如何提出科学问题？

——从剖析经典理论与基本概念开始

（余兆武 复旦大学环境科学与工程系 研究员 email: zhaowu_yu@fudan.ed.cn）

·      除了清楚明白的观念外，绝不接受其他任何东西；

·      必须将每个问题分成若干个简单的部分来处理；

·      思想必须从简单到复杂；

·      我们应该时常进行彻底的检查，确保没有遗漏任何东西。

—— 引言

笛卡尔《谈谈方法》

勒内·笛卡尔 (René Descartes, 1596-1650)

§  提出科学问题是科学研究的基本逻辑起点 

        进行科学研究最重要的部分或者基本逻辑起点就是如何提出科学问题。提出一个好的科学问题是科学研究中面临的首要问题，也是大多数刚开始从事科学研究的研究生与处于学术生涯起点的青年学者最为疑惑且关注的问题。著名科学家与哲学家波尔曾经说过：“准确地提出一个科学问题，问题就解决了一半”。爱因斯坦也曾明确指出：“提出问题往往比解决问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步”。中国科学院植物研究所蒋高明研究员则指出，科学问题的提出来自于以下5个方面：（1）科学问题来自人类的好奇心；（2）科学问题来自实践与生活；（3）科学问题来自怀疑精神；（4）科学问题来自知识积累；（5）科学问题来自知识交流。据此可以看出，自从16世纪科学革命人类用科学的视角认识与改造世界以来对科学问题的提出（也包括科学假说与科学理论）就是关键且重要的步骤。

§  解刨经典理论与概念是提出科学问题的重要思路

       事实上，如何提出一个科学问题是一个宏大且充满争论的话题。例如，什么是科学问题及如何提出科学问题都可以写成鸿篇巨著，根本不是一篇小文章所能够说明白的，这也不是本文的核心。本文试图根据笔者的学习科研经历与思考方法（批判性思维与系列性思考），结合笛卡尔在其《谈谈方法》中提到的几个基本逻辑思考方法（参考引言）谈论如何提出科学问题——从经典理论与基本概念开始。

        首先，笔者近年来主要从事城市热岛效应及其缓解研究。1833年，英国科学家Luke Howard首次在伦敦观测到城区气温高于周围郊区气温的现象。城市热岛效应是随着快速城市化与气候变化双重影响下典型的城市环境问题。城市热岛效应会产生诸如降低空气质量、增加能源与水资源使用以及损害居民健康与福祉等一系列负面效应。根据联合国《世界城市化回顾 2018》(World Urbanization Prospects 2018) 报告指出，截止2018年全球已经有55%的人口居住在城市地区，而这一数据在2050年将达到68%。具体到我国，根据国家统计局数据显示，截至2020年末，我国城市化率已经超过60%，且根据预测这一数值未来将以每年1%左右的速度上升。更重要的是，近几十年来，城市化的发展出现了一种新的空间表现形式，即城市群或者城市带。这一新的空间表现形式则进一步加剧了城市与区域尺度的热岛效应。

       然而，关于城市热环境的研究却存在一个基本的问题，即城市热岛的定义是什么？如何定量城市热岛强度？这一问题对于普通民众与专业人士显然有不同的理解。 从普通民众的基本认知来看，大概从字面意思上理解城市热岛就是“城市中温度较高的地方，像岛屿一样”。这样认知不能说是错误的，也跟经典的关于城市热岛的定义：“城市热岛是指城乡之间的温度差”（Oke, 2002）出入不大。但是，作为一个从事城市热岛效应研究的学者而言，回顾自己刚进入城市热岛这个研究领域就被这个基本定义“搞晕了”，因为在阅读大量相关文献发现不同的学者对这一概念的理解都是不一样的，更重要的是基于不一样理解而采取的定义城市热岛强度的方法也不一样，导致同一个城市，例如北京同一时间热岛强度的差异可以相差5～10摄氏度。按照笛卡尔提出的思考问题的基本原则：除了清楚明白的观念外，绝不接受其他任何东西。笔者开始批判性、系列性的开始了对经典的城市热岛理论与定义的解剖与研究。

