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        基于CiteSpace 圖譜分析的風熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計研究進展

        2022-08-16 03:08:16朱吉奇蘇州科技大學建筑與城市規(guī)劃學院碩士研究生
        建筑與文化 2022年8期
        關(guān)鍵詞:聚類

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

        趙曉龍 蘇州科技大學建筑與城市規(guī)劃學院 教 授

        王秀慧 蘇州科技大學建筑與城市規(guī)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(fā)了能源消耗激增,加劇了高溫等極端氣候頻發(fā),嚴重影響著人居環(huán)境的質(zhì)量。由此,氣候適應(yīng)性議題引起了國際社會的高度關(guān)注。2009 年的哥本哈根聯(lián)合國氣候變化大會首次將應(yīng)對氣候變化作為全球性議題;2015 年《聯(lián)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(xié)定》。各國各級政府也積極出臺了相關(guān)政策行動,提出了發(fā)揮城市空間規(guī)劃在應(yīng)對極端氣候中的重要作用,如英國的《國家適應(yīng)規(guī)劃》和德國的《適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略的行動規(guī)劃》。我國在應(yīng)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(yīng)氣候變化規(guī)劃(2014—2020)》《城市適應(yīng)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(lián)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(xiàn)碳中和的目標。

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

        1 數(shù)據(jù)來源

        1.1 一次文獻篩選

        首先基于科學引文檢索核心數(shù)據(jù)庫(WOS),將氣候適應(yīng)性(Climate adaptation)與城市設(shè)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(guān)文獻,通過其發(fā)文量可以發(fā)現(xiàn),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(guān)鍵詞聚類后的時線視圖可以發(fā)現(xiàn)(圖2),2009—2019 年該領(lǐng)域最大的聚類標簽為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)境又同時與風環(huán)境息息相關(guān)[2],由此可以判斷近年來風熱氣候適應(yīng)性在總體氣候適應(yīng)中占據(jù)著重要地位。

        圖1 2009—2019 年文獻發(fā)文量(圖片來源:作者自繪)

        圖2 氣候適應(yīng)性城市設(shè)計關(guān)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(wǎng)(CNKI)文獻數(shù)據(jù)庫以及科學引文檢索核心數(shù)據(jù)庫(WOS),分別將風環(huán)境(Wind environment)、熱環(huán)境(Heat environment)、城 市 熱 島(Urban Heat Island)與城市設(shè)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(guān)文獻。

        2 研究學科領(lǐng)域

        研究利用CiteSpace 進行知識圖譜分析,通過學科共現(xiàn)分析研究了相關(guān)文獻的學科領(lǐng)域分布,共得到154 個關(guān)鍵節(jié)點和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名的學科領(lǐng)域列表(表1、表2)。進一步對其施引文獻分析發(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、環(huán)境科學等,主要研究氣候變化的成因及其對各個領(lǐng)域產(chǎn)生的影響;但建筑學、土木工程等學領(lǐng)域相關(guān)學者更偏重應(yīng)用研究,主要聚焦于基于城市風熱環(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題[5]。

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

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

        圖3 學科領(lǐng)域分布網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,得到國際知識圖譜(圖4),節(jié)點大小與關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次呈正相關(guān),由此可通過高頻關(guān)鍵詞發(fā)掘該領(lǐng)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(yīng)以及人體舒適度是該階段研究的焦點。

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

        分析發(fā)現(xiàn)國際研究熱點主要集中在三個方面:(1)風熱氣候效應(yīng),如微氣候(microclimate)、熱島(heat island)、溫度(temperature)等;(2)影響風熱氣候效應(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,評價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)的時區(qū)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(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)研究詞頻變動趨勢以發(fā)掘研究前沿(圖6),發(fā)現(xiàn)2009 年以來相關(guān)研究可分為三個階段:2009-2012 年研究主要關(guān)注城市風熱環(huán)境對建筑能耗的影響;2013—2015 年更多關(guān)注城市風道的構(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(圖片來源:作者自繪)

        4 研究技術(shù)與方法

        相關(guān)學者對風熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計的研究可分為數(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與遙感反演,分析方法有物理模擬法、計算機數(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(jiān)測城市不同區(qū)域的氣候環(huán)境,卞韜[6]、何萍[7]等通過市區(qū)與城郊氣象站的數(shù)據(jù)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(guī)模的擴大、氣候影響因素的增加以及氣象站數(shù)量少、分布不均的問題,僅僅依靠氣象站的觀測數(shù)據(jù)并不能準確地描述當代城市的熱環(huán)境。近年來趙亞芳[8]等通過結(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熱環(huán)境研究方法。而便攜式氣象儀觀測主要用于街區(qū)和場地尺度的研究中,根據(jù)觀測時長可分為長期定點觀測、季節(jié)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(wǎng)格布點法和梅花樁布點法測量了場地的微氣候。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測量法。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、計算機數(shù)值模擬以及數(shù)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(huán)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(huán)境的影響;Tsang[14]等評估了高層建筑周邊的風環(huán)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(huán)境研究中使用較少。數(shù)值模擬利用計算機建立數(shù)學或物理模型對場地氣候進行模擬,通過調(diào)控各種影響因素來驗證其影響程度。常用的數(shù)值模擬軟件有Fluent、ENVI-MET、Phoenics 等,可用于模擬復雜環(huán)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(huán)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(qū)開放空間的熱環(huán)境,定量分析了不同城市設(shè)計要素的影響。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]通過對室外微氣候?qū)崪y數(shù)據(jù)的相關(guān)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(guān)。

        5 結(jié)語及展望

        利用CiteSpace 對2009—2019 年國內(nèi)外風熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計的相關(guān)文獻進行梳理,探究了主要學科領(lǐng)域以及空間分布,辨析了研究熱點和前沿。研究發(fā)現(xiàn),該研究領(lǐng)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(chǔ)上提出今后該領(lǐng)域研究中需要關(guān)注的幾個方面。

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

        氣候適應(yīng)性城市設(shè)計是以城市設(shè)計為立足點與城市氣象學的交叉研究。從前期的氣候數(shù)據(jù)收集與分析、中期的規(guī)劃設(shè)計到后期的風熱效益評估,學科交叉研究應(yīng)當貫徹氣候適應(yīng)性城市設(shè)計的整個過程。我國對城市風熱適應(yīng)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?,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熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計策略。

        5.2 多技術(shù)協(xié)同,采取定量化研究

        當今研究的主要手段包括現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬以及遙感反演?,F(xiàn)場實測作為傳統(tǒng)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(tǒng)方法相比,計算機數(shù)值模擬具有省時省力、不易受干擾等優(yōu)勢。因此,將現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結(jié)合可獲得不同空間尺度的風熱環(huán)境數(shù)據(jù),在定性研究的基礎(chǔ)上拓展定量分析,對風熱氣候適應(yīng)性城市設(shè)計具有重要意義。

        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(tǒng)籌考慮,使生態(tài)空間與物質(zhì)空間更好地整合,以此改善城市風熱環(huán)境。

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