第1章相关学科基础与研究进展
面向微气候韧性的城市设计涉及大气科学、公共卫生与预防医学、环境科学与工程、城乡规划学、建筑学、力学及计算机科学与技术等多个一级学科，体现出学科高度交叉的特点。其中城市气候学、公共卫生学奠定了微气候诸多要素的研究基础，计算流体力学和城市环境物理学为研究过程中具体的数理模型和方法提供了支撑，城乡规划学和建筑学中的城市设计则提供了大量的气候响应设计实践。此外，微气候研究在城市地理学、环境心理学、流体力学、热力学、城市灾害学、环境生态学、城乡规划技术科学和城市形态学等领域也有涉及，如图1.1所示。本章首先介绍其中较为主要的六大学科基础，以及所涉及学科在本领域研究中的突出贡献，然后对本领域不同层面上的研究进展进行阐述，为后续章节内容奠定基础。
图1.1面向微气候韧性城市设计研究相关学科基础
1.1相关学科基础
1.1.1 城市气候学
太阳辐射、大气环流和下垫面状况都是引起气候变化的重要因素，其中下垫面状况*易受到人类活动影响，其余因素则在特殊的地形地理条件下形成了区域大气候背景（于文英等，2010）。城市气候就是在区域大气候背景下，受城市下垫面改变及其他人类活动影响所形成的局地气候（王伟武，2020）。城市气候学是研究城市气候特征、变化、形成原因及应用的学科，是大气科学的分支学科之一。城市气候学的研究范围包括城市边界层（urban boundary layer）、城市尾羽层（urban plume layer）和城市覆盖层（urban canopy layer），如图1.2（Oke，1976）所示。其中，城市覆盖层与人类活动关系*为紧密，参考气象学家巴里（Barry）的城市气候尺度分级，城市覆盖层属于微气候尺度，为本书重点研究范围，如表1.1（吉野正敏，1989）所示。
图1.2城市大气分层示意图
城市气候系统研究始于19世纪初，英国气象学者卢克 霍华德（Luke Howard）通过对比伦敦市区和郊区大量气象数据，总结出伦敦的气候特征，并于1818年出版著名的专著《伦敦气候》；此后，欧洲和北美学者相继展开了巴黎、柏林、慕尼黑等多个城市的气候研究。1937年德国学者克拉策（Kratzer）出版了世界上第一部通论性城市气候著作《城市气候》，记录并总结了20世纪30年代前的城市气候研究工作，多以描述特征和现象为主。第二次世界大战以后，随着城市重建与扩张，城市空气污染问题日益凸显，引起全球广泛关注。1968年，联合国世界气象组织气候学委员会第一届国际性城市气候会议在布鲁塞尔召开；1981年，兰兹伯格（Landsberg）出版了继克拉策后又一版《城市气候》，对全球尤其是发达国家城市气候研究进行了总结，并系统剖析了城乡气候差异及原因，比之前仅对特征和现象描述有了巨大的飞跃。我国城市气候研究起步较晚，首部气候专著《城市气候学导论》于1985年出版，作者周淑贞教授在城市气候领域有着深厚的研究积累，该专著极大地推动了我国城市气候研究发展。
城市气候学建立在自然科学与社会科学之间，兼具理论意义和应用价值。除观测城市气候、研究其形成原因和过程，以及建立城市大气覆盖层和边界层数值模式等理论外，城市气候学作为一门应用学科还与城市规划和建设活动联系紧密。总体来看，*初城市气候学的研究主体多为大气领域的专家学者，他们从自身专业角度对城市气候问题进行了深入的实证研究，但由于学科背景和研究尺度的差异，对如何在城市空间层面改善微气候环境缺乏进一步探讨。目前越来越多的城市空间工作者参与其中，从应用层面探讨环境改善微气候的方法和途径。
1.1.2 公共卫生学
公共卫生学是通过组织社会资源，使用健康促进、环境卫生、社会科学等技术和手段，为公众提供疾病预防和促进健康的一门学科，属于预防医学范畴，流行病学、卫生统计学和卫生政策与管理学都与其密切相关，同时还涉及环境卫生、行为健康、卫生经济学、公共政策、职业安全等多个领域，是一门典型的交叉学科。
