基于CiteSpace 的微氣候研究進展分析

張 俊

（長江大學園藝園林學院，湖北荊州 425300）

1 研究概述

1.1 研究背景

隨著城市的發(fā)展，人們越來越注重生活的品質。研究微氣候是改善人居環(huán)境的重要途徑。微氣候是小范圍內的地區(qū)性氣候，與人們生活密切相關，而且較易定量化研究。風景園林作為人居環(huán)境科學三大學科之一，微氣候的研究成為風景園林學科的熱點話題之一[1]。它最早由城市規(guī)劃學科在19 世紀初通過城市形態(tài)建設和區(qū)域氣候條件相結合展開研究，近年來，風景園林學者在微氣候的大背景下開始對城市空間和更小尺度下微氣候環(huán)境進行研究。

1.2 研究方法

CiteSpace 軟件是對文獻進行量化分析的重要工具，通過量化分析和解讀文獻內容，并以知識圖譜的直觀形式展示研究對象的發(fā)展過程和結構關系。CiteSpace 主要提供3 種文獻計量方法：①合作圖譜，以研究某領域的作者、機構、國家間的社會關系來間接評價這三者的學術影響力；②共現(xiàn)圖譜，以關鍵詞為核心分析前沿、熱點與熱點演變；③共引圖譜，以文獻為核心分析研究領域的代表性文獻和相互關系?？梢暬Y果以聚類視圖、時間線視圖、時區(qū)視圖3 種途徑輸出。用CiteSpace 軟件對近10 年風景園林方向微氣候研究文獻進行分析和總結，并以共現(xiàn)圖譜和聚類視圖及時區(qū)視圖為可視化表達，研究微氣候發(fā)展熱點，并對其繼續(xù)發(fā)展作一定的預測，經(jīng)學者研究提供參考[2]。

本研究以近10 年的風景園林方向微氣候研究文獻為對象，通過共現(xiàn)圖譜研究歷年研究熱點，并以時區(qū)視圖得出研究熱點之間的發(fā)展關系，以此為參考，預測該方向接下來的研究趨勢。

2 材料與方法

2.1 文獻數(shù)據(jù)來源

在中國知網(wǎng)以“微氣候”為關鍵詞，設置范圍為基礎研究、應用基礎研究、技術研究、工程研究、技術開發(fā)以及行業(yè)技術發(fā)展與評論，搜索學科為建筑科學與工程、氣象學、環(huán)境科學與資源利用、林業(yè)、安全科學與災害防治以及植物保護，得到1021 篇文獻。

2.2 文獻數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2.1 發(fā)表年度分析。由圖1 可知，文獻發(fā)表數(shù)量自2011 年開始提升，這個時候也是風景園林學科與微氣候研究開始結合的時間段。由此也說明，除了檢索出的關鍵詞，在論文發(fā)表的時間段上，以微氣候為搜索關鍵詞，比以小氣候為關鍵詞更加貼合風景園林研究方向。文獻發(fā)表在2016 年之后逐漸穩(wěn)定，也說明微氣候研究已經(jīng)進入到細化研究階段，趨勢分析對今后學者研究很有必要。

圖1 年度發(fā)文趨勢分析（圖片來源：作者自繪）

圖2 發(fā)文來源統(tǒng)計（圖片來源：作者自繪）

2.2.2 文獻來源分析。如圖2 所示，微氣候研究發(fā)表的文獻，哈爾濱工業(yè)大學的數(shù)量占據(jù)優(yōu)勢，占17.25%，華南理工大學占9.54%，這兩所高校在地理上的位置處在中國的南方和北方。所以在文獻分析時發(fā)現(xiàn)，微氣候的研究也隨著高校的位置而表現(xiàn)出地區(qū)性變化。微氣候是一個學科交叉的研究領域，所以文獻來源也較為廣泛，研究高校主要有西安建筑科技大學（8.26%）、天津大學（4.95%）、重慶大學（4.77%）、西安交通大學（4.59%）、北京林業(yè)大學（3.12%）。相關期刊雜志主要有中國園林（4.77%）、建筑科學（2.94%）、風景園林（2.75%）、中外建筑（2.20%）。

2.2.3 機構及作者分析。從研究機構來看，哈爾濱工業(yè)大學發(fā)表數(shù)量最多。但從發(fā)表作者來看，同濟大學的劉濱誼教授個人最多，側面說明哈爾濱工業(yè)大學的微氣候研究已有了堅實的基礎，而同濟大學的微氣候研究以劉濱誼教授為主，其他類似于哈爾濱工業(yè)大學的發(fā)文數(shù)量較多的還有華南理工大學（見圖3、圖4）。

