基于CiteSpace 圖譜分析的風熱氣候適應性城市設計研究進展

文／朱吉奇 蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 碩士研究生

趙曉龍 蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 教 授

王秀慧 蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 副教授（通訊作者）

引言

21 世紀以來，快速的城市化進程引發了能源消耗激增，加劇了高溫等極端氣候頻發，嚴重影響著人居環境的質量。由此，氣候適應性議題引起了國際社會的高度關注。2009 年的哥本哈根聯合國氣候變化大會首次將應對氣候變化作為全球性議題；2015 年《聯合國氣候變化框架公約》第二十一次締約方大會在法國巴黎召開，與會國家達200 多個，探討了國際氣候立法等問題，并通過了《巴黎協定》。各國各級政府也積極出臺了相關政策行動，提出了發揮城市空間規劃在應對極端氣候中的重要作用，如英國的《國家適應規劃》和德國的《適應氣候變化戰略的行動規劃》。我國在應對氣候變化的問題上也積極尋求與世界各國建立合作，如中美氣候智慧型低碳城市峰會、2017 年亞洲氣象大會等。另一方面相繼實施了《國家適應氣候變化規劃（2014—2020）》《城市適應氣候變化行動方案》等政策行動[1]。2020年9月的第七十五屆聯合國大會上，我國再次提出CO2排放爭取在2030 年前達到峰值，到2060 年實現碳中和的目標。

文章篩選了2009—2019 年與風熱氣候適應性城市設計相關的411 篇國內外文獻為研究對象，借助CiteSpace 工具進行了知識圖譜分析：結合國家合作網絡分析與學科共現分析，明晰了研究學科的分布情況；借助關鍵詞共現分析，辨析了從風熱氣候效應向人體舒適度轉變的研究熱點；利用文獻歸納法對相關研究技術方法進行了梳理，提出了該研究領域要注重多學科合作、多技術協同以及多要素整合，實現基礎與應用研究協同，加強定量研究，促進生態要素與物質空間的整合。

1 數據來源

1.1 一次文獻篩選

首先基于科學引文檢索核心數據庫（WOS），將氣候適應性（Climate adaptation）與城市設計（urban design）作為主題詞對2009 至2019 年的文獻進行檢索，共獲取424 篇相關文獻，通過其發文量可以發現，自2009年世界氣候大會以來，氣候變化越來越受到人們的重視（圖1）。利用CiteSpace 對這些文獻的關鍵詞聚類后的時線視圖可以發現（圖2），2009—2019 年該領域最大的聚類標簽為UTCI（通用熱氣候指數），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）等關鍵詞，這些關鍵詞都與城市空間的熱環境相關。而熱環境又同時與風環境息息相關[2]，由此可以判斷近年來風熱氣候適應性在總體氣候適應中占據著重要地位。

圖1 2009—2019 年文獻發文量（圖片來源：作者自繪）

圖2 氣候適應性城市設計關鍵詞聚類（圖片來源：作者自繪）

1.2 二次文獻篩選

基于以上判斷，本文基于中國知網（CNKI）文獻數據庫以及科學引文檢索核心數據庫（WOS），分別將風環境（Wind environment）、熱環境（Heat environment）、城 市 熱 島（Urban Heat Island）與城市設計（Urban design）配對作為主題詞，對2009 年至2019 年的文獻進行檢索，共獲取411篇中英文相關文獻。

2 研究學科領域

研究利用CiteSpace 進行知識圖譜分析，通過學科共現分析研究了相關文獻的學科領域分布，共得到154 個關鍵節點和716 條關系連線（圖3），并分別獲得出現頻次前10 名和中介中心性前10名的學科領域列表（表1、表2）。進一步對其施引文獻分析發現，其中相關研究以基礎研究居多，涉及領域包括氣象學、環境科學等，主要研究氣候變化的成因及其對各個領域產生的影響；但建筑學、土木工程等學領域相關學者更偏重應用研究，主要聚焦于基于城市風熱環境優化的空間形態控制[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題[5]。

表1 出現頻次排名前10 的學科領域（表格來源：作者自繪）

表2 中介中心性排名前10 的學科領域（表格來源：作者自繪）

圖3 學科領域分布網絡圖譜（圖片來源：作者自繪）

3 研究熱點及前沿

3.1 研究熱點

通過CiteSpace對文獻進行關鍵詞共現分析，得到國際知識圖譜（圖4），節點大小與關鍵詞共現頻次呈正相關，由此可通過高頻關鍵詞發掘該領域研究的熱點，其中中心性較高的有熱島、城市、植被以及舒適度。從整體來看，城市熱島問題、植被的微氣候效應以及人體舒適度是該階段研究的焦點。

圖4 關鍵詞共現圖譜（圖片來源：作者自繪）

分析發現國際研究熱點主要集中在三個方面：（1）風熱氣候效應，如微氣候（microclimate）、熱島（heat island）、溫度（temperature）等；（2）影響風熱氣候效應的空間要素，如城市峽谷（street canyon）、植被（vegetation）、形態（geomery）等；（3）風熱氣候感知，如室外熱舒適性（outdoor thermal comfort）、舒適度（comfort）等。

