、科研合作網(wǎng)絡(luò)分析、共詞分析、國家地區(qū)分布、研究機(jī)構(gòu)等方面進(jìn)行客觀和可視化統(tǒng)計(jì)分析，以期直觀、清晰、多角度地展示小氣候研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，從而為相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。以Web of Science TM核心合集為數(shù)據(jù)源，檢索式為：TS=microclimate，時(shí)間跨度為2008—2020年，檢索文獻(xiàn)類型為能夠充分反映主題的研究特征和發(fā)展趨勢的論文，檢索時(shí)間為2020年9月27日，共檢索到6 304篇英文文獻(xiàn)。

運(yùn)用可視化軟件CiteSpace5.6.R2和VOSviewer1.6.13對6 304篇文獻(xiàn)進(jìn)行共被引分析[5-6]。參數(shù)設(shè)置為：時(shí)間范圍2008—2020年，一個(gè)時(shí)間切片為2年;主題詞來源選擇題目、摘要、作者、關(guān)鍵詞;節(jié)點(diǎn)類型為共被引文獻(xiàn)（Cited reference）;網(wǎng)絡(luò)連強(qiáng)度計(jì)算選擇Cosine算法;Selection Criteria選擇提取每個(gè)時(shí)間切片中前10%的對象，每個(gè)時(shí)間切片內(nèi)選定項(xiàng)目的最大數(shù)為50;可視化模式選擇為靜態(tài)，并顯示合并網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)不使用裁剪方法。按照以上參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊“GO”運(yùn)行軟件后，得到文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò);在此基礎(chǔ)上，通過聚類算法對共被引網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類，采用LLR對數(shù)似然率算法（Log-likelihood Ration）選取排名靠前的標(biāo)題詞作為聚類標(biāo)簽。

2 小氣候研究的特征分析

2.1 研究規(guī)模和影響力

發(fā)文量通常作為衡量某一主題研究規(guī)模的重要指標(biāo)，被引頻次可以在一定程度上反映研究的影響力。本文通過對發(fā)文量和被引頻次2個(gè)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：論文發(fā)文量和被引頻次隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)增長趨勢，其中發(fā)文量由2008年的308篇增加到2019年的832篇，被引頻次由105次增加到19 156次。可見，小氣候研究熱度不斷升溫，引起了研究工作者們的廣泛關(guān)注（圖1）。

2.2 研究方向

小氣候研究是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，6 304篇論文涉及85個(gè)研究方向，主要集中在9個(gè)方向，即生態(tài)環(huán)境科學(xué)（Environmental sciences ecology）、農(nóng)學(xué)（Agriculture）、工程學(xué)（Engineering）、林學(xué)（Forestry）、植物科學(xué)（Plant sciences）、建筑技術(shù)（Construction building technology）、氣象大氣科學(xué)（Meteorology atmospheric sciences）、能源學(xué)（Energy fuels）、生物多樣性保護(hù)（Biodiversity conservation）。由于生態(tài)環(huán)境科學(xué)方向（含風(fēng)景園林與城市環(huán)境方向）的論文數(shù)最多，為1843篇，占此次全部檢索記錄的30.00%，因此成為小氣候研究領(lǐng)域的主要方向。

2.3 研究的國家或地區(qū)

對研究國家或地區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)6 304篇文獻(xiàn)分布在136個(gè)國家或地區(qū)，其中美國處于最核心的位置，發(fā)文量為1 587篇，占本次文獻(xiàn)檢索總量的25.83%;我國排名第二，發(fā)文量為676篇，占比10.72%，僅在2016—2019年，我國發(fā)文量就有430篇，占2008年以來總發(fā)文量的63.61%?？梢?，近5年來，我國小氣候研究英文論文產(chǎn)出急劇增加，相關(guān)領(lǐng)域研究引起了國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注并進(jìn)入跨越式發(fā)展階段，預(yù)期未來幾年仍將持續(xù)增加。

3 小氣候研究共被引聚類分析

按照上文參數(shù)設(shè)置進(jìn)行文獻(xiàn)共被引聚類分析，結(jié)果得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為273、連接線為1 139、網(wǎng)絡(luò)密度為0.030 7的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)聚類后得到13個(gè)共被引聚類，其模塊化程度值為0.685 6，網(wǎng)絡(luò)輪廓值為0.464 5，表明整個(gè)文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)的聚類結(jié)果良好，能夠清楚劃分并得出具體聚類。

