城市人居环境小气候研究综述

朱蕊蕊 张晓彤 刘亦斌 从裕 杨蕾 高伟俊

收稿日期：2020-10-14

*基金项目：山东省自然科学基金青年项目“基于多源数据融合的城市公园植物空间小气候调控机理及优化模式构建研究”

（ZR2020QC172）;青岛理工大学滨海人居环境学术创新中心开放课题“低能耗背景下居住区绿地的小气候效

应及公共健康效益协同优化研究”（C2020-038）

第一作者：朱蕊蕊（1985- ），女，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为风景园林规划设计及理论、风景园林小气候、风

景园林与健康。E-mail：zhuruirui@qut.edu.cn

摘要：小气候作为城市人居环境相关学科研究的重要领域，研究体系庞杂且与多学科交叉融合。文章以2008—2020年Web of ScienceTM核心合集数据库检索到的6304篇小气候英文文献为研究对象，利用CiteSpace5.6.R2科学知识可视化图谱软件对文献进行分析，旨在为风景园林、建筑技术、城乡规划、生态环境、能源学等领域的科学研究提供理论依据和方法指导。结果表明，小气候英文文献的研究主要集中在室外热舒适、气象资料、溪流温度、边缘效应、无人机辅助红外热像等方面，研究前沿为平均辐射温度、空气质量、气流纵横比、城市健康、能量效率、城市排放、气候适应性设计和规划策略等。

关键词：小气候，人居环境，研究综述，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年底統计数据显示，全球约54%的人口生活在城市中[1]。城市人居环境的不断恶化和热岛效应的加剧使室外热舒适不断下降，建筑能耗逐渐增加，城市气候问题日益凸显，严重威胁着城市居民的健康[2]。如何改善城市人居环境使其更适宜居住是人居环境相关学科需要面对的问题。

城市人居环境作为人们日常生活的重要场所，必须保证其小气候适宜人们的生理、心理以及社会需求[3]。城市人居环境小气候主要是指在城市内部，城市环境由于其下垫面不同于其他环境而产生的特殊小气候，是在地形、植物、水体、铺装等设计要素的影响下形成的小气候类型[4]。良好的城市人居环境作为人们休闲娱乐、体力活动、社会交往的重要空间载体，应提供适宜的小气候，通过影响温度、风、湿度、空气质量、风景质量和动植物多样性等改善人体热舒适、激发户外活动，进而全面促进城市居民的健康和福祉。

笔者系统梳理Web of Science人居环境小气候研究进展，选取与城市人居环境学科密切相关的室外热舒适聚类展开论述，并对重要核心文献进行分析，以期为下一步的科学研究提供基础理论参考。

1 研究方法

采用文献计量学理论和信息可视化技术对Web of Science核心库检索到的2008—2020年小气候相关研究的论文，分别从研究主题、关键词、学科分布、出版物来源、文献共被引分析与耦合分析、科研合作网络分析、共词分析、国家地区分布、研究机构等方面进行客观和可视化统计分析，以期直观、清晰、多角度地展示小气候研究现状和发展动态，从而为相关研究提供理论基础和参考依据。以Web of Science TM核心合集为数据源，检索式为：TS=microclimate，时间跨度为2008—2020年，检索文献类型为能够充分反映主题的研究特征和发展趋势的论文，检索时间为2020年9月27日，共检索到6 304篇英文文献。

运用可视化软件CiteSpace5.6.R2和VOSviewer1.6.13对6 304篇文献进行共被引分析[5-6]。参数设置为：时间范围2008—2020年，一个时间切片为2年;主题词来源选择题目、摘要、作者、关键词;节点类型为共被引文献（Cited reference）;网络连强度计算选择Cosine算法;Selection Criteria选择提取每个时间切片中前10%的对象，每个时间切片内选定项目的最大数为50;可视化模式选择为静态，并显示合并网络，网络不使用裁剪方法。按照以上參数设置点击“GO”运行软件后，得到文献共被引网络;在此基础上，通过聚类算法对共被引网络进行聚类，采用LLR对数似然率算法（Log-likelihood Ration）选取排名靠前的标题词作为聚类标签。

