水体景观气候调节性研究进展与展望

卞晴 赵晓龙 刘笑冰

全球城市化背景下，自然地表被大量硬质下垫面取代，加速吸收高输出低蒸散的人工热量。极端高温天气将公共健康[1-3]能源成本与污染问题[4-5]置于严峻挑战中。当城市面对一系列由热过量引起的负面效应时，如何优先考虑自然下垫面气候效益，成为气候调节性景观规划设计研究的热点课题[6-7]。水体因热容量大、蒸发潜热大及水面反射率小的特殊物理性质[8]，使国内外学者认识到其是城市开放空间性能最好的辐射散热器[9-11]。

1 水体景观气候调节性研究进展概述

水体景观气候调节性，即水体具有调节环境温湿度、风速，促进人体与所处环境热交换平衡的效能。笔者针对水体景观气候调节性，基于中国知网（CNKI）文献数据库和科学引文检索（SCI）核心合集数据库，分别以水体（water bodies）、水体景观（waterscape）、滨水空间（water space）、微气候（microclimate）、气候调节性（climate regulation）等为主题词展开检索。获得中文文献345篇，英文文献893篇，共计1 238篇。其中，文献多集中于环境科学、气象学、建筑科学与工程等领域（图1）。借助CiteSpace科学计量工具，对检索结果展开科学图谱分析。

1 国内外水体景观气候调节性研究的主要学科领域Main subject areas of waterscape climate regulation researches in China and abroad

自1992—2007年，国际水体景观气候调节性研究热度逐年增长。其主要探究了水体应对气候变化与缓解城市热压力的效能（图2）。2007—2013年，研究热度显著增加并向气候调节性设计管理与策略转变。依据CiteSpace LLR算出的关键词聚类结果显示，国外侧重水体在整个自然系统中应对气候变化所产生的能量守恒、生态与社会效益（图3）。一方面，Sun等[12]在城市设计视角下提出能够协助设计师权衡水体冷却效应与土地利用限制的管理政策与设计策略。同时，Rickert等[13]在宏观调控尺度，指出将应对气候变化加入水安全规划中。另一方面，Yao等[14]、Steeneveld等[15]强调被动设计（passive design）及生物气候设计（bio-climatic design）的局地气候调节效能，利用水体显著的区域气候调节性与自然通风能力，缓解极端季节高峰时段的制冷与供热需求，减少碳排放。进而，从能源动力学角度，最大限度平衡热损失与热收益，减缓城市能源消耗。自上而下的气候适应性科学研究与应对策略的提出，能有效缓解城市化进程带来的一系列负面影响。

2 国外水体景观气候调节性研究聚类时间轴Clustering timeline of foreign researches of waterscape climate regulation

3 国外水体景观气候调节性研究关键词聚类Keyword clustering of foreign researches of waterscape climate regulation

1986年中国已开始运用大气热量传输理论阐释水体气候调节性。2001年起研究热度大幅增加（图4）。初期研究探究了水体特殊流动机理对城市大气环境的影响。2010年至今，随着城市恶劣气候环境与户外健康需求矛盾的日益突出，如何建构气候舒适的滨水空间成为风景园林等应用研究领域的热点课题（图5）。跨学科推动下，研究维度由水体气候效能的作用机制向水体对城市内核的渗透能力、改善城市居民生活质量等可持续发展问题转变。研究尺度也从宏观地理空间向微观场地空间改变。

4 国内水体景观气候调节性研究聚类时间轴Clustering timeline of waterscape climate regulation researches in China

5 国内水体景观气候调节性研究关键词聚类Keyword clustering of waterscape climate regulation researches in China

综上，由于水体物理性质的复杂性、跨学科性及研究方法的提升，国内外成果显著。比较而言，国内以水体自身为研究中心，而国外善于将水体气候调节性放置在社会生态效益与资源管理的语境中（图6）。虽然国内外已意识到水体气候调节性对热环境的积极作用，但应用层面缺乏对基础研究成果系统的整理与归纳，量化研究成果难以应用实践。如何利用基础研究成果，提出气候调节性设计理论方法与模式语言仍属于风景园林领域的前沿问题。

6 中英文高频关键词词频与中心性对比Comparison of Chinese and English high frequency keywords and centrality

借此，笔者重点梳理水体景观气候调节性评估方法、效应机制及影响因素等基础研究成果，为其量化设计规范及设计策略的提出提供科学依据。

2 水体景观气候调节性评估技术与方法

水体景观气候调节性研究涵盖了原始气象数据积累、计算机数值模拟及社会学研究等多种评估方法。在不同研究尺度与精度下成为利用水体景观气候调节性解决城市热环境的先决条件与技术保障（图7）。

