城市人居環境小氣候研究綜述

朱蕊蕊 張曉彤 劉亦斌 從裕 楊蕾 高偉俊

收稿日期：2020-10-14

*基金項目：山東省自然科學基金青年項目“基于多源數據融合的城市公園植物空間小氣候調控機理及優化模式構建研究”

（ZR2020QC172）;青島理工大學濱海人居環境學術創新中心開放課題“低能耗背景下居住區綠地的小氣候效

應及公共健康效益協同優化研究”（C2020-038）

第一作者：朱蕊蕊（1985- ），女，博士，講師，碩士生導師，研究方向為風景園林規劃設計及理論、風景園林小氣候、風

景園林與健康。E-mail：zhuruirui@qut.edu.cn

摘要：小氣候作為城市人居環境相關學科研究的重要領域，研究體系龐雜且與多學科交叉融合。文章以2008—2020年Web of ScienceTM核心合集數據庫檢索到的6304篇小氣候英文文獻為研究對象，利用CiteSpace5.6.R2科學知識可視化圖譜軟件對文獻進行分析，旨在為風景園林、建筑技術、城鄉規劃、生態環境、能源學等領域的科學研究提供理論依據和方法指導。結果表明，小氣候英文文獻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、無人機輔助紅外熱像等方面，研究前沿為平均輻射溫度、空氣質量、氣流縱橫比、城市健康、能量效率、城市排放、氣候適應性設計和規劃策略等。

關鍵詞：小氣候，人居環境，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年底統計數據顯示，全球約54%的人口生活在城市中[1]。城市人居環境的不斷惡化和熱島效應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，嚴重威脅著城市居民的健康[2]。如何改善城市人居環境使其更適宜居住是人居環境相關學科需要面對的問題。

城市人居環境作為人們日常生活的重要場所，必須保證其小氣候適宜人們的生理、心理以及社會需求[3]。城市人居環境小氣候主要是指在城市內部，城市環境由于其下墊面不同于其他環境而產生的特殊小氣候，是在地形、植物、水體、鋪裝等設計要素的影響下形成的小氣候類型[4]。良好的城市人居環境作為人們休閑娛樂、體力活動、社會交往的重要空間載體，應提供適宜的小氣候，通過影響溫度、風、濕度、空氣質量、風景質量和動植物多樣性等改善人體熱舒適、激發戶外活動，進而全面促進城市居民的健康和福祉。

筆者系統梳理Web of Science人居環境小氣候研究進展，選取與城市人居環境學科密切相關的室外熱舒適聚類展開論述，并對重要核心文獻進行分析，以期為下一步的科學研究提供基礎理論參考。

1 研究方法

采用文獻計量學理論和信息可視化技術對Web of Science核心庫檢索到的2008—2020年小氣候相關研究的論文，分別從研究主題、關鍵詞、學科分布、出版物來源、文獻共被引分析與耦合分析、科研合作網絡分析、共詞分析、國家地區分布、研究機構等方面進行客觀和可視化統計分析，以期直觀、清晰、多角度地展示小氣候研究現狀和發展動態，從而為相關研究提供理論基礎和參考依據。以Web of Science TM核心合集為數據源，檢索式為：TS=microclimate，時間跨度為2008—2020年，檢索文獻類型為能夠充分反映主題的研究特征和發展趨勢的論文，檢索時間為2020年9月27日，共檢索到6 304篇英文文獻。

運用可視化軟件CiteSpace5.6.R2和VOSviewer1.6.13對6 304篇文獻進行共被引分析[5-6]。參數設置為：時間范圍2008—2020年，一個時間切片為2年;主題詞來源選擇題目、摘要、作者、關鍵詞;節點類型為共被引文獻（Cited reference）;網絡連強度計算選擇Cosine算法;Selection Criteria選擇提取每個時間切片中前10%的對象，每個時間切片內選定項目的最大數為50;可視化模式選擇為靜態，并顯示合并網絡，網絡不使用裁剪方法。按照以上參數設置點擊“GO”運行軟件后，得到文獻共被引網絡;在此基礎上，通過聚類算法對共被引網絡進行聚類，采用LLR對數似然率算法（Log-likelihood Ration）選取排名靠前的標題詞作為聚類標簽。

2 小氣候研究的特征分析

2.1 研究規模和影響力

發文量通常作為衡量某一主題研究規模的重要指標，被引頻次可以在一定程度上反映研究的影響力。本文通過對發文量和被引頻次2個指標的統計分析，結果表明：論文發文量和被引頻次隨著時間變化呈現增長趨勢，其中發文量由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注（圖1）。