篩選出前8個(gè)聚類進(jìn)行具體分析，按照聚類規(guī)模大小將聚類從#0到#7進(jìn)行編號。結(jié)果表明，聚類#0室外熱舒適為小氣候英文文獻(xiàn)共被引的最大聚類，包含62篇文獻(xiàn)，形成平均年份為2010年;聚類#4無人機(jī)輔助紅外熱成像為小氣候英文文獻(xiàn)共被引的最年輕聚類，形成平均年份為2015年，包含31篇文獻(xiàn)（表1）。

分別使用論文題目、關(guān)鍵詞、研究領(lǐng)域作為提取標(biāo)簽進(jìn)行聚類得出共被引網(wǎng)絡(luò)圖譜（圖2）。如圖2所示，文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞聚類標(biāo)簽分別為室外熱舒適、氣象數(shù)據(jù)、溪流溫度、邊緣效應(yīng)、無人機(jī)輔助紅外熱成像、園藝塑料頂蓋、繁殖成功、熱帶高山樹線（表1），其中最大聚類室外熱舒適對應(yīng)的標(biāo)題聚類為ENVI-Met模擬軟件，說明ENVI-Met模擬軟件在室外熱舒適領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)所屬研究領(lǐng)域主要有生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、林學(xué)、綠色可持續(xù)發(fā)展技術(shù)、園藝學(xué)、動物學(xué)、植物科學(xué)，說明小氣候在多學(xué)科領(lǐng)域具有豐富的研究成果。

4 室外熱舒適聚類重要核心文獻(xiàn)分析

立足于人居環(huán)境視角，選取與人居環(huán)境相關(guān)學(xué)科密切相關(guān)的#0聚類室外熱舒適展開論述。由圖2可知，#0室外熱舒適是最大聚類，輪廓值為0.829，形成了知識鏈最為顯著和密集的聚類關(guān)系。CiteSpace菜單中Centrality的含義為中介中心性（Betweenness Centrality），是測度節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中重要性的一個(gè)指標(biāo)，使用該指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)和衡量文獻(xiàn)的重要性，并用紫色圈對該類文獻(xiàn)進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)注。具有高中介性的文獻(xiàn)通常是連接2個(gè)不同領(lǐng)域的關(guān)鍵樞紐，在CiteSpace中也稱其為轉(zhuǎn)折點(diǎn)（Turning points）[4]。通過對文獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)有22篇文獻(xiàn)的中介中心性大于0.02，有20篇文獻(xiàn)共被引頻次大于40次，有34篇文獻(xiàn)的Sigma值大于1，這些文獻(xiàn)在室外熱舒適度研究中均起到了重要作用。綜合考慮被引頻次、突發(fā)性、中介中心性和Sigma值，篩選出該聚類的10篇核心論文（表2）。

4.1ENVI-met模擬軟件的應(yīng)用

10篇核心文獻(xiàn)中有7篇與ENVI-met模型有關(guān)，采用ENVI-met作為主要研究工具充分說明了該模擬軟件在全球氣候變化背景下人居環(huán)境小氣候領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛性。

在ENVI-met模型模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證方面，Yang XS等[10]在我國廣州的一個(gè)實(shí)際建成項(xiàng)目中，利用不同類型地面（混凝土、瓷磚、瀝青、草地）不同深度的土壤溫度和土壤熱流、不同高度的地表溫度和空氣溫濕度的實(shí)測數(shù)據(jù)對ENVI-met模型模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明，ENVI-met 4.0能夠很好地預(yù)測不同變量下的小氣候，具有較高的準(zhǔn)確性。Ferdinando Salata等[15]重點(diǎn)研究了ENVI-met求解方程輸入?yún)?shù)的評估，將不同微氣象變量和預(yù)測平均投票（PMV）的輸出數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測量的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，通過對測定系數(shù)、均方根誤差和威爾莫特一致指數(shù)的分析，驗(yàn)證了該軟件對空氣溫度和平均輻射溫度的預(yù)測能力，確定了在不同的橫向邊界條件（LBC）中，如何選擇開放類型使模擬結(jié)果更可靠，最后對該軟件的最新版本進(jìn)行了測試，并在結(jié)論中提出了在ENVI-met中進(jìn)行模擬的一般程序。

