中國城市戶外微氣候研究進展與展望

吳 祎 孫梅霞 郭蘇明*

（1.南京林業(yè)大學風景園林學院，南京 210037；2.南京市市政設計研究院有限責任公司，南京 210037）

城市戶外微氣候研究在提升人居環(huán)境舒適度、生態(tài)節(jié)能等方面具有重要意義，近年來已成為研究熱點?；谖墨I計量統(tǒng)計與內(nèi)容分析，結合CiteSpaceⅢ軟件對中國城市戶外環(huán)境領域的微氣候研究文獻進行計量分析，可知城市微氣候研究的主題聚集在數(shù)值模擬、氣候適應性、舒適度等方面，梳理文獻來源概況、研究歷程、空間概況、研究熱點等內(nèi)容進一步評析?；谖墨I綜述，按照研究對象在城市中的空間類型分為城市公園、城市廣場、步行街道、居住區(qū)空間、高校校園以及古典園林6種進行分析研究內(nèi)容的異同與趨勢。最后結合當前研究的特點與不足提出以人為核心提升公眾認知與行為研究、以多尺度視角拓展研究的時空范圍、以鄉(xiāng)村振興理念推動鄉(xiāng)村微氣候發(fā)展的三項建議。

城市戶外；微氣候；文獻計量分析；研究進展；展望；綜述

近年來，極端氣候多發(fā)，城市中由過多的硬質(zhì)下墊面及不合理的綠地配置等因素產(chǎn)生的熱島效應進一步降低了城市環(huán)境舒適度[1]，對居民健康產(chǎn)生了威脅，對空調(diào)等制冷設備的需求提升將導致更高的能源消耗并影響室外環(huán)境[2]。在全球氣候問題嚴峻的當下，城市微氣候成為熱點話題。微氣候是局部小范圍空間環(huán)境的氣候條件，包括氣溫、空氣濕度、風速、日照輻射等因子，對現(xiàn)代城市環(huán)境具有重要意義。在提升人居環(huán)境舒適方面，城市戶外環(huán)境的溫度與人的健康息息相關，影響著人體舒適度的主觀感受；從生態(tài)節(jié)能方面，研究微氣候，提高場地適應性，應對氣候變化的不確定性[3]能達到提升熱舒適度并降低城市能耗的目的。

文章基于文獻計量統(tǒng)計與內(nèi)容分析，對當前國內(nèi)城市戶外微氣候的眾多研究文獻進行梳理。文獻計量統(tǒng)計部分采用CiteSpaceⅢ軟件系統(tǒng)地梳理相關研究文獻的來源概況、研究歷程、研究主題熱點。內(nèi)容分析采用文獻綜述法對當前國內(nèi)城市戶外微氣候的眾多研究文獻進行梳理，闡明當前研究的方法與原理、重點研究方向等，并指出當前研究現(xiàn)狀及存在問題，以期能對國內(nèi)相關研究工作提供參考。

1 城市戶外微氣候相關研究概述

1.1 研究文獻來源

本研究以《中國期刊網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫》《維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫》《萬方數(shù)據(jù)庫資源系統(tǒng)數(shù)字化期刊》為統(tǒng)計源，文獻檢索的主題、篇名、關鍵詞與摘要均為“微氣候”，4者關系為“或者”，檢索時間起始自1981年1月1日，截至2019年9月30日，不分期刊級別進行全源檢索，共命中6 756條結果，篩選出與城市戶外環(huán)境有關的文獻共計670篇文獻，作為有效樣本進行分析。

1.2 研究歷程

從研究文獻歷年數(shù)量、增長趨勢來看，城市戶外微氣候研究可以分為4個階段：萌芽階段、緩慢發(fā)展階段、快速增長階段與成熟發(fā)展階段（圖1），且研究數(shù)量激增的年份與所處的時代背景與政策環(huán)境有著明顯的相關性。

圖1 城市戶外微氣候研究歷年文獻數(shù)Fig.1 Number of documents on urban outdoor microclimate research over the years

萌芽階段（2004年及以前）：國內(nèi)城市戶外微氣候研究起源于環(huán)境科學、城市規(guī)劃和建筑設計等領域?qū)＜业难芯俊＿@一時期研究文獻發(fā)文數(shù)量少，發(fā)文頻次呈現(xiàn)緩慢增長的態(tài)勢。學者們關注的內(nèi)容大都集中在微氣候舒適度評價、驗證城市綠地對微氣候的調(diào)節(jié)作用。研究方法多是建立在戶外熱舒適評價的數(shù)學模型、綠地對微氣候影響的實測驗證。1994年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的簽署，是第一次將氣候變化目標作為發(fā)展的要求，同年中國頒布的《中國二十一世紀議程》提出適應氣候變化的概念，該年國際和國內(nèi)政策的發(fā)布對于1995年城市微氣候研究數(shù)量有著顯著提升作用。