2.2 研究方向

小氣候研究是一個多學科交叉的研究領域。根據統計結果，6 304篇論文涉及85個研究方向，主要集中在9個方向，即生態環境科學（Environmental sciences ecology）、農學（Agriculture）、工程學（Engineering）、林學（Forestry）、植物科學（Plant sciences）、建筑技術（Construction building technology）、氣象大氣科學（Meteorology atmospheric sciences）、能源學（Energy fuels）、生物多樣性保護（Biodiversity conservation）。由于生態環境科學方向（含風景園林與城市環境方向）的論文數最多，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域的主要方向。

2.3 研究的國家或地區

對研究國家或地區進行分析，結果發現6 304篇文獻分布在136個國家或地區，其中美國處于最核心的位置，發文量為1 587篇，占本次文獻檢索總量的25.83%;我國排名第二，發文量為676篇，占比10.72%，僅在2016—2019年，我國發文量就有430篇，占2008年以來總發文量的63.61%。可見，近5年來，我國小氣候研究英文論文產出急劇增加，相關領域研究引起了國內學者的廣泛關注并進入跨越式發展階段，預期未來幾年仍將持續增加。

3 小氣候研究共被引聚類分析

按照上文參數設置進行文獻共被引聚類分析，結果得到節點數為273、連接線為1 139、網絡密度為0.030 7的文獻共被引網絡，網絡聚類后得到13個共被引聚類，其模塊化程度值為0.685 6，網絡輪廓值為0.464 5，表明整個文獻共被引網絡的聚類結果良好，能夠清楚劃分并得出具體聚類。

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

分別使用論文題目、關鍵詞、研究領域作為提取標簽進行聚類得出共被引網絡圖譜（圖2）。如圖2所示，文獻的關鍵詞聚類標簽分別為室外熱舒適、氣象數據、溪流溫度、邊緣效應、無人機輔助紅外熱成像、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的標題聚類為ENVI-Met模擬軟件，說明ENVI-Met模擬軟件在室外熱舒適領域的廣泛應用。文獻所屬研究領域主要有生態學、土壤學、林學、綠色可持續發展技術、園藝學、動物學、植物科學，說明小氣候在多學科領域具有豐富的研究成果。

4 室外熱舒適聚類重要核心文獻分析

立足于人居環境視角，選取與人居環境相關學科密切相關的#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系。CiteSpace菜單中Centrality的含義為中介中心性（Betweenness Centrality），是測度節點在網絡中重要性的一個指標，使用該指標可以發現和衡量文獻的重要性，并用紫色圈對該類文獻進行重點標注。具有高中介性的文獻通常是連接2個不同領域的關鍵樞紐，在CiteSpace中也稱其為轉折點（Turning points）[4]。通過對文獻節點信息的進一步研究，發現有22篇文獻的中介中心性大于0.02，有20篇文獻共被引頻次大于40次，有34篇文獻的Sigma值大于1，這些文獻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模擬軟件的應用

10篇核心文獻中有7篇與ENVI-met模型有關，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境小氣候領域應用的廣泛性。

在ENVI-met模型模擬準確性驗證方面，Yang XS等[10]在我國廣州的一個實際建成項目中，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測數據對ENVI-met模型模擬的準確性進行評價，結果表明，ENVI-met 4.0能夠很好地預測不同變量下的小氣候，具有較高的準確性。Ferdinando Salata等[15]重點研究了ENVI-met求解方程輸入參數的評估，將不同微氣象變量和預測平均投票（PMV）的輸出數據、現場測量的實驗值進行了比較，通過對測定系數、均方根誤差和威爾莫特一致指數的分析，驗證了該軟件對空氣溫度和平均輻射溫度的預測能力，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果更可靠，最后對該軟件的最新版本進行了測試，并在結論中提出了在ENVI-met中進行模擬的一般程序。

