我国东部地区土地利用快速扩张、能源消耗高度集中,已成为世界上经济发展最快、城市化进程最为迅速的地区。大规模城市化伴随的土地利用/土地覆盖快速变化和大范围大气污染是高强度的区域性人类活动的产物,已给我国经济社会发展带来了巨大的环境压力。而中国东部地区位于全球最为活跃的东亚季风区,高影响气象灾害频繁,是全球气候脆弱区之一,近年来强降水等极端天气气候事件时有发生,给城市带来了巨大的物质和财产损失。本文采用耦合了城市冠层模型(UCM)的WRF模式和WRF-Chem模式,对中国东部城市群的天气气候效应开展了数值模拟研究,重点研究了城市化对夏季降水天气气候的影响机理,主要结论如下:(1)利用耦合了城市冠层模型(UCM)的WRF模式对京津冀城市群2008年一次夏季强降水事件进行了集合模拟,模式较好地刻画了此次强降水过程中的大尺度环流背景,对气温、湿度、风场等气象要素也有很好的模拟能力。模式还较准确地模拟出雨带的东北—西南走向特征,以及两个强降水中心的降水日变化规律。通过设计敏感性试验,研究了城市化对此次降水过程的影响,结果表明城市土地类型的改变使得城区白天接收到更多的太阳辐射,气温升高(城市热岛)、湿度减小(城市干岛)、地表风速减小、感热通量增加、潜热通量减小,累积降水在北京城区及其下风向区域增多,而在上风向地区减少。此外,提出了城市地表对这次锋面降水过程的影响机制,一方面,城市化导致了锋后整层大气冷平流输送减少,减慢了冷锋的移动速度,从而使得城区降水发生的时刻延迟。另一方面,随着锋面系统向东南方向发展,由于城市化造成近地面温度升高,城区的大气边界层不稳定性增强,有利于强对流的形成和发展,最终导致了城区降水强度的增加,并且降水的持续时间也有所延长,使得降水总量增加。(2)利用耦合了城市冠层模型(UCM)的WRF-Chem模式对京津冀城市群2008年一次夏季强降水事件进行集合模拟,并且通过设计敏感性试验分别研究了土地利用/土地覆盖的改变和气溶胶浓度的增加对这次降水过程的影响。揭示了土地利用/土地盖的改变与气溶胶浓度增加对降水过程具有相反的效应,但是气溶胶的浓度增加对此次降水过程的影响更为重要,最终减少了北京市西北面的降水,而增加了北京市东南面的降水。气溶胶浓度增加对降水的影响主要是通过间接效应引起的,随着降水系统自西北向东南方向移动,气溶胶的间接效应使得云滴数密度增加,云滴半径显著减小,不利于云滴的碰撞碰并过程。在上游地区由于云滴半径减小,蒸发明显增强,潜热释放减少,导致垂直上升运动减少,从而抑制了对流系统的发展,最终造成了上游地区(西北)降水减少。而在下游地区(东南),由于云滴上升至凝结层后凝结成冰晶的同时释放大量潜热,造成垂直上升运动增强,促进了对流系统的发展,最终导致了该地区降水增加。(3)利用包含城市单层冠层模型(UCM)的WRF-Chem模式对长三角城市群2006-2010年气候特征进行了模拟,分别研究土地利用/土地覆盖变化和人为气溶胶对气候特征的影响。城市热岛效应造成城市商业区夏季平均温度增加了1.49 ℃,冬季增加了 0.7 ℃。商业区周边地区温度在夏季也增加,而冬季则降低,这种冬季的冷却效应是由于城市的植被覆盖减少、土壤湿度降低和热惯性较大引起的。城市热岛的增温作用在夏季更加明显,导致城区每年夏季热浪天数平均增加3.7d。气溶胶浓度增加吸收太阳辐射,对近地面温度起到降温作用,但是与城市热岛效应相比,降温幅度较小,且气溶胶的作用不仅仅局限在城市地区,而是在城市下风向地区更为明显。(4)揭示了城市土地类型改变和气溶胶浓度增加对夏季极端降水频率具有相反的效应。城市热岛效应导致地面温度增加,加之城市土地类型的粗糙度更大,有利于地表辐合以及产生上升运动,导致午后极端降水增多。而气溶胶浓度增加吸收了更多的太阳辐射,使得大气增温而地面降温,导致大气稳定度增强而垂直上升运动减弱,最终造成城区以及下风向地区极端降水概率减小。此外,对不同的夏季降水个例而言,城市化对降水的影响存在差异性,这与降水过程所处的天气系统、环境条件以及降水发生的时间有关。城市化对降水过程的影响不仅取决于对局地大气辐合辐散的影响,还与城市化对大尺度环流背景的影响有关,因此城市化对降水的影响机制较为复杂,且存在不确定性。城市化对不同的降水个例影响不同,甚至完全相反,这种效应在不同的降水过程中有相互抵消作用,从而有可能使城市化对降水气候的影响变得不显著。