基于CiteSpace 圖譜分析的風(fēng)熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

文／朱吉奇 蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

趙曉龍 蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 教 授

王秀慧 蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 副教授（通訊作者）

引言

21 世紀(jì)以來(lái)，快速的城市化進(jìn)程引發(fā)了能源消耗激增，加劇了高溫等極端氣候頻發(fā)，嚴(yán)重影響著人居環(huán)境的質(zhì)量。由此，氣候適應(yīng)性議題引起了國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注。2009 年的哥本哈根聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)首次將應(yīng)對(duì)氣候變化作為全球性議題；2015 年《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第二十一次締約方大會(huì)在法國(guó)巴黎召開(kāi)，與會(huì)國(guó)家達(dá)200 多個(gè)，探討了國(guó)際氣候立法等問(wèn)題，并通過(guò)了《巴黎協(xié)定》。各國(guó)各級(jí)政府也積極出臺(tái)了相關(guān)政策行動(dòng)，提出了發(fā)揮城市空間規(guī)劃在應(yīng)對(duì)極端氣候中的重要作用，如英國(guó)的《國(guó)家適應(yīng)規(guī)劃》和德國(guó)的《適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略的行動(dòng)規(guī)劃》。我國(guó)在應(yīng)對(duì)氣候變化的問(wèn)題上也積極尋求與世界各國(guó)建立合作，如中美氣候智慧型低碳城市峰會(huì)、2017 年亞洲氣象大會(huì)等。另一方面相繼實(shí)施了《國(guó)家適應(yīng)氣候變化規(guī)劃（2014—2020）》《城市適應(yīng)氣候變化行動(dòng)方案》等政策行動(dòng)[1]。2020年9月的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，我國(guó)再次提出CO2排放爭(zhēng)取在2030 年前達(dá)到峰值，到2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

文章篩選了2009—2019 年與風(fēng)熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)相關(guān)的411 篇國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)為研究對(duì)象，借助CiteSpace 工具進(jìn)行了知識(shí)圖譜分析：結(jié)合國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)分析與學(xué)科共現(xiàn)分析，明晰了研究學(xué)科的分布情況；借助關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，辨析了從風(fēng)熱氣候效應(yīng)向人體舒適度轉(zhuǎn)變的研究熱點(diǎn)；利用文獻(xiàn)歸納法對(duì)相關(guān)研究技術(shù)方法進(jìn)行了梳理，提出了該研究領(lǐng)域要注重多學(xué)科合作、多技術(shù)協(xié)同以及多要素整合，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究協(xié)同，加強(qiáng)定量研究，促進(jìn)生態(tài)要素與物質(zhì)空間的整合。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 一次文獻(xiàn)篩選

首先基于科學(xué)引文檢索核心數(shù)據(jù)庫(kù)（WOS），將氣候適應(yīng)性（Climate adaptation）與城市設(shè)計(jì)（urban design）作為主題詞對(duì)2009 至2019 年的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，共獲取424 篇相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)其發(fā)文量可以發(fā)現(xiàn)，自2009年世界氣候大會(huì)以來(lái)，氣候變化越來(lái)越受到人們的重視（圖1）。利用CiteSpace 對(duì)這些文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞聚類后的時(shí)線視圖可以發(fā)現(xiàn)（圖2），2009—2019 年該領(lǐng)域最大的聚類標(biāo)簽為UTCI（通用熱氣候指數(shù)），該聚類下包含outdoor thermal comfort（室外熱舒適度）、urban heat island（城市熱島）、temperature（溫度）等關(guān)鍵詞，這些關(guān)鍵詞都與城市空間的熱環(huán)境相關(guān)。而熱環(huán)境又同時(shí)與風(fēng)環(huán)境息息相關(guān)[2]，由此可以判斷近年來(lái)風(fēng)熱氣候適應(yīng)性在總體氣候適應(yīng)中占據(jù)著重要地位。

圖1 2009—2019 年文獻(xiàn)發(fā)文量（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖2 氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)關(guān)鍵詞聚類（圖片來(lái)源：作者自繪）

1.2 二次文獻(xiàn)篩選

基于以上判斷，本文基于中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)以及科學(xué)引文檢索核心數(shù)據(jù)庫(kù)（WOS），分別將風(fēng)環(huán)境（Wind environment）、熱環(huán)境（Heat environment）、城 市 熱 島（Urban Heat Island）與城市設(shè)計(jì)（Urban design）配對(duì)作為主題詞，對(duì)2009 年至2019 年的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，共獲取411篇中英文相關(guān)文獻(xiàn)。