緩慢發(fā)展階段（2005 - 2010年）：這一階段發(fā)文頻次呈現(xiàn)波動式緩慢增長的態(tài)勢，每年發(fā)文數(shù)量在185篇附近波動。相關研究內(nèi)容主要以戶外景觀元素對微氣候的影響，及微氣候與城市設計的關聯(lián)性研究為主。2007年，中國政府發(fā)布了《中國應對氣候變化國家方案》，這是中國第一部也是發(fā)展中國家的第一部針對氣候變化所出臺的方案，使得該年國內(nèi)對城市戶外微氣候研究的數(shù)量激增，達到了前后數(shù)年內(nèi)的峰值。

快速增長階段（2011 - 2016年）：這一階段的文獻數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。從研究內(nèi)容來看，學者們的關注點在微氣候調(diào)節(jié)規(guī)劃、景觀設計策略、環(huán)境要素對微氣候物理因子的影響，以及探索微氣候適應性策略。期間，國家連續(xù)6年發(fā)布了關于應對全球氣候變化的文件，例如2013年的《國家適應氣候變化戰(zhàn)略》和2014年的《國家應對氣候變化規(guī)劃（2014 - 2020）》等，使得相關研究在這個階段達到快速增長，且更注重將研究結論應用于實際，探索具體應對策略。

成熟發(fā)展階段（2017 - 2019年）：從發(fā)文頻次時間分布看，2017年以后學者們對城市戶外微氣候的研究較為成熟，發(fā)文頻次趨于高頻穩(wěn)定狀態(tài)，每年發(fā)文文獻數(shù)大于500篇。研究內(nèi)容多從空氣污染物、景觀元素、環(huán)境因子等多元角度出發(fā)，重點分析不同因素的優(yōu)化對改善微氣候環(huán)境的作用。從微氣候的研究歷程可以看出，這一時期城市更新與人們?nèi)找嬖鲩L的城市戶外環(huán)境改善需求是微氣候研究發(fā)展的主推動力。

1.3 研究空間概況

以第一作者為統(tǒng)計源，文獻作者單位出現(xiàn)頻次較多的有哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、西南交通大學、同濟大學、清華大學等。分析哈爾濱工業(yè)大學的相關論文，其研究對象集中在嚴寒地區(qū)的微氣候適應性，華南理工大學則較多關注濕熱地區(qū)及嶺南傳統(tǒng)園林中的微氣候（圖2）。從作者單位所在行政區(qū)空間分布來看，發(fā)文次數(shù)為黑龍江最多，廣東省、四川省與上海市其次；北京市、湖北省、陜西省、江蘇省則較少。研究力量在地域上形成了以黑龍江省、廣東省、四川省、上海市為主力，北京市、湖北省、陜西省、江蘇省為助力的格局。以建筑氣候區(qū)的視角來分析其原因，研究空間以中國北部嚴寒地區(qū)和南部夏熱冬暖地區(qū)為主，這兩個典型的氣候區(qū)在冬季和夏季的熱環(huán)境和舒適度欠佳，研究分別注重冬季抗寒保溫和夏季通風降溫問題。

圖2 研究文獻發(fā)文空間概況Fig.2 Overview of research literature publication space

1.4 研究主題熱點

采用CiteSpaceⅢ軟件，使用關鍵路徑Pathfinder算法，繪制出670篇有效文獻的主題與趨勢關系及文獻共詞演化圖譜。分析前沿主題與趨勢關系圖譜（圖3），城市戶外微氣候研究的主題聚集在數(shù)值模擬、氣候適應性、舒適度、夏季、溫度、景觀要素、城市公園、風速、建筑布局、空間形態(tài)、熱舒適、城市綠地、植物群落、江南古典園林和居住區(qū)中（主題詞出現(xiàn)頻率≥5）。共詞分析法利用文獻集中詞匯對或名詞短語共同出現(xiàn)的情況，來確定該文獻集所代表學科中各主題之間的關系，值得注意的是，在微氣候研究文獻共詞演化圖譜（圖4）中，熱舒適、行為活動以及歷史街區(qū)這三個主題與其他內(nèi)容具有較高的共現(xiàn)率，但尚未在研究熱點圖譜中體現(xiàn)，可視為研究的潛在熱點問題。

圖3 文獻研究前沿主題與趨勢關系圖譜Fig.3 Graph of the relationship between frontier topics and trends in literature research

