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本文在系统回顾国内外城市化气候效应研究的基础上，基于中国地区均一化地面气温数据集等资料、利用区域气候模式WRF-UCM，从观测分析和高分辨率模拟两个方面深入研究了中国近三十年城市化对中国特别是东部三大城市群（京津冀、长三角和珠三角）区域气候的影响及其物理机理。主要研究结论概括如下: (1)进一步量化城市化增温效应 利用1978-2008年北京地区20站均一化逐日气温资料，采用多指数聚类分析方法，对观测站点进行客观划分，评估了城市化对地面气温和极端温度的影响。研究表明，城市化效应对北京地区城市站点观测的年平均气温增暖趋势(0.604℃/10年)存在10.9％的贡献（受此影响最严重的北京站达到18.4％），对年平均最低温增暖趋势（0.828℃/10年）存在12.7％的贡献(影响最严重的北京站达到20.8％)，对温度日较差下降趋势的贡献为24.0％（影响最大站点的贡献达37.4％或0.150℃/10年）。城市化效应对城市站点最高温影响较小，对暖（冷）夜的上升（下降）趋势贡献为12.7％(29.0％)。相比以往基于原始观测序列的分析，上述研究获得了更为确切而细致的评估结果。此外，基于大陆地区753站均一化逐日气温数据集，利用两类站点分类标准（城市土地覆盖百分比和夜晚灯光强度），定量分析了城市化对中国南方地区区域温度和极端温度的影响。研究发现，城市化效应对该地区1979-2013年站点观测的区域增暖趋势（0.320℃/10年）的贡献为11.3-13.0％（0.036-0.042℃/10年）。城市化对温度变化的影响主要体现在夏季和秋季，其次是春季和冬季。城市化效应对城市站点过去近三十年暖（冷）夜的上升（下降）趋势存在16.7％（1.436天/10年）和14.3％（-1.028天/10年）的显著贡献。这些结果为评估中国区域尺度增暖记录中的城市化效应提供了新参考。在城市化增温效应研究中，除了前述两项工作用到的城乡站点对比方法，观测资料减再分析资料(OMR)方法也被广泛应用。然而，以往基于OMR方法的城市化效应评估结果常常难以与传统的站点对比分析结果相吻合。分析表明，现有再分析资料很难完全反映气温观测序列中的多年代际分量，进而严重影响OMR短期线性趋势的计算，导致不同时段不同地区城市化的气候效应评估结果出现矛盾。将再分析资料气温序列中的多年代际分量校正后，OMR趋势前后变得更加一致，比原始的OMR趋势值小很多。根据新方法估计:北京、上海这样的大城市站点近几十增温记录中的城市化额外增暖趋势为0.04-0.1℃/10年。这和之前基于均一化的站点序列对比分析结果是可比的。 (2)城市化区域气候效应的物理机理研究 首先，利用高质量的土地类型数据和网格化能源消耗数据，通过长时间高分辨率嵌套模拟，研究了城市土地利用变化和人为热释放对中国三大城市群区域气候的影响。模拟结果表明:城市土地利用变化引起中国三大城市群区域平均地面气温分别上升0.31℃、0.44℃和0.28℃，城市地区达1.10℃、1.31℃和1.15℃。夏季城市增温幅度是冬季的两倍，夜间增温强于白天。城市土地利用变化导致更少（更多）的地表潜热（感热）通量，使得大气低层温度上升、水汽含量减少。城市土地利用变化影响区域降水量及其空间分布，对夏季降水存在强烈的扰动。其可能原因是城市扩张显著增加大气边界层高度，使得大气低层水汽混合更加均匀，从而降低低层大气的湿度梯度，进而减少对流有效位能，抑制深对流的发生、发展，最终导致城市地区夏季降水的减少。此外，研究发现，人为热释放导致三大城市群区域平均温度分别上升0.12℃、0.34℃和0.21℃，城市地区区域增温分别达0.40℃、0.91℃和0.78℃，冬季地面气温上升明显高于夏季。人为热释放影响珠三角和长三角地区的降水量及其空间分布，其中夏季降水受人为热释放的扰动最强。人为热释放作为感热通量有效促进了对流活动的发生和发展，可能会使城市地区夏季降水增加。考虑到京津冀地区大气污染和水资源匮乏问题日益恶化，在城市土地利用变化和人为热释放区域气候效应研究基础上，通过长时间高分辨率数值模拟，研究了人为气溶胶对京津冀地区夏季降水的可能影响。研究发现，人为气溶胶增强城市地区夏季降水，并使降水谱分布由小雨/中雨转移至大雨/特大暴雨。气溶胶引起的辐射强迫、地表热通量变化增加大气稳定度，抑制降水的发生，可能不是降水变化的主因。城市地区对流能量和上升运动因人为气溶胶而增强。人为气溶胶间接效应引起的系列变化，最终可能导致城市地区降水的增加。城市人为气溶胶和土地利用变化对降水的影响不一致，可能是导致观测中较难检测城市化降水效应的原因之一。 (3)城市化对极端天气气候事件（热浪和暴雨）影响的案例研究 数值试验表明，城市化使得2013年夏季中国东部极端热浪期间长三角城市地区日平均气温上升约1.5℃。相比于白天，夜间城市增温更明显，气温变化在日落时分（19时）达到峰值。白天城市地区感热（潜热）通量显著增加（减少）是导致白天城市增温的主因。城市增温幅度和热浪强度之间存在协同变化关系，表明热浪在一定程度上增强城市增温效应。该现象形成的主要原因是城市热容量比乡村要高，热浪期间城市白天吸收并存储更多辐射能，并在夜间释放并加热低层大气，加之热浪期间风速降低，因而形成夜间更强的城市增温。通过对北京7-21暴雨的模拟发现，城市化影响降水的主导机制随城市发展而转换，暖季降水对城市规模大小存在潜在敏感性。数值试验表明，早期城市化效应使得城市下风向降水显著增加;当城市扩张到一定程度后，城市化对降水的影响却变得不那么显著。城市化正面机制（如城市热岛、感热增加、风场辐合和上升运动加强）在早期城市化降水效应中起着主导作用。更大规模的城市化则使得地表水汽蒸发大受抑制，大气边界层被抬升引发城市低层水汽亏损，一定程度上抵消城市对区域降水的正面机制影响。本文利用长期区域气候模拟结果分析，揭示了这一导致以往研究颇多争议的问题症结所在。