不同城市形態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，研究結果表明，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。Mohammad Taleghani等[9]利用ENVI-met模擬室外空氣溫度、平均輻射溫度、風速和相對濕度，結果表明，不同密度的建筑模型提供了不同的熱環境，受城市形態影響的直接太陽持續時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模型參數模擬研究，用現場測量進行驗證，模擬了33種不同因素組合的情況。研究結果表明，適當的綠化可以改善城市小氣候，降低夏季城市空氣溫度，當建筑物覆蓋率設定為44%、樹木覆蓋率大于城市總土地面積的1/3時，可以產生約1k的冷卻效果;樹木的降溫效果明顯優于草地，且植樹的位置應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激的影響。在典型熱浪日對弗里堡住區內4種不同類型的綠地進行了模擬，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激反應的效果進行量化。研究還從城市人類-生物氣象學角度提出了綠地設計的建議。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變量對地中海氣候城市大氣溫度和室外熱舒適的影響。結果表明，地面和屋頂綠化有很好的夏季降溫效應，并能降低室內冷卻負荷需求，提高室外舒適性;城市地區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;在大多數情況下，較高的密度會導致較高的溫度，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。

綜上所述，ENVI-met能夠全面考慮城市形態、景觀類型、建筑密度、植被覆蓋、空間布局、地表材質、太陽輻射等多種因素;模擬不同空間小氣候環境并加以預測和分析，以其便捷性、經濟性作為實測法的有效補充，在人居環境小氣候的模擬研究中具有不可替代的優勢。

4.2 城市綠化改善人體熱舒適效益的量化

10篇核心文獻中的3篇均為城市綠化在改善人體熱舒適方面所發揮功效的量化研究。 Limor Shashua-Bar等[7]在2個半封閉的城市空間中，采用成熟樹木、草地、架空遮陽網和鋪裝等多種組合測試了植被對熱干旱地區人體熱應力的影響。結果表明，遮蔭樹木和草地覆蓋相比于架空遮陽網和鋪裝，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，在所實驗的時段均能營造相對舒適的戶外環境。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境熱舒適方面呈現出較高的發展潛力和前景，并介紹了城市尺度下2種技術研究的最新進展。Dayi Lai等[14]通過對小氣候的監測和對天津風湖公園使用者的訪談，研究公園內不同氣候條件下的室外熱舒適性，結果表明太陽輻射、風速和相對濕度的偏好均與空氣溫度有關;此外，研究還比較了通用熱氣候指數（UTCI）、預測的平均投票（PMV）、生理等效溫度（PET）3個熱舒適評價指標的準確性，其中UTCI較為準確地預測了室外熱舒適性，而PMV比實際值略高。

5 小氣候英文文獻的研究熱點和前沿分析

通過關鍵詞共現分析對小氣候研究熱點和研究前沿進行鑒別。圖3為小氣候研究關鍵詞共現的時區視圖，得到的時區圖共有118個節點，788條連線。時區圖中每個節點代表關鍵詞，節點大小代表該關鍵詞出現的頻率，較大節點則代表小氣候研究的熱點領域，紅色節點處代表出現了突現關鍵詞。

時區圖能夠清晰展示時間維度上知識領域的演進過程。一個時區的文獻集聚比較多時，表明該時區積累了大量有影響的成果，而時區之間的節點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、生態系統、物種豐富度、物種多樣性保護、植被效應、小氣候模擬等，2011—2015年主要集中在城市小氣候、熱島效應、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、空氣質量、氣流縱橫比、城市健康、能量效率、城市排放、氣候適應性設計和規劃策略等方面研究成果顯著增加。

6 我國城市人居環境小氣候研究現狀

近年來，我國城市人居環境小氣候研究主要集中在氣候適應性設計、實測分析、小氣候效應研究、熱舒適、植物景觀規劃設計、設計優化策略研究等方面;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、居住小區等。此外，我國人居環境小氣候的相關研究成果也逐漸開始積累，并呈現一定的后發優勢，尤其在氣候適應性規劃設計方面進行了持續探索，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、綜合實踐應用等方面仍存在較大差距。

7 結語

人居環境小氣候研究對城市宜居環境建設發揮重要的促進作用，將應對環境問題的被動規劃轉變為主動調節，充分發揮相關學科在協調人與自然關系中的優勢和價值[16]。碳達峰和碳中和背景下，城市人居環境小氣候的研究在改善建筑環境、降低建筑能耗、營造綠色健康社區、創建低碳城市和促進城市可持續發展等方面具有重要意義[17-18]。該領域研究融合自然科學、社會科學和工程技術3個方面，改變了僅憑“外觀形態”的主觀感性規劃設計現狀，注重“以人為本”的設計理念，大大地提升了規劃設計的科學性。與此同時，不同人居環境空間與小氣候之間的耦合機理、小氣候對人體的生理、心理、感受等影響都是亟需進一步探索的研究問題。

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