圖3 發(fā)文作者統(tǒng)計（圖片來源：作者自繪）

圖4 發(fā)文機構統(tǒng)計（圖片來源：作者自繪）

3 相關研究

通過對關鍵詞的共現(xiàn)分析，可以發(fā)現(xiàn)在微氣候的研究進展中，已經(jīng)形成了幾個研究小類，這是在微氣候研究大背景下的組成分析，為微氣候的定量分析作出了探索（見圖5）。

3.1 氣候適應性

圖5 聚類分析（來源：作者自繪）

氣候適應是指在某地區(qū)氣候條件下，通過設計方面的改造，使其能夠適應氣候條件，減少氣候對人居環(huán)境的影響或者是對生產(chǎn)生活的影響。從本研究搜索文獻資料來看，氣候適應性自2010 年出現(xiàn)以后，在設計層面對風景園林學科微氣候研究有一定的指導性。氣候適應與人居環(huán)境十分貼切，所以楊樹紅等[3]學者在2010 年相關研究中，通過氣候適應研究了熱舒適方面的內容。在人居環(huán)境的研究中，2011 年有文章對傳統(tǒng)名居的空間形態(tài)進行了分析[4]。此類研究較為全面的是關于中國古典園林的空間營造，通過對古典園林疊山理水、房屋朝向、植物配置進行研究，發(fā)現(xiàn)古典園林里的空間營造很大程度上適應了當?shù)氐臍夂?。由此向外發(fā)散，王碧薇[5]對城市廣場進行了研究，鑒于城市廣場的特殊性，所以設計策略大多為提高遮蔭和散熱作用。除了城市廣場還有其他城市空間，例如街道空間，李靜薇等[6]學者對其進行了研究，發(fā)現(xiàn)街道朝向和建筑比例及植物搭配均對街道空間的微氣候有影響。

3.2 ENVI-met 軟件

ENVI-met 是城市微氣候模擬工具，通過在軟件內搭建模型、設置參數(shù)，便可對設計環(huán)境的風向、污染物等數(shù)據(jù)進行檢測。通過ENVI-met 軟件，可以對設計場地進行模擬和對已建場地的改善策略探討。在2015年，秦文翠利用ENVI-met 軟件研究了地下空間和歷史街區(qū)的更新設計策略，到2019 年，已經(jīng)有對城市道路肌理進行的研究。

3.3 風環(huán)境

在本研究對象中，風環(huán)境作為氣候適應性的研究子方向，在2010 年與氣候適應性一起出現(xiàn)之后，發(fā)展為地區(qū)性研究，主要用來改善城市居住區(qū)的環(huán)境條件。在大多數(shù)微氣候研究中，溫度的降低或者升高是主要策略之一，風環(huán)境作為能被人體直觀感受的自然條件，在其觀念提出之后便有學者對此進行研究，研究成果也相對集中。

3.4 熱環(huán)境

熱環(huán)境是指由太陽輻射、氣溫、周圍物體表面溫度、相對濕度與氣流速度等物理因素組成，影響人的冷熱感和環(huán)境的健康。熱環(huán)境的評價與人的主觀感受有關，因此關于人體舒適度的研究在熱環(huán)境概念提出之后便有發(fā)表。熱環(huán)境與人們的生活環(huán)境密切相關，表現(xiàn)在居住區(qū)[7]的溫度研究，地表溫度和局部氣候的溫度變化上。上升到城市方面，體現(xiàn)在城市熱島、下墊面的研究上。

3.5 熱舒適

熱舒適[8]是人對周圍環(huán)境所做的主觀滿意度評價。一般情況下，可以直接采用熱舒適測試系統(tǒng)現(xiàn)場測試室內干球溫度、相對濕度、風速等熱環(huán)境參數(shù)，再結合以問卷方式和ASHRAE 的7 級熱舒適指標，調查記錄居民的熱感覺，也可以得出熱環(huán)境分布情況。由于人的個體差異，滿足所有個體熱舒適要求的熱環(huán)境是不可能存在的。因此任何室內氣候必須盡可能滿足大部分人群的舒適要求。人的主觀適應性可以被認為是產(chǎn)生實驗室研究和實地測試的結果差異的一個主要原因，因為這種適應性包括生理的適應性和行為的適應性。有關文獻就曾指出熱感覺的評判在很大程度上取決于人員背景和對環(huán)境的一種期望。所以，舒適性研究應該既有實驗室的實驗，又不能忽略實地的測試分析。他們認為建筑形式、氣候、種族等因素的差異可能造成世界各地人們在相同的熱環(huán)境中熱感覺不同，對熱舒適性的要求也不同。