公共卫生与城市规划这两门学科渊源深厚，均是为了应对19世纪中叶西方国家城市严峻的公共健康问题而诞生，*初有着共同的根源和相似的理念（赵东昊等，2020）。1848年英国的查德威克（Chadwick）主持制定的《公共卫生法》是历史上第一部综合性公共卫生法案，这一时期对公共健康的考量主要集中于物质环境建设，一系列措施成为现代城市规划实践的先驱；19世纪末至20世纪初，随着“瘴气说”的势微和“细菌说”的突破，公共卫生领域研究从物质环境建设更多地转向了细菌学研究，两者逐渐分化，学科壁垒加深；面对20世纪中期以来城市公共健康逐渐恶化的突出问题，两个学科再度走向理论与实践的融合，至此两学科发展经历了“同源—分化—再交汇”的演变进程（杨瑞等，2018）。可见，在建成环境和公共健康领域，公共卫生与城市规划存在明显交汇，两学科理论和实践相辅相成，共同促进城市公共健康水平的提升。
公共卫生学以研究环境对人体健康的影响为主要目的，在微气候研究中，更多从人体健康需求出发对微气候环境提出指导要求。21世纪以来，非典、新冠等疫情全球蔓延，气溶胶作为病毒传播渠道之一备受关注。然而人类赖以生存的空气中微粒无处不在，恰好构成一个宏大的气溶胶世界。为此，卫生防疫、环境科学等方面的专家学者纷纷从公共卫生学角度提出消毒、通风等措施指导公众科学防疫，在此过程中空间规划等相关部门也积极响应，通过调整空间布局创造良好通风条件。
1.1.3 计算流体力学
微气候环境是建立在室内外空间尺度上的湍流动力学和热力学问题。计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）是一门集流体力学、数值计算方法和计算机图形学为一体的流体运动模拟技术，属于计算科学和流体力学的交叉范畴，适用于微气候领域研究。CFD方法的核心思想是将时间离散成时刻，将空间离散成网格节点，将流体力学方程组离散转化为代数方程组，然后利用电子计算机求解得到在离散的时间和空间点上的数值解，进而获取所需要的信息。这是在计算机技术高度发展背景下，继理论研究和实验研究后的“第三种方法”，20世纪60年代逐渐形成独立的学科，并在之后几十年迅速发展，成为流体力学研究的重要工具，同时也在相关工业应用中发挥重要作用。相比理论研究和实验研究这两种传统方法，CFD技术除成本低、速度快等优势外，还可以在设计初期就进行基地分析，并且可以直观而全面地获取任意复杂流动的全部信息（曾礼等，2018）。
1974年，丹麦的尼尔森（Neilsen）首次将CFD技术应用于空调工程模拟室内空气流动，基本的应用流程是基于流体力学的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations，N-S方程），对一定空间的气流建立湍流模型，在合理的边界条件和参数下模拟该空间内流体流动造成的速度场、温度场和浓度场，直观显示模拟结果、识别规律并优化方案（余庄等，2007）。目前各种商用CFD软件日益强大，用户体验也越发友好，用户甚至可以在不甚了解计算原理和规则的情况下，仅靠软件自带的默认状态就能得到相应的计算结果（刘京，2017）。虽然商业软件的出现可以免去一系列复杂的编程工作，也降低了跨学科的研究难度，使学者可以把更多的精力集中在解决环境问题本身，但由于商业软件的源代码不公开，加之湍流计算模型自身的简化处理及各种假设带来的偏差等，对结果的可信度产生一定影响，所以常常需要通过其他方式辅助验证计算结果的准确性。
1.1.4 城市环境物理学
城市环境物理学利用物理学原理分析环境因素运动变化规律和存在形态，阐述如何利用规划手段改善日益恶化的城市热湿环境、声环境、风环境、光环境等，提供创造良好城市物理环境的基本知识和方法，是介于环境科学和建筑科学之间的一门交叉学科。城市环境物理学和环境工程学都是以提升环境品质为目的，区别在于城市环境物理学是利用空间规划设计创造良好物理环境，偏向建筑科学；而环境工程学则主要依靠设备技术手段解决环境问题，偏向环境科学。