§  大胆假设，小心求证 vs. 批判思维，系列思考

       笔者研究发现，关于城市热岛的定义与分类已经有很多。例如，基于气温(air temperature)与基于地温(land surface temperature)的城市热岛效应，以及地上、地下、冠层及边界层城市热岛效应的分类。同时，笔者也对经典的关于城市热岛的定义提出了质疑，最直接的质疑就是经典的关于城市热岛的定义无法解释类似中国这样土地格局混合的情况及城市群这种新的情况（即城市互相连接成群，就无法确定哪里是“城”哪里是“乡”）。事实上，国际城市气候研究领域的权威科学家T. R. Oke也意识到了这个问题，于是与其学生Iain Douglas Stewart博士一起提出了局地气候区（Local Climate Zone，LCZ）的概念（图1）。他们将城市分为17种土地使用类型，然后基于LCZ分类来确定城市热岛效应（如城市热岛强度可以定义为 LCZ 1 – LCZ A）。

       笔者通过研究发现，这种分类虽然能够部分解决经典定义的某些不足，但是依然无法回答如上文提及的混合的土地使用格局与城市群的状况，并至少在理论、技术及应用三部分存在不足（图2）。并在此基础上提出了基于功能区的城市气候区分类体系（Yu et al. 2021）。 笔者提出的这个新的分类体系尽管不试图取代过去的定义与分类，但是可以进一步深入刻画城市气候分异，且能够为城市气候规划与能源节约等提供更为直接的依据。更重要的是进一步加深了、扩展了对城市热岛定义的理解，能为城市热岛效应缓解提供更直接的思路。此外，基于城市群已经成为城市化发展的新的空间表现形式这一新情况，笔者也进一步提出了在城市群尺度下应该用区域热岛(region heat island, RHI)代替城市热岛(urban heat island, UHI)，这样可以更加精确的反映区域尺度的热环境效应（Yu et al, 2019），因为在城市群尺度上，热岛之间相互作用可能产生叠加效应，城市群由于城市之间的距离缩小或者消失，可在一个连续的区域内大幅度的改变热环境，使得单个城市的热岛效应不再是一个局地现象，城市热岛（UHI）概念也需由区域热岛（region heat island， RHI）所替代。目前这一概念也得到了国内外同行的认同与跟进研究。并且，基于城市群尺度上如何确定背景值（即“乡村”）从而定义区域热岛强度的问题，笔者指导学生进一步提出了结合土地覆盖类型、海拔、年最大植被指数和人为热排放四个指标提取受城市化影响最小的周边背景（图3），从而构建定量评估区域热岛强度的方法（Chen and Yu, 2021）。

图1 Local Climate Zone分类城市气候分析与定义城市热岛体系（Steward and Oke, 2012）。

图2 Local Climate Zone分类体系的不足之处（余兆武，2021）

        在对城市热岛效应基本理论与概念批判性分析的基础上，笔者进一步系列性思考提出了如何缓解城市热岛效应的方法。提出了诸如城市蓝绿空间降温效率的阈值（threshold value of efficiency, TVoE）（Yu  et al. 2017, 2018, 2019, 2020）、从图论视角缓解热环境效应（Yu et al. 2021）、城市热安全格局(Yu et al. 2020)等一系列概念与研究，并进一步证明快读城市化过程中保护原生森林生态系统对缓解区域热环境的重要性（Yu et al. 2019）。提出的这些概念与研究也已得到国内外同行的认同，如目前笔者有3篇论文是Web of Science Core collection数据库高被引论文（highly-cited paper），1篇为Urban Forestry & Urban Greening期刊历年最高被引论文。

   图3 区域热岛与定量区域热岛强度的方法（Chen and Yu, 2021）

§  基本路径：学习经典，剖析经典，发展经典

       总之，通过对近年来研究历程的简单介绍可以看出笔者基本遵循了从学习经典、剖析经典到发展经典的路径。这一思维过程也让笔者不断提出新的科学问题，并在此基础上回答或解决这些科学问题。