2 小气候研究的特征分析

2.1 研究规模和影响力

发文量通常作为衡量某一主题研究规模的重要指标，被引频次可以在一定程度上反映研究的影响力。本文通过对发文量和被引频次2个指标的统计分析，结果表明：论文发文量和被引频次随着时间变化呈现增长趋势，其中发文量由2008年的308篇增加到2019年的832篇，被引频次由105次增加到19 156次。可见，小气候研究热度不断升温，引起了研究工作者们的广泛关注（图1）。

2.2 研究方向

小气候研究是一个多学科交叉的研究领域。根据统计结果，6 304篇论文涉及85个研究方向，主要集中在9个方向，即生态环境科学（Environmental sciences ecology）、农学（Agriculture）、工程学（Engineering）、林学（Forestry）、植物科学（Plant sciences）、建筑技术（Construction building technology）、气象大气科学（Meteorology atmospheric sciences）、能源学（Energy fuels）、生物多样性保护（Biodiversity conservation）。由于生态环境科学方向（含风景园林与城市环境方向）的论文数最多，为1843篇，占此次全部检索记录的30.00%，因此成为小气候研究领域的主要方向。

2.3 研究的国家或地区

对研究国家或地区进行分析，结果发现6 304篇文献分布在136个国家或地区，其中美国处于最核心的位置，发文量为1 587篇，占本次文献检索总量的25.83%;我国排名第二，发文量为676篇，占比10.72%，仅在2016—2019年，我国发文量就有430篇，占2008年以来总发文量的63.61%。可见，近5年来，我国小气候研究英文论文产出急剧增加，相关领域研究引起了国内学者的广泛关注并进入跨越式发展阶段，预期未来几年仍将持续增加。

3 小气候研究共被引聚类分析

按照上文参数设置进行文献共被引聚类分析，结果得到节点数为273、连接线为1 139、网络密度为0.030 7的文献共被引网络，网络聚类后得到13个共被引聚类，其模块化程度值为0.685 6，网络轮廓值为0.464 5，表明整个文献共被引网络的聚类结果良好，能够清楚划分并得出具体聚类。

筛选出前8个聚类进行具体分析，按照聚类规模大小将聚类从#0到#7进行编号。结果表明，聚类#0室外热舒适为小气候英文文献共被引的最大聚类，包含62篇文献，形成平均年份为2010年;聚类#4无人机辅助红外热成像为小气候英文文献共被引的最年轻聚类，形成平均年份为2015年，包含31篇文献（表1）。

分别使用论文题目、关键词、研究领域作为提取标签进行聚类得出共被引网络图谱（图2）。如图2所示，文献的关键词聚类标签分别为室外热舒适、气象数据、溪流温度、边缘效应、无人机辅助红外热成像、园艺塑料顶盖、繁殖成功、热带高山树线（表1），其中最大聚类室外热舒适对应的标题聚类为ENVI-Met模拟软件，说明ENVI-Met模拟软件在室外热舒适领域的广泛应用。文献所属研究领域主要有生态学、土壤学、林学、绿色可持续发展技术、园艺学、动物学、植物科学，说明小气候在多学科领域具有丰富的研究成果。

4 室外热舒适聚类重要核心文献分析

立足于人居环境视角，选取与人居环境相关学科密切相关的#0聚类室外热舒适展开论述。由图2可知，#0室外热舒适是最大聚类，轮廓值为0.829，形成了知识链最为显著和密集的聚类关系。CiteSpace菜单中Centrality的含义为中介中心性（Betweenness Centrality），是测度节点在网络中重要性的一个指标，使用该指标可以发现和衡量文献的重要性，并用紫色圈对该类文献进行重点标注。具有高中介性的文献通常是连接2个不同领域的关键枢纽，在CiteSpace中也称其为转折点（Turning points）[4]。通过对文献节点信息的进一步研究，发现有22篇文献的中介中心性大于0.02，有20篇文献共被引频次大于40次，有34篇文献的Sigma值大于1，这些文献在室外热舒适度研究中均起到了重要作用。综合考虑被引频次、突发性、中介中心性和Sigma值，筛选出该聚类的10篇核心论文（表2）。

