城市下垫面仅占地球陆地面积的3%，却有超过50%的人口生活在其中。随着世界范围内城市化进程的加快，越来越多的人将直接受到城市环境的影响。在全球气候变化的背景下，城市环境问题越来越受到关注。城市下垫面水热通量是研究城市环境的核心问题之一，并因城市下垫面条件复杂而增加了其研究难度。本文从一般的地表能量平衡关系入手，对其控制要素进行了理论分析；之后对更为复杂的城市下垫面，从观测数据分析和陆面过程模拟两方面开展工作，研究了城市下垫面水热通量对局地微气候的影响及机理。本文首先对地表能量平衡中一类重要现象：净辐射与地表热通量之间的滞回效应，进行了其控制机理的理论分析。通过建立净辐射与地表热通量的参数化方案，本文分析了二者滞回关系的物理影响机制，发现滞回关系体现的相位差主要受外界辐射强度比和土壤水分通量强度控制。对于城市下垫面水热通量的实际特征，本文选取北京地区分别位于城区（北京）和乡村（香河）的两处通量站的观测数据进行了对比分析。分析结果表明：香河站接收的短波辐射大于北京站，接收的长波辐射小于北京站；春、冬季节两站显热、潜热通量差异不明显，夏、秋季节北京站显热明显高于香河站，而潜热显著低于香河站。对于城市下垫面水热通量的模拟，本文通过强化水文过程和引入绿化屋顶的方式，改进发展了城市冠层模型PUCM，并从内部属性要素和外部强迫条件两方面通过数值模拟研究了城市下垫面水热通量的控制条件。模拟结果表明：（1）屋顶反照率对显热通量影响最为显著，而绿化屋顶比例对潜热通量的改变最为明显；（2）入射太阳辐射和下垫面水分含量对水热通量具有关键控制作用。本文最后将PUCM与气象模型WRF进行耦合，针对北京地区建立包含城市陆面过程的中尺度模式，以热浪天气为背景，通过调整绿化屋顶覆盖率的方式改变城市地区下垫面水分，研究了控制城市下垫面水热通量对局地微气候的影响以及相应机理。结果表明：（1）改变城市下垫面水分条件可以有效影响近地气温、湿度及风速；（2）控制水热通量分配不仅影响垂向的地表能量平衡，还会改变局地水平对流模式并进而影响局地微气候。