城市环境物理学的研究对象包括城市湿热环境、风环境、大气环境、声环境、光环境等，除声环境和光环境，其余均属于城市微气候环境研究范畴。城市气候环境研究涉及众多一般规律，其中热岛环流是城市风热环境研究中的一个典型现象。由于下垫面改变、人类活动密集，城市温度高于周围郊区和农村，城市核心区大气受热膨胀抬升造成近地面低气压，周边气温较低的高气压冷空气水平流动补充，如此循环往复形成城市热岛环流（王伟武，2020）。热岛环流会形成吹向城市的风，同时也会使污染物在城市上空集聚形成烟幕。热岛强度是热场分布的重要表达形式，受城市地理位置、人口密度、产业布局、下垫面特性等综合影响，当通风达到一定强度时热量很快被带走，热岛强度会随之减弱以至消失，此时的风速称为极限风速，一般与城市规模成正比（曾礼等，2018）。在城市大气环境研究中，污染物的传输和扩散问题常被关注。对于近地面污染，一般通过加强城市通风向郊区扩散稀释，或者通过绿化吸滞污染；而对于污染物高空排放，一般利用区位布置和抬高烟囱等方式，提升排放高度使污染物扩散得更远。了解和掌握城市气候环境规律是气候改善的前提，充分利用自然规律对物质空间进行合理改造，微气候韧性提升将事半功倍。
1.1.5 城乡规划学和建筑学
城乡规划学自孕育之初就致力于解决城市和乡村人居环境发展中的现实问题。经过近百年的发展，城乡规划学基于建筑学和工程学的知识基础，与地理学、生态学、经济学、社会学、历史学、政治学、公共管理学和系统科学进行交叉，不断回应城乡社会发展需求，逐渐从建筑学中分化出来形成独立的知识体系（石楠，2021）。城乡规划学和建筑学关系十分紧密，尤其在城市设计领域存在明显交织，一方面城市设计通过建筑学三维模型让城市规划从图纸上立起来，另一方面城乡规划又控制住个别试图标新立异的建筑，以城市整体的形态塑造为媒介创造城市环境。从微气候研究角度看，城市物质空间形态作为城市设计的核心内容对微气候环境有着至关重要的影响。因此，鉴于城市设计的跨学科特质，城乡规划学和建筑学两学科均为本研究的重要学科基础。
规划是城市开发建设的重要依据，很大程度上决定了城市下垫面状况，进而影响城市气候。城市设计首先以抽象化、数据化的城市规划宏观部署为基础，进而关注具体性、图形化的城市空间立体形态。规划着眼于更大的空间尺度，确定城市的整体构成及与周边的衔接关系，在充满冲突的城市机能中决定城市内部土地利用问题，而城市设计则侧重城市规划未能详细处理的工作，协调城市中交通、建筑、开放空间、绿地系统等各种要素关系，建立空间组织，然后运用建筑学相关理论方法整体构建建筑体量和形态等（刘维彬，2006）。从宏观到微观，从抽象到具体，城市设计总是通过控制和影响城市空间形态特征的方式作用于城市微气候。同时，每个城市还会根据自身特点和需要制订相应的专项规划，其中城市风道规划、绿地系统规划、河湖水系规划、海绵城市规划、生态环境保护规划等都从不同视角对城市微气候进行优化，均可通过城市设计进行统筹。
迄今为止，国内外规划领域学者已经通过定性、定量方法对城市尺度气候研究进行了大量基础性研究和实践探索，比较典型的工作有城市气候评估和城市气候适应性设计等。其中城市气候评估多适用于大规模建设和改造项目，利用数值模拟、风洞试验等方法对规划方案整体气候状况进行模拟，以是否达到降低气温、减少污染等目的作为方案评价的依据，或者探索各种空间形态变化对微气候的影响规律，使气候适应性设计有据可循。
1.2研究进展
1.2.1 研究概况
在中国知网（CNKI）和WebofScience（WOS）两个权威数据库分别展开国内外相关文献搜索。国内文献搜索范围限定在核心期刊、中文社会科学引文索引（Chinese Social Science Citation Index，CSSCI）和中国科学引文数据
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