4.1ENVI-met模拟软件的应用

10篇核心文献中有7篇与ENVI-met模型有关，采用ENVI-met作为主要研究工具充分说明了该模拟软件在全球气候变化背景下人居环境小气候领域应用的广泛性。

在ENVI-met模型模拟准确性验证方面，Yang XS等[10]在我国广州的一个实际建成项目中，利用不同类型地面（混凝土、瓷砖、沥青、草地）不同深度的土壤温度和土壤热流、不同高度的地表温度和空气温湿度的实测数据对ENVI-met模型模拟的准确性进行评价，结果表明，ENVI-met 4.0能够很好地预测不同变量下的小气候，具有较高的准确性。Ferdinando Salata等[15]重点研究了ENVI-met求解方程输入参数的评估，将不同微气象变量和预测平均投票（PMV）的输出数据、现场测量的实验值进行了比较，通过对测定系数、均方根误差和威尔莫特一致指数的分析，验证了该软件对空气温度和平均辐射温度的预测能力，确定了在不同的横向边界条件（LBC）中，如何选择开放类型使模拟结果更可靠，最后对该软件的最新版本进行了测试，并在结论中提出了在ENVI-met中进行模拟的一般程序。

不同城市形态和景观类型小气候研究方面，Ariane Middela等[8]利用ENVI-met模拟软件探讨了不同城市形态和景观类型对于亚利桑那州凤凰城（半干旱气候类型）夏季午后的降温效应，研究结果表明，水平对流对温度的影响较大，不同空间的降温差异与太阳辐射、局部遮荫模式密切相关。Mohammad Taleghani等[9]利用ENVI-met模拟室外空气温度、平均辐射温度、风速和相对湿度，结果表明，不同密度的建筑模型提供了不同的热环境，受城市形态影响的直接太阳持续时间和平均辐射温度对热舒适性起着最重要的作用。

不同绿化布局的小气候研究方面，Edward Ng[11]采用ENVI-met模型参数模拟研究，用现场测量进行验证，模拟了33种不同因素组合的情况。研究结果表明，适当的绿化可以改善城市小气候，降低夏季城市空气温度，当建筑物覆盖率设定为44%、树木覆盖率大于城市总土地面积的1/3时，可以产生约1k的冷却效果;树木的降温效果明显优于草地，且植树的位置应接近人类活动的场地。Lee H[12]利用ENVI-met 研究了城市绿色覆盖对减轻人体热应激的影响。在典型热浪日对弗里堡住区内4种不同类型的绿地进行了模拟，并对不同的空间尺度上的树木、草地在白天、夜间对减轻人类的热应激反应的效果进行量化。研究还从城市人类-生物气象学角度提出了绿地设计的建议。Katia Perini[13]利用ENVI-met 研究了植被（地面及屋顶绿化）、城市密度、建筑高度和大气条件几个变量对地中海气候城市大气温度和室外热舒适的影响。结果表明，地面和屋顶绿化有很好的夏季降温效应，并能降低室内冷却负荷需求，提高室外舒适性;城市地区建筑物的密度和高度影响潜在温度、平均辐射温度和热舒适投票的分布;在大多数情况下，较高的密度会导致较高的温度，而较高的建筑物植被具有较高的冷却效果;不同的绿化面积和植被类型具有不同的降温效应。

综上所述，ENVI-met能够全面考虑城市形态、景观类型、建筑密度、植被覆盖、空间布局、地表材质、太阳辐射等多种因素;模拟不同空间小气候环境并加以预测和分析，以其便捷性、经济性作为实测法的有效补充，在人居环境小气候的模拟研究中具有不可替代的优势。