        可以肯定的是，如何提出科学问题将会是一个不断被讨论且没有定论的“科学问题”。面对这样的“科学问题”，我想我们可以遵循笛卡尔在《谈谈方法》中提出的4条思考问题的基本原则，通过批判性思维与系列性思考得以更好的解决。同时，通过对经典的学习与剖析，从经典理论与基本概念开始提出科学问题。

§  参考文献

1.     Zhaowu Yu*, Jinguang Zhang, Gaoyuan Yang, Juliana Schlaberg. Reverse thinking: A new method from the graph perspective for evaluating and mitigating regional surface heat islands. Remote Sensing, 2021, 13:1127

2.     Stewart, I.D.; Oke, T.R. Local climate zones for urban temperature studies. Bull. Am. Meteorol. Soc. 2012, 93, 1879–1900.

3.     Zhaowu Yu.; Jing, Y.; Yang, G. Sun, R*. A New Urban Functional Zone-Based Climate Zoning System for Urban Temperature Study. Remote Sens. 2021, 13, 251. https://doi.org/10.3390/rs13020251

4.     Zhaowu Yu*, Tingting Chen, Gaoyuan Yang, Ranhao Sun*, Wei Sun, Henrik Vejre. Quantifying seasonal and diurnal contributions of urban landscapes to heat energy dynamics. Applied Energy, 2020, doi: 10.1016/j.apenergy.2020.114724

5.     Zhaowu Yu*, Ole Fryd, Gertrud Jørgensen, Gaoyuan Yang, Nevruz Cinar Özdil, Henrik Vejre. Where and how to cool? An idealized urban thermal security pattern model. Landscape Ecology, 2020, doi: 10.1007/s10980-020-00982-1

6.     Zhaowu Yu*, Gaoyuan Yang, Shudi Zuo, Gertrud Jørgensen, Motoya Koga, Henrik Vejre. Critical review on the cooling effect of urban blue-green space: A threshold-size perspective. Urban Forestry & Urban Greening, 2020, doi: 10.1016/j.ufug.2020.126630

7.     Zhaowu Yu*, Yawen Yao, Gaoyuan Yang, Xiangrong Wang, Henrik Vejre. Strong contribution of rapid urbanization and urban agglomeration development to regional thermal environment dynamics and evolution. Forest Ecology and Management. 2019, 446: 214-225.

8.     Zhaowu Yu*, Yawen Yao, Gaoyuan Yang, Xiangrong Wang, Henrik Vejre. Spatiotemporal patterns and characteristics of remotely sensed regional heat island during the rapid urbanization (1990-2015) of Southern China. Science of the Total Environment. 2019, 674:242-254.

9.     Zhaowu Yu*. Xieying Guo, Yuxi Zeng, Motoya Koga, Henrik Vejre. Variations in land surface temperature and cooling efficiency of green space in rapid urbanization: The case of Fuzhou city, China." Urban Forestry & Urban Greening, 2018, 29: 113-121.

10.  Zhaowu Yu*, Xieying Guo, Gertrud Jørgensen, Henrik Vejre. How can urban green space be designed for urban climate adaptation in subtropical cities? Ecological Indicators, 2017, 82: 152-162.

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余兆武，博士，复旦大学环境科学与工程系研究员。博士毕业于丹麦哥本哈根大学地球科学与自然资源管理系（两年半拿到博士学位），随后继续在哥本哈根大学从事博士后研究，并于2019年获得哥本哈根大学助理教授(Assistant Professor)职位，博士生导师。2020年12月开始全职进入复旦大学环境科学与工程系工作。主要从事城市生态与健康、城市气候与环境规划相关研究与教学。复旦城市生态与生态暴露学研究组(Urban Ecology and Ecological Exposure Lab, UEEE)组长。中国生态学会“生态学青年人才托举工程”（2020）入选人。目前以第一作者/通讯发表生态学/地学领域主流SCI期刊发表论文20余篇，其中3篇为Web of Science Core Collection数据库高被引论文，1篇为Urban Forestry & Urban Greening杂志历年最高被引论文之一。截止目前，主持国家自然科学基金面上项目、上海市自然科学基金面上项目、城市与区域生态国家重点实验室等基金项目等10余项，同时参与欧盟Horizon 2020，国家自然科学基金面上基金等多项。