不同城市形態(tài)和景觀類型小氣候研究方面，Ariane Middela等[8]利用ENVI-met模擬軟件探討了不同城市形態(tài)和景觀類型對于亞利桑那州鳳凰城（半干旱氣候類型）夏季午后的降溫效應(yīng)，研究結(jié)果表明，水平對流對溫度的影響較大，不同空間的降溫差異與太陽輻射、局部遮蔭模式密切相關(guān)。Mohammad Taleghani等[9]利用ENVI-met模擬室外空氣溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速和相對濕度，結(jié)果表明，不同密度的建筑模型提供了不同的熱環(huán)境，受城市形態(tài)影響的直接太陽持續(xù)時(shí)間和平均輻射溫度對熱舒適性起著最重要的作用。

不同綠化布局的小氣候研究方面，Edward Ng[11]采用ENVI-met模型參數(shù)模擬研究，用現(xiàn)場測量進(jìn)行驗(yàn)證，模擬了33種不同因素組合的情況。研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)木G化可以改善城市小氣候，降低夏季城市空氣溫度，當(dāng)建筑物覆蓋率設(shè)定為44%、樹木覆蓋率大于城市總土地面積的1/3時(shí)，可以產(chǎn)生約1k的冷卻效果;樹木的降溫效果明顯優(yōu)于草地，且植樹的位置應(yīng)接近人類活動的場地。Lee H[12]利用ENVI-met 研究了城市綠色覆蓋對減輕人體熱應(yīng)激的影響。在典型熱浪日對弗里堡住區(qū)內(nèi)4種不同類型的綠地進(jìn)行了模擬，并對不同的空間尺度上的樹木、草地在白天、夜間對減輕人類的熱應(yīng)激反應(yīng)的效果進(jìn)行量化。研究還從城市人類-生物氣象學(xué)角度提出了綠地設(shè)計(jì)的建議。Katia Perini[13]利用ENVI-met 研究了植被（地面及屋頂綠化）、城市密度、建筑高度和大氣條件幾個(gè)變量對地中海氣候城市大氣溫度和室外熱舒適的影響。結(jié)果表明，地面和屋頂綠化有很好的夏季降溫效應(yīng)，并能降低室內(nèi)冷卻負(fù)荷需求，提高室外舒適性;城市地區(qū)建筑物的密度和高度影響潛在溫度、平均輻射溫度和熱舒適投票的分布;在大多數(shù)情況下，較高的密度會導(dǎo)致較高的溫度，而較高的建筑物植被具有較高的冷卻效果;不同的綠化面積和植被類型具有不同的降溫效應(yīng)。

綜上所述，ENVI-met能夠全面考慮城市形態(tài)、景觀類型、建筑密度、植被覆蓋、空間布局、地表材質(zhì)、太陽輻射等多種因素;模擬不同空間小氣候環(huán)境并加以預(yù)測和分析，以其便捷性、經(jīng)濟(jì)性作為實(shí)測法的有效補(bǔ)充，在人居環(huán)境小氣候的模擬研究中具有不可替代的優(yōu)勢。

4.2 城市綠化改善人體熱舒適效益的量化

10篇核心文獻(xiàn)中的3篇均為城市綠化在改善人體熱舒適方面所發(fā)揮功效的量化研究。 Limor Shashua-Bar等[7]在2個(gè)半封閉的城市空間中，采用成熟樹木、草地、架空遮陽網(wǎng)和鋪裝等多種組合測試了植被對熱干旱地區(qū)人體熱應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，遮蔭樹木和草地覆蓋相比于架空遮陽網(wǎng)和鋪裝，在改善熱舒適方面效果更加明顯，尤其樹木與草地組合在一起時(shí)，在所實(shí)驗(yàn)的時(shí)段均能營造相對舒適的戶外環(huán)境。M.Santamouris 等[2]指出增加城市反照率和屋頂綠化在緩解城市熱島和改善城市環(huán)境熱舒適方面呈現(xiàn)出較高的發(fā)展?jié)摿颓熬埃⒔榻B了城市尺度下2種技術(shù)研究的最新進(jìn)展。Dayi Lai等[14]通過對小氣候的監(jiān)測和對天津風(fēng)湖公園使用者的訪談，研究公園內(nèi)不同氣候條件下的室外熱舒適性，結(jié)果表明太陽輻射、風(fēng)速和相對濕度的偏好均與空氣溫度有關(guān);此外，研究還比較了通用熱氣候指數(shù)（UTCI）、預(yù)測的平均投票（PMV）、生理等效溫度（PET）3個(gè)熱舒適評價(jià)指標(biāo)的準(zhǔn)確性，其中UTCI較為準(zhǔn)確地預(yù)測了室外熱舒適性，而PMV比實(shí)際值略高。