圖4 研究文獻共詞演化圖譜Fig.4 Research on the evolution graph of co-word in literature

2 城市戶外微氣候研究方法

采用Excel軟件對670篇文獻研究方法進行統(tǒng)計分析，研究方法主要涉及實地測量法、模擬試驗法、問卷調(diào)查法、數(shù)理統(tǒng)計法等。研究方法的具體內(nèi)容、研究原理、操作要點、方法的優(yōu)點與不足詳見表1。

表1 重要文獻研究方法對比Tab.1 Comparison of research methods for important literature

3 城市戶外微氣候研究空間類型

基于共詞演化圖譜，結合文獻系統(tǒng)分析，以研究對象進行劃分，現(xiàn)有研究主要集中在城市公園、城市廣場、步行街道、居住區(qū)空間、高校校園、古典園林6類空間類型中（表2）。

表2 針對不同空間類型的主要研究及結論Tab.2 Main research and conclusions for different spatial types

3.1 城市公園

國內(nèi)對城市公園微氣候的研究主要涉及微氣候影響要素、人體熱舒適感受、人群行為的分析。相比較街道、廣場等其他城市戶外空間，研究者普遍認同的是公園內(nèi)的植物要素具有減少太陽輻射、降溫增濕的調(diào)節(jié)作用[4-5]，因此對公園微氣候的研究較多著眼于對植被、綠化對微氣候的優(yōu)化作用[6-7]。此外，在有關人體舒適度感受與人群行為的研究報告中，熱舒適環(huán)境的提升能夠有效提高人們休閑活動的體感舒適度，溫度因子對人體舒適感受影響最大，其次是相對濕度和風速[8]。

3.2 城市廣場

涉及城市廣場的研究集中在微氣候影響因素、舒適度指標、廣場空間形態(tài)問題的探討中。廣場相比較別的城市戶外空間植被覆蓋更少，更加空曠，學者們大都認為廣場朝向、廣場高寬比（H/W）、天空視覺因子（SVF）對廣場微氣候環(huán)境影響顯著[9-10]。劉偉毅[11]認為夏熱冬冷地區(qū)城市廣場普遍存在廣場布置對周圍建筑界面缺乏日照分析、鋪裝導熱系數(shù)較高等問題影響廣場的微氣候效應，并提出應對策略。

3.3 步行街道

街道朝向、街谷高寬比、斷面形式、天空可視域、植被分布、鋪裝是影響街道熱環(huán)境及行人熱舒適的重要因子。鄧寄豫[12]認為SVF對室外氣溫起主要的影響作用。胡悅華[13]研究表明，建筑圍合形式及其街旁建筑高度與街道寬度比值、植被陰影覆蓋對空間平均輻射溫度影響較大。由于街道中兩側建筑相對固定，因此有大量研究針對行道樹展開研究，利用行道樹控制SVF，探索具有更好微氣候效應的種植模式[14-15]。

3.4 居住區(qū)

綠色植被、建筑布局形式對微氣候效應的影響是居住區(qū)微氣候研究領域的主要內(nèi)容。住區(qū)環(huán)境是與城市居民生活最息息相關的公共空間。針對植被因素，研究者認為居住區(qū)綠地的溫濕度調(diào)控能力主要來自喬木[16-17]。建筑對住區(qū)微氣候的營造尤為重要，在建筑布局層面，研究學者認為建筑形式、建筑布局、建筑密度、建筑寬高比、建筑朝向、天空視圖因子是影響居住區(qū)微氣候的重要因素[6,18-20]。鄔尚霖等[21]認為優(yōu)化建筑界面形態(tài)能夠提高街谷風環(huán)境；陳珂珂等[22]探討了不同綠化和建筑布局對居住區(qū)內(nèi)部氣溫與風速的影響。

3.5 高校校園

在高校校園領域，微氣候研究主要關注綠化設施對微氣候的調(diào)節(jié)和人體熱舒適的研究，學者們從微氣候改善策略出發(fā)，提出相關理論。高校校園和居住區(qū)的小尺度綠地具有一定相似性，都受到建筑圍合形態(tài)的影響較大，但校園環(huán)境比住區(qū)承載更多人流，在微氣候環(huán)境改善方面要考慮人流、通行等問題[23]。

3.6 古典園林

古典園林的空間形態(tài)、建筑形式、水系特征、植物配置、場地地勢與微氣候的關聯(lián)性是學術界關注的重點。探究古典園林中的微氣候?qū)τ诶斫夤糯靾@智慧與啟示現(xiàn)代公園設計有重要意義。李慶華等[24]重點分析了園林中植物景觀在種植方式、生長方式及精神立意上營造微氣候的方式；張順德[25]研究了造園要素與微氣候的調(diào)控關系；薛思寒等[26]量化研究傳統(tǒng)嶺南庭園的氣候適應性特征，提取4個具有代表性的類型化庭園空間，從郁閉度、水面積比例、景觀建筑方位、喬木組織方式、圍合建筑開口位置、庭院空間比例等方面較為全面地分析了傳統(tǒng)嶺南庭園空間的氣候適應性特征，熊瑤等[27]歸納了各要素密度、布局形式、要素組合方式對古典園林微氣候的影響。