7 水体景观气候调节性评估技术与方法Assessment techniques and methods of waterscape climate regulation

原始气象数据积累是获取一手气候资料、测量水体气候调节性的基础途径。刘勇洪等[16]、冯晓刚等[17]、李东海等[18]分别利用卫星资料、遥感热成像、GIS地理信息数据库揭示河流、湖泊等大空间水域与其他土地利用类型的热量差异。定点与移动测量构成的地面气象数据采集系统则有效弥补了大尺度图片瞬时片段化的缺陷，广泛应用在中微观尺度研究中[19-20]。

随着数值方程与模拟技术的不断完善，数值模拟的建构方式极大提高了预测水体气候调节性的准确性。数值方程方面，颜金凤等[21]、孙菽芬等[22]、周从直等[23]不断丰富河流、湖泊等各类水体与气候关系的热平衡方程。依托于数值方程，以CFD（computational fluid dynamics）[24-25]、WRF（weather research and forecasting）[26-27]与ENVI-met三维微气候模型[28-29]为代表的计算机模拟软件以其快速、准确、低成本的优势，在模拟与分析水体在复杂建成环境内的流动及热交换问题中得到大量应用，为预测未来滨水空间局地气候变化、筛选理想气候控制变量、指导气候调节性水体景观规划设计提供技术平台。

与此同时，随着自然环境对人体生理感知作用认知的加深，社会学方法逐渐应用于探求滨水空间热环境与行为模式关联研究中。薛申亮等[30]、徐心馨等[31]、徐竟成等[32]分别利用访谈法与调查问卷进行滨水空间热舒适与热感知评估，Lam[33]利用GIS绘制行为地图，在生理及心理视角下探讨水体气候调节性对滨水行为的影响作用。

3 水体景观气候调节性机制

水体气候调节性机制研究建立在其物理性质与大气相互作用所产生的局地气候变化基础之上。刘珍海[34]、王浩[35]、傅抱璞[36]，郝熙凯等[37]揭示了水体蒸发吸热导致空气水蒸气含量升高、相对湿度增加，在水蒸气风压下推动局地气流循环的变化过程。30年来，国内外一系列相关基础研究证明水体能够对局地温湿度、风速产生昼夜性、季相性与地域性的弹性变化，并以独立或叠加的形式作用于人体热感知。进而，分别在物理与心理双重层面推动气候收益（图8）。

8 水体气候调节性机制Mechanism of water body climate regulation

3.1 温湿度效应机制

随着昼夜交叠与地域变化，水体温湿度效应呈现显著的时空分布差异。在时间差异方面，杨凯等[38]发现水体日间环境温湿度呈单峰曲线状趋势，其降温增湿效应在14：00—16：00达到峰值，可平均降低环境温度1.6～3.0 ℃；相对湿度提高6%～14%。Wong[39]、Coutts等[40]、Theeuwes等[41]进 一步提出温度效应昼夜特征，王浩等[42]、纪鹏等[43]提出季相特征（表1）。在空间差异方面，傅抱璞[44-45]提出水体在中国干旱和半干旱地区全年均有显著增湿作用，夏季最大增湿10%～20%。

表1 水体温度效应的昼夜及季相性差异Tab. 1 Differences between day and night and seasonality of water temperature effect

温湿度效应的空间传播特征直接影响了滨水空间设计范围。王浩等[42]233发现水体温湿度效应呈“舌状”传播，垂直辐射范围为200～400 m，水平辐射范围为上风向2 km至下风向9 km，以下风向2.5 km以内降温增湿效应最为显著。Hou等[46]认为风向与风速是影响其传播的重要因素。良好的风环境能够促使温湿度梯度产生各种模式变化，以扩大水体的热缓解效益。

3.2 风速效应机制

风速效应的形成来自水陆粗糙度差异的动力作用及水陆热容差异的热力作用。埃维特·埃雷尔等[47]发现水陆环流可打破近地面逆温层的稳定状态，使地表温差趋于平缓。李雪松等[48]提出连续的水体是城市散热换气、有效排污的重要生态通道。Zeng等[49]进一步证实风速效应与水体面积呈正相关，1 600 m2以上的水体可增加风速0.13 m/s。风速的提高不仅决定了水体温湿度效应强度及传播范围，更体现在调节各气候因子动态平衡，控制局地气候条件变化幅度的效能[50]。

3.3 热感知效应机制

弹性的温度效应易于在时空维度下控制局地温度变化幅度，避免引发人体生理热能的极端丧失或获得。水体湿度与风速效应所产生的空气蒸发力可有效改变体表散热效率。但过量的湿度易使人体水分蒸发受到限制，引发人体散热功能紊乱，尤其体现在湿热地区极端高温情况下。对此，谈美兰等[51-52]发现水体局地相对湿度≥70%时，在0.5～1.6 m/s的风速补偿下，热感知阈值可提高至28～32 ℃。因此，水体局地温湿度的平衡强烈依赖于良好的空气流动状态，并推动形成有效的热感知效应机制。