3.6 數(shù)值模擬

在現(xiàn)在的微氣候研究中，實地測量雖然所得的數(shù)據(jù)直觀可靠，但是工作量非常巨大，在某些條件下難以滿足。所以在現(xiàn)在的研究中，利用計算機技術對場地條件進行模擬，在一定程度上可以代表實際的研究效果。除了對場地的測量外，利用數(shù)值模擬對設計場地進行研究也是非常可到的?，F(xiàn)在的數(shù)值模擬軟件分為CTTC（非計算流體力學）和CFD（計算流體力學）。不同的數(shù)值模擬軟件對小場地（例如城市道路）到城市形態(tài)和建筑因子進行模擬研究都提供了可行的研究途徑。

3.7 城市微氣候

城市是人類文明的重要組成部分，城市環(huán)境是居民生活的基礎。隨著城市化進程不斷推進，城市問題激增，人們對生活條件的把控越來越科學化，人們迫切需要一個適宜的生存環(huán)境。城市微氣候研究的是一個城市的微氣候對大氣候的影響。由外向內，微氣候研究直接與城市居民生活相關，郭立偉等[9]學者對城市環(huán)境進行研究，研究內容從大城市形態(tài)到城市建筑物。城市微氣候的相關研究從城市綠地到城市公園，研究對象越來越具體，從城市形態(tài)到城市街區(qū)，從研究人體舒適度到研究設計出適合人們生存相關的城市環(huán)境。

4 研究方向預測

表1 年度關鍵詞

通過對近10 年的文獻進行的共現(xiàn)分析和時區(qū)圖譜，研究熱點之間的聯(lián)系關系，探討微氣候將來的研究方向（見表1）。

4.1 地區(qū)性研究

通過對所選文獻的時區(qū)視圖可以看出，微氣候的研究在地區(qū)氣候上呈現(xiàn)出從北往南的趨勢。因為國內微氣候研究高校哈爾濱工業(yè)大學地處中國北方，所以在嚴寒地區(qū)微氣候研究較多（見圖6），研究方向為街區(qū)尺度下的熱舒適相關內容。而后另一所高校華南理工大學地處中國南方，所以研究地區(qū)變?yōu)闈駸岬貐^(qū)（見圖7），研究關注點為中尺度公園綠地和植物結構上。其他高校也對其校區(qū)所處的環(huán)境條件有所研究，但沒有哈爾濱工業(yè)大學和華南理工大學研究得那么具體。除了嚴寒地區(qū)和濕熱地區(qū)這種代表性地區(qū)氣候外，張超[10]和許亙昱[11]分別研究了夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的微氣候研究，研究內容從住宅外部環(huán)境到水體布局和綠化結構。到2019 年，研究地區(qū)性已經(jīng)延伸到局部地區(qū)（見圖8）。例如賴寒等[12]學者通過模擬軟件開始研究街區(qū)尺度下的微氣候和設計方向上的校園外部環(huán)境微氣候。綜上所述，對具有代表性的地區(qū)的微氣候探討也是研究的重點之一。

圖6 嚴寒地區(qū)時區(qū)圖（圖片來源：作者自繪）

圖7 濕熱地區(qū)時區(qū)圖（圖片來源：作者自繪）

圖8 局地氣候時區(qū)圖（圖片來源：作者自繪）

4.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬方面是微氣候研究的重要方面，微氣候的研究有時會受到場地自身的限制，不能實地進行改善條件的實踐。模擬軟件很大程度上緩解了這個問題，由于軟件自身的科學性也為學者研究提供了一定的理論支撐。ENVI-met 軟件作為數(shù)值模擬方向的代表研究軟件（見圖9）。如圖9 所示，ENVI-met 軟件成為微氣候研究的橋梁之一。數(shù)值模擬軟件除了ENVI-met 之外，還有CFD 模擬技術（見圖10）。CFD 模擬軟件在建筑因子模擬方面比ENVI-met 軟件更為科學。例如楊揚[13]提供了CFD 模擬探討優(yōu)化策略，研究居住區(qū)設計的最優(yōu)方案，在大范圍上研究城市空間形態(tài)?，F(xiàn)有的模擬軟件大概有7 種，來自不同的國家和學者，研究環(huán)境分為建筑、熱環(huán)境、光環(huán)境和聲環(huán)境。這些環(huán)境模擬軟件在一定程度上指導了生態(tài)城市建設和建筑設計。在城市形態(tài)上模擬建筑朝向，分析城市肌理特征，細化到城市街道的高寬比、建筑物表面、地面材質，以此來探究微氣候的最佳設計策略。