4 小結

從時間進程來看，國內(nèi)城市戶外微氣候研究呈快速增長態(tài)勢，相關研究已經(jīng)初顯豐富。從研究內(nèi)容來看，以下三個方面的成果相對豐富：（1）城市風景園林設計要素對城市戶外微氣候的影響關系總結；（2）利用數(shù)值模擬的數(shù)字化技術對微氣候熱舒適環(huán)境進行預測和分析；（3）從熱舒適度的角度探討城市戶外環(huán)境的改善提升。

然而，現(xiàn)有研究也存在以下不足之處：（1）目前公眾對微氣候設計需求的認知很少；（2）研究內(nèi)容并未廣泛應用到城市規(guī)劃設計領域，宏觀視角下的整體城市微氣候調(diào)控；（3）目前的研究視角多致力于城市，相關研究還沒有廣泛應用到鄉(xiāng)村小氣候環(huán)境營造和發(fā)展模式之中。

因此，在總結與參考眾多研究文獻基礎之上，本文認為研究領域可在以下問題中重點展開與完善：（1）如何在微氣候?qū)嶋H規(guī)劃設計中提高公眾參與性？（2）如何拓寬研究視角？（3）如何將較為成熟的城市研究成果更契合地應用于鄉(xiāng)村研究中？

5 研究展望

5.1 以人為核心提升公眾認知與行為研究

景觀設計原則之一是以人為本，如何提升公眾對小氣候研究的認知并對其提出設計需求，具有一定研究價值。由于城市戶外溫度、風速、相對濕度等環(huán)境因子復雜多樣以及公眾個體的風俗習慣、文化背景、衣服熱阻值等差異性，人體舒適度評價復雜。完善人體熱舒適度評價體系應當拓寬思路和視野：（1）相關文獻研究不僅要關注環(huán)境因素的影響，還應進一步探討小氣候舒適度對人的行為的影響；（2）實驗時間可以延長，進一步研究城市微氣候在不同月份、季節(jié)對人體舒適度的影響；（3）針對非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的舒適度的研究。

5.2 以多尺度視角拓展研究的時空范圍

國內(nèi)已有大量文章分析城市不同戶外空間的微氣候，但是研究內(nèi)容較少涉及到中尺度的范圍，在一定程度上限制了研究視角的多樣性和側重點。今后研究應更充分地挖掘城市規(guī)劃中的建筑布局、特定高度空間區(qū)域、用地類型、通風廊道等因素對于局地微氣候的影響。應加強長時間尺度范圍的研究，不僅應涉及夏季、冬季等典型或極端氣象條件的研究，還應涉及長時間和周期化的微氣候研究。綜合考慮不同地域、不同氣候條件下全年、四季、跨月度等長時間范圍的分析，完善時間序列上的動態(tài)性分析[28]。

5.3 以鄉(xiāng)村振興理念推動鄉(xiāng)村微氣候的發(fā)展

目前國內(nèi)微氣候研究主要針對城市地區(qū)，鄉(xiāng)村微氣候相關學術研究處于起步階段。由于城鄉(xiāng)地域性、物理環(huán)境因素的差異性，城鎮(zhèn)相關分析與評價研究不能適用于鄉(xiāng)村地區(qū)，因此鄉(xiāng)村微氣候的分析是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。微氣候的研究今后應和鄉(xiāng)村振興理念相結合，利用鄉(xiāng)村景觀基因理論[29]，判別人居環(huán)境景觀基因圖譜與微氣候之間的耦合關系，并進行數(shù)字化分析，為后續(xù)人居環(huán)境營建提供科學基礎。其次，鄉(xiāng)村微氣候研究與可現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術相結合，通過研究不同產(chǎn)業(yè)、不同類型的農(nóng)業(yè)微氣候特征，探究在何種模式和配置下，能夠降低能耗、營造適宜的微氣候條件，實現(xiàn)鄉(xiāng)村可持續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。最后，鄉(xiāng)村微氣候應與數(shù)字景觀相結合，順應信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的特征，結合鄉(xiāng)村環(huán)境大數(shù)據(jù)，科學營造出舒適的鄉(xiāng)村微氣候。

注：文中圖表均由作者自繪。