4 水体景观气候调节性影响因素

建成环境的复杂性导致水体景观气候调节性随局地环境特征的变化而产生显著差异。相关研究不仅着眼于水体自身物理特征，还涵盖了水体外部空间及植被特征的协同作用。一系列影响因素研究的展开，将调节性机制的基础研究逐步扩展至城市滨水空间的应用研究中。

4.1 水体物理特征的影响

4.1.1 水体形状

形状是水体最基本的物理特征，面状与线状水域的冷却效应呈现出不同的作用强度与表现形式（表2）。Murakawa等[53]、Cheng等[54]认为线状水域作为低温廊道，其特有的贯通性与连续性能有效分割城市热岛的聚集形态、阻隔热岛效应的区域性扩张，为城市热岛内外的热交换提供散热途径。而岳文泽等[55]发现城市热岛中心，仅0.036 km2的面状水域可降低热岛区域温度3.65 ℃，且距离热岛中心越近冷却能力越强。

表2 水体形状对气候调节性的影响作用Tab. 2 Effect of water body shape on climate regulation

4.1.2 水体面积

Sun等[12]27-33认为扩展水体表面蒸发面积可使多余热量以潜热形式消散以保持局地热交换平衡。李书严等[56-57]、纪鹏等[58]分别在不同空间尺度下证实，当水体覆盖面积达到阈值时，水体气候调节性可发挥出最高水平并保持在相对稳定的范围内（表3）。

表3 不同空间尺度下水体面积对气候调节性的影响作用Tab. 3 Effect of water covered area on climate regulation at different spatial scales

4.1.3 水体状态

此外，部分学者认为改变水体状态能够快速应对城市热岛[59]。Nishimura等[60]发现喷泉、跌水等小型动态水体，在高压水柱作用下转化为水分子，可降低局地温度4.7 ºC，较静水面的冷却效应提高2.9 ºC。曹丹等[61]指出水雾的降温增湿效应与风速呈正相关并以下风向最为显著，上下风向湿度差为5.5%。Ishii等[62]则认为只要水体不是处在干涸或是盈满的静止状态，人工化充放水过程均可强化水体原有冷却能力。

4.1.4 水体分布

水体科学分布能有效将其气候效应反馈于城市各个有热缓解需求的角落[63]。张丛[64]、轩春怡[65]以水体面积占比、水体平均最近邻体距离比、水体形状指数、水体偏离角度和水体偏离距离为分布要素发现，分散式水体降温增湿及通风能力均明显优于集中式。并当水体平均最近邻体距离比为0.4时最强。

4.2 外部空间特征的影响

水体气候调节性离不开外部空间特征对其作用强度及传播范围的影响。相关研究分别从应用研究及优化策略视角，对下层空间特征与上层流体特性的差别与交互关系展开探讨[66]。

应用视角认为，水体水平方向气候效应随用地性质、空间布局与形态、街道几何形态及建筑密度的变化而增强或削弱[67]。优化策略视角则基于滨水风环境在不同空间结构下的传播特征及效应强度，重点探寻构建城市通风廊道与水体风环境的契合途径[68-69]。陈宏等[26]72-73依托江风对流，提出控制空间形态、建筑密度等气候调节性滨江空间设计策略。徐小东等[70]基于滨水空间交通结构与风廊关联，提出合理修正路网密度引风入城。此外，部分学者将研究对象延伸至滨水住区风环境优化设计。力求通过水体气候效应改善居住区内部“狭管效应”，为开发舒适滨水住区提供控制性引导方法。

4.3 植被特征的影响

植被是具有气候调节效应的重要自然下垫面[71-73]。张丽红等[74]、蔡园园等[75]分别从植被形态视角提出，植被覆盖率、种植结构、绿地宽度是强化水体水平方向温湿度效应的主要因素。其中，蒋志祥[76]、纪鹏等[77]发现，水体周边绿地郁闭度≥0.6；植被覆盖率介于60%～80%区间时，降温增湿效应稳定持续。同等情况下，乔—灌—草复合种植结构可增强效应强度。滨水绿地宽度≥45 m时，水平方向气候效应随之扩大。另一方面，刘滨谊等[78]、张慧文等[79]构建了城市滨水空间气候调节性风景园林设计框架。刘滨谊等[80]、陈茗[81]进一步为不同生物气候区的滨水空间提供了因地制宜的景观设计策略。