2 研究學(xué)科領(lǐng)域

研究利用CiteSpace 進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，通過(guò)學(xué)科共現(xiàn)分析研究了相關(guān)文獻(xiàn)的學(xué)科領(lǐng)域分布，共得到154 個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和716 條關(guān)系連線（圖3），并分別獲得出現(xiàn)頻次前10 名和中介中心性前10名的學(xué)科領(lǐng)域列表（表1、表2）。進(jìn)一步對(duì)其施引文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，其中相關(guān)研究以基礎(chǔ)研究居多，涉及領(lǐng)域包括氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)等，主要研究氣候變化的成因及其對(duì)各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生的影響；但建筑學(xué)、土木工程等學(xué)領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者更偏重應(yīng)用研究，主要聚焦于基于城市風(fēng)熱環(huán)境優(yōu)化的空間形態(tài)控制[3]、利于緩解城市熱島的土地利用方式[4]以及綠色空間格局等問(wèn)題[5]。

表1 出現(xiàn)頻次排名前10 的學(xué)科領(lǐng)域（表格來(lái)源：作者自繪）

表2 中介中心性排名前10 的學(xué)科領(lǐng)域（表格來(lái)源：作者自繪）

圖3 學(xué)科領(lǐng)域分布網(wǎng)絡(luò)圖譜（圖片來(lái)源：作者自繪）

3 研究熱點(diǎn)及前沿

3.1 研究熱點(diǎn)

通過(guò)CiteSpace對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，得到國(guó)際知識(shí)圖譜（圖4），節(jié)點(diǎn)大小與關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次呈正相關(guān)，由此可通過(guò)高頻關(guān)鍵詞發(fā)掘該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其中中心性較高的有熱島、城市、植被以及舒適度。從整體來(lái)看，城市熱島問(wèn)題、植被的微氣候效應(yīng)以及人體舒適度是該階段研究的焦點(diǎn)。

圖4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜（圖片來(lái)源：作者自繪）

分析發(fā)現(xiàn)國(guó)際研究熱點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面：（1）風(fēng)熱氣候效應(yīng)，如微氣候（microclimate）、熱島（heat island）、溫度（temperature）等；（2）影響風(fēng)熱氣候效應(yīng)的空間要素，如城市峽谷（street canyon）、植被（vegetation）、形態(tài)（geomery）等；（3）風(fēng)熱氣候感知，如室外熱舒適性（outdoor thermal comfort）、舒適度（comfort）等。

結(jié)合關(guān)鍵詞共現(xiàn)的時(shí)區(qū)視圖（圖5），可以發(fā)現(xiàn)2009—2012 年研究主要關(guān)注城市空間的風(fēng)熱氣候效應(yīng)，2013 年以后逐漸關(guān)注空間中人的熱舒適度，評(píng)價(jià)方式從客觀向主客觀結(jié)合轉(zhuǎn)變，凸顯了“以人為本”的理念。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)的時(shí)區(qū)視圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

3.2 研究前沿

研究前沿一般是該研究領(lǐng)域中最有發(fā)展?jié)摿Φ难芯恐黝}或方向，本文利用CiteSpace 的凸顯詞（Burst Detection）研究詞頻變動(dòng)趨勢(shì)以發(fā)掘研究前沿（圖6），發(fā)現(xiàn)2009 年以來(lái)相關(guān)研究可分為三個(gè)階段：2009-2012 年研究主要關(guān)注城市風(fēng)熱環(huán)境對(duì)建筑能耗的影響；2013—2015 年更多關(guān)注城市風(fēng)道的構(gòu)建以及城市熱島的緩解策略；2016 年至今逐漸重視城市室外空間的熱舒適性。

圖6 凸顯詞的變化圖譜（圖片來(lái)源：作者自繪）

4 研究技術(shù)與方法

相關(guān)學(xué)者對(duì)風(fēng)熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)的研究可分為數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)分析兩部分，目前數(shù)據(jù)獲取方式有地面氣象觀測(cè)與遙感反演，分析方法有物理模擬法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以及數(shù)理分析方法（表3）。

表3 主要研究技術(shù)方法（表格來(lái)源：作者自繪）

地面氣象觀測(cè)可分為固定氣象站觀測(cè)以及便攜式氣象儀觀測(cè)兩類。固定氣象站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市不同區(qū)域的氣候環(huán)境，卞韜[6]、何萍[7]等通過(guò)市區(qū)與城郊?xì)庀笳镜臄?shù)據(jù)對(duì)比，研究了城市熱島強(qiáng)度的時(shí)空變化特征。然而隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大、氣候影響因素的增加以及氣象站數(shù)量少、分布不均的問(wèn)題，僅僅依靠氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確地描述當(dāng)代城市的熱環(huán)境。近年來(lái)趙亞芳[8]等通過(guò)結(jié)合氣象站、遙感反演以及數(shù)值模擬的方式拓展了城市的風(fēng)熱環(huán)境研究方法。而便攜式氣象儀觀測(cè)主要用于街區(qū)和場(chǎng)地尺度的研究中，根據(jù)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)可分為長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)、季節(jié)定點(diǎn)觀測(cè)以及短時(shí)定點(diǎn)觀測(cè)3 種方式。針對(duì)帶狀空間與圓形空間，朱春陽(yáng)[9]、劉濱誼[10]分別通過(guò)網(wǎng)格布點(diǎn)法和梅花樁布點(diǎn)法測(cè)量了場(chǎng)地的微氣候。在此基礎(chǔ)上，趙曉龍[11]等拓展了可用于城市步行街道等線型空間微氣候研究的移動(dòng)測(cè)量法。隨著地理信息技術(shù)以及遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感反演多被用于研究城市尺度的風(fēng)熱環(huán)境與城市空間形態(tài)的關(guān)聯(lián)性[12]。

