城市化过程指将自然地表变成以不透水面为主要特征的城市用地的过程。城市化改变了土地覆盖和地表生物物理属性,地表反照率、粗糙度、植被覆盖度发生变化,导致地表水热平衡被打破。一方面,地表水热状况的变化打破了大气原来的热量分布和气压分布平衡,从而使气温、降水等发生变化,影响局地以及区域气候。另一方面,自然地表变成不透水面后,产汇流特性发生改变。其中,植被截留减少、下渗与地表蒸散发显著减少、产流量增大、汇流速度加快、径流总量变大,影响局地和区域的水循环过程。近年来世界许多城市地区的暴雨洪涝问题和环境恶化等问题日益突出,城市化的环境效应研究成为地理、水文、气象、环境等多学科的研究热点。长江三角洲地区是中国城市化程度最高,人口最为稠密的地区,也是世界上最大的大河三角洲和城市群之一。自80年代开始快速城市化以来,这一地区极端暴雨事件增多、洪涝灾害事件频发,经济损失严重。传统的城市水文学只关注产汇流过程,较少从热量平衡角度来分析城市化对降雨、蒸散发的影响。事实上,降雨、蒸散发变化会直接影响产汇流过程。因此,本文以长三角为研究区,从热量和水分平衡角度,着重城市下垫面变化引起的陆—气反馈作用,综合地理学、水文学和气象学,探讨城市化进程对地表下垫面,区域降雨、径流的影响。论文的主要研究内容和结果如下:(1)长三角城市化对下垫面和河流的影响研究选取三期Landsat TM遥感影像,通过解译提取长三角下垫面特征,分析长三角地区近30年城市化进程。该地区经历了 1990-2000年快速发展阶段和2000-2010年高速发展阶段,城市用地比重由4.9%(1990年),增加到9.2%(2000年)、继而增加至19.94%(2010 年)。以地形图和Google高分辨率遥感影像为数据源,分析城市化背景下长三角地区河流变化。研究得出长三角河网密度、水面率均存在衰减;高度城市化地区河流、水面衰减远大于其他地区;河流衰减的幅度与不透水面率呈正相关,相关系数达0.97。(2)长三角降雨变化特征及驱动因素分析基于国家气象站点日降雨数据,以13个极端降雨指标和降雨周期为研究对象,分析长三角降雨年际变化和季节变化的特征,提供了气候变化下长三角降雨变化的背景。研究得出:①年际变化上,长三角极端降雨呈增加趋势,但趋势不显著;②季节变化上,夏季极端降雨呈显著增加趋势;③长三角降雨周期在变短,短历时降雨发生频次和对总降雨量的贡献率在增加。气候变化背景下长三角地区降雨呈增加趋势。基于空间分布紧密的雨量站日降雨数据,通过对比城市和郊区的降雨差异来分析城市化对降雨的影响特征。研究得出:①城区年降雨量、极端降雨量大于郊区;②1963-2006年城郊降雨差距在增大,城市化的“增雨效应”明显,而2007-2012年城区降雨小于郊区,“增雨效应”在减弱,城郊降雨差异在城市化不同阶段呈现出复杂性特征。降雨驱动因素分析表明,受气候变化影响,长三角极端降雨呈增加趋势,而城市化则引起了城郊降雨的差异。这为城市化对降雨影响的数值模拟提供了观测数据支持。(3)基于陆—气反馈城市化地区降雨-径流模拟系统构建基于中尺度天气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),通过选取高分辨率下垫面数据、实时更新海洋表面温度(SST)、耦合城市冠层模型和三层单向嵌套(one-way triply nested),有效地提高WRF对高分辨率网格天气系统的模拟精度。控制实验中模拟气温、降雨的相关系数分别为0.89、0.72,验证实验气温、降雨的相关系数分别为0.94、0.80,构建的模式能够很好地模拟长三角夏季气温、降雨特征。(4)城市化对降雨和径流影响的数值模拟研究选取不同城市化阶段的下垫面(1990年、2000年、2010年)来进行情景模拟,探讨不同城市化时期下垫面改变对降雨和径流的影响,并探究其影响的物理机制。数值模拟结果显示:城市地区夏季降雨量、极端降雨量多于郊区,与雨量站观测资料一致。城市化对降雨的影响体现在:城市规模影响突出,上海地区城区和周围地区降雨变化明显,而其他城市变化稍弱;复杂的空间性,城市地区降雨增加,而中心城区降雨在减少,城市下风向地区降雨显著增多;城市化阶段性,1990-2000年下垫面变化使得城市上风向地区增雨明显,而2000-2010年下垫面变化,导致城市上风向地区降雨减少,下风向地区增雨明显。城市下垫面改变了显热和潜热的分配平衡,产生城市热岛效应,导致对流活动增强,在一定程度上增加了长三角夏季对流降雨量;城市化对其他类型降雨(锋面雨、台风雨)的不同作用,使得城市化进程对夏季总降雨的影响呈现阶段性和复杂性。从整个长三角地区来看,下垫面改变使得城市地区径流、产流系数增加最为明显;同时,城市周边15km的区域夏季径流也呈微弱增加。从不同城市化水平流域来看,以黄浦江流域为代表的高度城市化流域径流变化最大,而近自然状态流域(西苕溪流域)径流变化对城市化进程最不敏感;1990-2010下垫面改变,近自然流域、低度、中度、高度城市化流域夏季径流变化分别为-4.66mm、47.75mm、58.25mm和93.22mm。