上述研究成果证实了植被可强化水体气候效益。但孟宪磊[82]指出水体与植被均有各自主导的空间维度且受城市规模影响显著。随着城市规模扩大,植被降温增湿作用逐渐减小,水体效用随之增大。为最大限度发挥二者气候效应，不同城市发展密度及规模下应采取不同的景观策略。

5 思考与展望

随着水体气候调节性评估与预测技术的提升以及各学科对其作用机制、影响因素认知的加深，无不激发着水体景观规划设计在营造视觉审美的传统中逐渐注重生态气候效益的价值。未来城市滨水空间亟须在实践形式追随气候的实证研究、明确气候调节性的量化设计规范、提出因地制宜的设计策略体系3个方面展开更加深入的探讨，以科学化、标准化及系统化落实水体在建成环境下的气候调节性效用。

5.1 拓展形式追随气候的水体景观设计实证研究新思路

上述成果不难发现，水体不能作为独立的自然下垫面对城市气候环境产生独立影响。任何建成环境因素都会对营造舒适的滨水空间产生影响。也正是因为这些因素的存在才使得滨水空间的物理环境可以被利用与塑造。因此，我们有待利用ENVI-met等气候模拟软件建立建成环境因素与气候因子间的交互关系。基于实证研究成果，将量化参数综合应用到一个完整的决策过程中。并直观地显示出水体气候调节性与其他建成环境要素的协同作用，以及在城市热缓解战略上的实践意义，为城市滨水空间设计策略提供新思路。

5.2 明确基于气候调节性的水体景观量化设计规范

现有相关规范（如《城市水系规划规范》《公园设计规范》）中涉及的水体设计指标，大多从生态安全与水域利用角度出发，不仅缺乏气候效益的考量，同时欠缺相应的控制性与指导性约束。对此，水体气候适应性量化成果应转化为国家标准或立法等宏观干预的重要政策依据。该指标不仅应成为设计层面遵循的基本前提，更应是气候效益使用后评价的参考依据。以美国为例，将热评价指标写入纽约环境法案[83]，要求局地气候与热舒适指标在开发前后保持一致。得以在兼顾城市发展与热平衡中，保证自然下垫面在人工环境的设计整合中发挥出行之有效的气候收益。不仅弥补了对物理环境使用后评价的忽视，同时有效控制开发强度对物理环境的破坏。

5.3 提出因地制宜的水体景观气候调节性设计策略体系

1）尊重水体气候调节性在不同生物气候条件下的变化规律。生物气候条件是气候调节性水体景观设计的根本源头。水体气候效应的昼夜性、季相性与地域性特征可弹性回应不同气候类型下人们对滨水空间热舒适的诉求，更表现出多样带有地域特征的水体景观形式。

2）推动水体气候效益与多尺度城市空间关联的良好契合。顺应水体及植被气候效应在多尺度城市热岛下的演替规律。由于植被的气候效应单一且孤立，而水体特有的流动性更易于形成连续的冷却辐射链条。因此，水体与植被的协同策略应扬长避短、相辅相成（表4），并最大限度发挥植被气候调节性协同效益（表5）。

表4 不同城市发展密度及规模下的水体与植被设计策略Tab. 4 Water body and vegetation design strategies for different urban development densities and scales

表5 滨水绿地植被气候调节性协同效益设计指导参数Tab. 5 Collaborative design reference index of waterfront vegetation on climate regulation

3）针对不同设计尺度提出水体景观气候调节性策略。利用水体在不同空间层级下的气候应变能力作为连续的设计策略（表6）。

表6 不同空间尺度下水体景观气候调节性设计策略Tab. 6 Climate regulation design strategies for waterscape at different spatial scales

6 结语

大量基础研究证明水体景观气候调节性能够有效承载气候变化带来的热负荷。同时，随着学科交叉、理论支撑实践的研究模式逐步成为量化景观策略的主流思想。依托自然过程为主导的水体景观在适应不同地域气候特征与城市空间特征中，被赋予了新的气候调节性功能与属性，得以应对城市气候变化与挑战。同时，也为其他类型的景观设计提供了实验性与前瞻性的设计新思路。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1为Web of Science 文献可视化分析结果；图2～5为CiteSpace 科学计量软件分析结果；图6由作者基于CiteSpace 科学计量软件分析结果整理绘制；图7由作者基于文献[16-33]绘制；图8由作者绘制。表1由作者基于文献[38-45]绘制；表2由作者基于文献[53-55]绘制；表3由作者基于文献[12, 56-58]绘制；表4由作者基于文献[82]绘制；表5由作者基于文献[77, 80]绘制；表6由作者基于文献[12, 42, 53-65]绘制。