數(shù)據(jù)分析包括物理模擬法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以及數(shù)理分析三類。物理模擬法主要是風(fēng)洞試驗(yàn)，一般用于分析中小尺度城市空間的風(fēng)環(huán)境。如王成剛[13]等研究了不同布局方式對(duì)高密度建筑群風(fēng)環(huán)境的影響；Tsang[14]等評(píng)估了高層建筑周邊的風(fēng)環(huán)境特征。但由于造價(jià)高、邊界條件制約等局限性，風(fēng)洞試驗(yàn)在近年城市風(fēng)環(huán)境研究中使用較少。數(shù)值模擬利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)學(xué)或物理模型對(duì)場(chǎng)地氣候進(jìn)行模擬，通過(guò)調(diào)控各種影響因素來(lái)驗(yàn)證其影響程度。常用的數(shù)值模擬軟件有Fluent、ENVI-MET、Phoenics 等，可用于模擬復(fù)雜環(huán)境中的氣流和熱交換等問(wèn)題。Angeliki[15]通過(guò)Fluent軟件模擬不同室外風(fēng)熱環(huán)境對(duì)城市行人熱舒適性的影響；Fahmy[16]、Ghaffarianhoseini[17]等用ENVI-met 軟件模擬了不同地區(qū)開(kāi)放空間的熱環(huán)境，定量分析了不同城市設(shè)計(jì)要素的影響。數(shù)理分析方面，使用較多的有相關(guān)性分析以及回歸分析，袁超[18]通過(guò)參數(shù)分析的方法探討了建筑密度和建筑高度與天空視域因子間的相關(guān)性；張順堯[19]通過(guò)對(duì)室外微氣候?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析以及回歸分析，驗(yàn)證了場(chǎng)地微氣候與場(chǎng)地圍合度因素顯著相關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)及展望

利用CiteSpace 對(duì)2009—2019 年國(guó)內(nèi)外風(fēng)熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，探究了主要學(xué)科領(lǐng)域以及空間分布，辨析了研究熱點(diǎn)和前沿。研究發(fā)現(xiàn)，該研究領(lǐng)域仍然存在著諸如學(xué)科交叉性弱、量化研究較少等問(wèn)題，因此本文在此基礎(chǔ)上提出今后該領(lǐng)域研究中需要關(guān)注的幾個(gè)方面。

5.1 多學(xué)科合作，基礎(chǔ)與應(yīng)用研究協(xié)同

氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)是以城市設(shè)計(jì)為立足點(diǎn)與城市氣象學(xué)的交叉研究。從前期的氣候數(shù)據(jù)收集與分析、中期的規(guī)劃設(shè)計(jì)到后期的風(fēng)熱效益評(píng)估，學(xué)科交叉研究應(yīng)當(dāng)貫徹氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。我國(guó)對(duì)城市風(fēng)熱適應(yīng)性研究的起步較晚，加強(qiáng)學(xué)科交叉有助于拓展研究的廣度與深度?，F(xiàn)階段該領(lǐng)域基礎(chǔ)研究較多，為應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，考慮到城市所處氣候區(qū)不同，有必要提出因地制宜的風(fēng)熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)策略。

5.2 多技術(shù)協(xié)同，采取定量化研究

當(dāng)今研究的主要手段包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬以及遙感反演?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)作為傳統(tǒng)的氣候測(cè)量方面具有客觀真實(shí)的特點(diǎn)，但同時(shí)也有著耗時(shí)、易受干擾等局限性。與傳統(tǒng)方法相比，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬具有省時(shí)省力、不易受干擾等優(yōu)勢(shì)。因此，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合可獲得不同空間尺度的風(fēng)熱環(huán)境數(shù)據(jù)，在定性研究的基礎(chǔ)上拓展定量分析，對(duì)風(fēng)熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計(jì)具有重要意義。

5.3 多要素協(xié)同，生態(tài)要素與物質(zhì)空間整合

城市建成環(huán)境由物質(zhì)空間與生態(tài)空間兩部分組成，雖然現(xiàn)階段對(duì)建成環(huán)境與城市氣候之間關(guān)系的研究成果較多，然而這些研究大都受到自身學(xué)科的限制，研究的視角單一。隨著學(xué)科交叉的深入，必須要建立一種整體性視角，統(tǒng)籌考慮，使生態(tài)空間與物質(zhì)空間更好地整合，以此改善城市風(fēng)熱環(huán)境。