已經(jīng)推行的軟件也引起了學者的廣泛探討，如段艷文[14]等學者對模擬軟件的科學性存在爭議，由于軟件開發(fā)者的國籍和語言及所處背景環(huán)境不同，導致其他地區(qū)的學者來應用這些軟件有一定的困難。所以對于將來的數(shù)值模擬軟件來說，軟件本身的科學性是一方面，軟件本身的兼容性也是軟件推廣的亮點之一。所以將來如果出現(xiàn)一款本身兼容性高，操作簡單，建模計算功能全面，能夠協(xié)同使用的數(shù)值模擬軟件，必然會成為推動微氣候發(fā)展的動力。

4.3 熱舒適與城市設計

熱舒適是微氣候研究的衡量標準之一，熱舒適的判斷有人的主觀因素，受地區(qū)，年齡諸多要素影響。現(xiàn)在的熱舒適指標判定有2 種方式：一種是經(jīng)驗模型，例如黑球模型，通過測量黑球的溫度來判斷；另外一種是熱平衡模型，通過人體熱量平衡原理來測定。在現(xiàn)有文獻中，熱舒適多采用調查問卷的形式，這樣得到的數(shù)據(jù)直觀可靠，但過程繁瑣。除了熱舒適的判定，與之相對的熱環(huán)境研究也是微氣候研究熱點，但是現(xiàn)在研究進入到了細化環(huán)境階段。因為研究者多處于城市環(huán)境中，所以對城市環(huán)境的研究改善文獻占大多數(shù)。

在城市綠地的研究中，魯俊琪[15]發(fā)現(xiàn)公園綠地的植物搭配對微氣候有顯著影響，這些已經(jīng)發(fā)表的研究成果可以指導新綠地的建設。在已建成綠地中，吳云霄等[16]學者發(fā)現(xiàn)郁閉度大于0.6 的植物群里能明顯改善微氣候環(huán)境，同時在植物的選擇上，葉面積大、冠幅大的植物效果更好（見圖11）。

圖9 ENVI-met 時區(qū)圖（圖片來源：作者自繪）

圖10 cfd 模擬時區(qū)圖（圖片來源：作者自繪）

圖11 城市微氣候時區(qū)圖（圖片來源作者自繪）

圖12 熱環(huán)境時區(qū)圖（圖片來源:：作者自繪）

在廣場的設計中，因為廣場是人為設置的開放環(huán)境，改善微氣候環(huán)境，以保/增溫、避風、增濕為目的的設計策略為主。

街區(qū)方面，現(xiàn)有文獻的改善途徑有：通過分析空間內熱量傳遞的過程和特征進行人為調節(jié)，或者改善街區(qū)界面材質，降低空間的蓄熱能力，相關的還有優(yōu)化街區(qū)的空間形態(tài)，增加空間的散熱能力。在這個方向上還有對減少人工熱排放和增加街區(qū)內水體和綠地的空間分布的研究。

居住區(qū)的微氣候研究的重點方向。居住區(qū)的樹種選擇參考城市綠地的微氣候研究，在此基礎上，改善居住區(qū)內遮蔭條件也是策略之一（在向陽一側布置植物水體用以降溫）。此外，劉之欣等[17]學者研究不同植物的搭配效果，喬木和草地搭配效果大于灌木和草地。同濟大學的劉濱誼教授通過研究上海的住宅區(qū)，得出了微氣候與人群活動的關系（見圖12）。

5 結論

綜上所述，本研究認為微氣候的研究在將來會表現(xiàn)在以下3 個方向上：更加多樣性的地區(qū)微氣候研究，新型微氣候模擬軟件的開發(fā)，城市環(huán)境的熱舒適研究。在改善環(huán)境條件以取得微氣候效果的文獻中，大多是以降溫增濕、遮陽植樹為目的的設計策略，這在微氣候的大背景下是非常具體的研究成果，但仍存在其他細化條件有待發(fā)掘，如景觀元素與微氣候之間的相互作用機制研究等。