5 小氣候英文文獻(xiàn)的研究熱點(diǎn)和前沿分析

通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析對小氣候研究熱點(diǎn)和研究前沿進(jìn)行鑒別。圖3為小氣候研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)的時(shí)區(qū)視圖，得到的時(shí)區(qū)圖共有118個(gè)節(jié)點(diǎn)，788條連線。時(shí)區(qū)圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)大小代表該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率，較大節(jié)點(diǎn)則代表小氣候研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，紅色節(jié)點(diǎn)處代表出現(xiàn)了突現(xiàn)關(guān)鍵詞。

時(shí)區(qū)圖能夠清晰展示時(shí)間維度上知識領(lǐng)域的演進(jìn)過程。一個(gè)時(shí)區(qū)的文獻(xiàn)集聚比較多時(shí)，表明該時(shí)區(qū)積累了大量有影響的成果，而時(shí)區(qū)之間的節(jié)點(diǎn)連線情況表明了研究的傳承情況。由圖3可以看出，2008—2010年的研究主要集中在全球氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)、物種豐富度、物種多樣性保護(hù)、植被效應(yīng)、小氣候模擬等，2011—2015年主要集中在城市小氣候、熱島效應(yīng)、土地利用、熱舒適等，2016—2018年主要集中在室外熱舒適、熱壓力、建筑能耗等方面;2018年以后，在平均輻射溫度、空氣質(zhì)量、氣流縱橫比、城市健康、能量效率、城市排放、氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)和規(guī)劃策略等方面研究成果顯著增加。

6 我國城市人居環(huán)境小氣候研究現(xiàn)狀

近年來，我國城市人居環(huán)境小氣候研究主要集中在氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)、實(shí)測分析、小氣候效應(yīng)研究、熱舒適、植物景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)優(yōu)化策略研究等方面;研究的空間類型主要有城市街道、城市濱水帶、城市公園、林蔭空間、城市廣場、居住小區(qū)等。此外，我國人居環(huán)境小氣候的相關(guān)研究成果也逐漸開始積累，并呈現(xiàn)一定的后發(fā)優(yōu)勢，尤其在氣候適應(yīng)性規(guī)劃設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了持續(xù)探索，但尚未形成完整的理論研究體系，與國外研究的理論框架、研究方法、綜合實(shí)踐應(yīng)用等方面仍存在較大差距。

7 結(jié)語

人居環(huán)境小氣候研究對城市宜居環(huán)境建設(shè)發(fā)揮重要的促進(jìn)作用，將應(yīng)對環(huán)境問題的被動規(guī)劃轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃诱{(diào)節(jié)，充分發(fā)揮相關(guān)學(xué)科在協(xié)調(diào)人與自然關(guān)系中的優(yōu)勢和價(jià)值[16]。碳達(dá)峰和碳中和背景下，城市人居環(huán)境小氣候的研究在改善建筑環(huán)境、降低建筑能耗、營造綠色健康社區(qū)、創(chuàng)建低碳城市和促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義[17-18]。該領(lǐng)域研究融合自然科學(xué)、社會科學(xué)和工程技術(shù)3個(gè)方面，改變了僅憑“外觀形態(tài)”的主觀感性規(guī)劃設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，注重“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，大大地提升了規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性。與此同時(shí)，不同人居環(huán)境空間與小氣候之間的耦合機(jī)理、小氣候?qū)θ梭w的生理、心理、感受等影響都是亟需進(jìn)一步探索的研究問題。

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