結合關鍵詞共現的時區視圖（圖5），可以發現2009—2012 年研究主要關注城市空間的風熱氣候效應，2013 年以后逐漸關注空間中人的熱舒適度，評價方式從客觀向主客觀結合轉變，凸顯了“以人為本”的理念。

圖5 關鍵詞共現的時區視圖（圖片來源：作者自繪）

3.2 研究前沿

研究前沿一般是該研究領域中最有發展潛力的研究主題或方向，本文利用CiteSpace 的凸顯詞（Burst Detection）研究詞頻變動趨勢以發掘研究前沿（圖6），發現2009 年以來相關研究可分為三個階段：2009-2012 年研究主要關注城市風熱環境對建筑能耗的影響；2013—2015 年更多關注城市風道的構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（圖片來源：作者自繪）

4 研究技術與方法

相關學者對風熱氣候適應性城市設計的研究可分為數據獲取以及數據分析兩部分，目前數據獲取方式有地面氣象觀測與遙感反演，分析方法有物理模擬法、計算機數值模擬以及數理分析方法（表3）。

表3 主要研究技術方法（表格來源：作者自繪）

地面氣象觀測可分為固定氣象站觀測以及便攜式氣象儀觀測兩類。固定氣象站可以實時監測城市不同區域的氣候環境，卞韜[6]、何萍[7]等通過市區與城郊氣象站的數據對比，研究了城市熱島強度的時空變化特征。然而隨著城市規模的擴大、氣候影響因素的增加以及氣象站數量少、分布不均的問題，僅僅依靠氣象站的觀測數據并不能準確地描述當代城市的熱環境。近年來趙亞芳[8]等通過結合氣象站、遙感反演以及數值模擬的方式拓展了城市的風熱環境研究方法。而便攜式氣象儀觀測主要用于街區和場地尺度的研究中，根據觀測時長可分為長期定點觀測、季節定點觀測以及短時定點觀測3 種方式。針對帶狀空間與圓形空間，朱春陽[9]、劉濱誼[10]分別通過網格布點法和梅花樁布點法測量了場地的微氣候。在此基礎上，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測量法。隨著地理信息技術以及遙感技術的發展，遙感反演多被用于研究城市尺度的風熱環境與城市空間形態的關聯性[12]。

數據分析包括物理模擬法、計算機數值模擬以及數理分析三類。物理模擬法主要是風洞試驗，一般用于分析中小尺度城市空間的風環境。如王成剛[13]等研究了不同布局方式對高密度建筑群風環境的影響；Tsang[14]等評估了高層建筑周邊的風環境特征。但由于造價高、邊界條件制約等局限性，風洞試驗在近年城市風環境研究中使用較少。數值模擬利用計算機建立數學或物理模型對場地氣候進行模擬，通過調控各種影響因素來驗證其影響程度。常用的數值模擬軟件有Fluent、ENVI-MET、Phoenics 等，可用于模擬復雜環境中的氣流和熱交換等問題。Angeliki[15]通過Fluent軟件模擬不同室外風熱環境對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開放空間的熱環境，定量分析了不同城市設計要素的影響。數理分析方面，使用較多的有相關性分析以及回歸分析，袁超[18]通過參數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性；張順堯[19]通過對室外微氣候實測數據的相關性分析以及回歸分析，驗證了場地微氣候與場地圍合度因素顯著相關。

5 結語及展望

利用CiteSpace 對2009—2019 年國內外風熱氣候適應性城市設計的相關文獻進行梳理，探究了主要學科領域以及空間分布，辨析了研究熱點和前沿。研究發現，該研究領域仍然存在著諸如學科交叉性弱、量化研究較少等問題，因此本文在此基礎上提出今后該領域研究中需要關注的幾個方面。

5.1 多學科合作，基礎與應用研究協同

氣候適應性城市設計是以城市設計為立足點與城市氣象學的交叉研究。從前期的氣候數據收集與分析、中期的規劃設計到后期的風熱效益評估，學科交叉研究應當貫徹氣候適應性城市設計的整個過程。我國對城市風熱適應性研究的起步較晚，加強學科交叉有助于拓展研究的廣度與深度。現階段該領域基礎研究較多，為應用提供了基礎，考慮到城市所處氣候區不同，有必要提出因地制宜的風熱氣候適應性城市設計策略。

5.2 多技術協同，采取定量化研究

當今研究的主要手段包括現場實測、數值模擬以及遙感反演。現場實測作為傳統的氣候測量方面具有客觀真實的特點，但同時也有著耗時、易受干擾等局限性。與傳統方法相比，計算機數值模擬具有省時省力、不易受干擾等優勢。因此，將現場實測與數值模擬相結合可獲得不同空間尺度的風熱環境數據，在定性研究的基礎上拓展定量分析，對風熱氣候適應性城市設計具有重要意義。

5.3 多要素協同，生態要素與物質空間整合

城市建成環境由物質空間與生態空間兩部分組成，雖然現階段對建成環境與城市氣候之間關系的研究成果較多，然而這些研究大都受到自身學科的限制，研究的視角單一。隨著學科交叉的深入，必須要建立一種整體性視角，統籌考慮，使生態空間與物質空間更好地整合，以此改善城市風熱環境。