4.2 城市绿化改善人体热舒适效益的量化

10篇核心文献中的3篇均为城市绿化在改善人体热舒适方面所发挥功效的量化研究。 Limor Shashua-Bar等[7]在2个半封闭的城市空间中，采用成熟树木、草地、架空遮阳网和铺装等多种组合测试了植被对热干旱地区人体热应力的影响。结果表明，遮荫树木和草地覆盖相比于架空遮阳网和铺装，在改善热舒适方面效果更加明显，尤其树木与草地组合在一起时，在所实验的时段均能营造相对舒适的户外环境。M.Santamouris 等[2]指出增加城市反照率和屋顶绿化在缓解城市热岛和改善城市环境热舒适方面呈现出较高的发展潜力和前景，并介绍了城市尺度下2种技术研究的最新进展。Dayi Lai等[14]通过对小气候的监测和对天津风湖公园使用者的访谈，研究公园内不同气候条件下的室外热舒适性，结果表明太阳辐射、风速和相对湿度的偏好均与空气温度有关;此外，研究还比较了通用热气候指数（UTCI）、预测的平均投票（PMV）、生理等效温度（PET）3个热舒适评价指标的准确性，其中UTCI较为准确地预测了室外热舒适性，而PMV比实际值略高。

5 小气候英文文献的研究热点和前沿分析

通过关键词共现分析对小气候研究热点和研究前沿进行鉴别。图3为小气候研究关键词共现的时区视图，得到的时区图共有118个节点，788条连线。时区图中每个节点代表关键词，节点大小代表该关键词出现的频率，较大节点则代表小气候研究的热点领域，红色节点处代表出现了突现关键词。

时区图能够清晰展示时间维度上知识领域的演进过程。一个时区的文献集聚比较多时，表明该时区积累了大量有影响的成果，而时区之间的节点连线情况表明了研究的传承情况。由图3可以看出，2008—2010年的研究主要集中在全球气候变化、生态系统、物种丰富度、物种多样性保护、植被效应、小气候模拟等，2011—2015年主要集中在城市小气候、热岛效应、土地利用、热舒适等，2016—2018年主要集中在室外热舒适、热压力、建筑能耗等方面;2018年以后，在平均辐射温度、空气质量、气流纵横比、城市健康、能量效率、城市排放、氣候适应性设计和规划策略等方面研究成果显著增加。

6 我国城市人居环境小气候研究现状

近年来，我国城市人居环境小气候研究主要集中在气候适应性设计、实测分析、小气候效应研究、热舒适、植物景观规划设计、设计优化策略研究等方面;研究的空间类型主要有城市街道、城市滨水带、城市公园、林荫空间、城市广场、居住小区等。此外，我国人居环境小气候的相关研究成果也逐渐开始积累，并呈现一定的后发优势，尤其在气候适应性规划设计方面进行了持续探索，但尚未形成完整的理论研究体系，与国外研究的理论框架、研究方法、综合实践应用等方面仍存在较大差距。

7 结语

人居环境小气候研究对城市宜居环境建设发挥重要的促进作用，将应对环境问题的被动规划转变为主动调节，充分发挥相关学科在协调人与自然关系中的优势和价值[16]。碳达峰和碳中和背景下，城市人居环境小气候的研究在改善建筑环境、降低建筑能耗、营造绿色健康社区、创建低碳城市和促进城市可持续发展等方面具有重要意义[17-18]。该领域研究融合自然科学、社会科学和工程技术3个方面，改变了仅凭“外观形态”的主观感性规划设计现状，注重“以人为本”的设计理念，大大地提升了规划设计的科学性。与此同时，不同人居环境空间与小气候之间的耦合机理、小气候对人体的生理、心理、感受等影响都是亟需进一步探索的研究问题。

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