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近三十年来，北京经历了前所未有的快速的城市化过程。城市化造成了地表利用的改变和人为热的释放，是人类活动影响全球气候变化的重要途径之一。虽然城市化是局地尺度的，但是城市化可以通过改变大气组分，环流系统和水循环来影响区域气候。所以对城市化气候效应的研究，对于正确地理解土地利用影响气候的机理和在气候预报中如何考虑城市影响因子的作用，具有重要的科学意义和应用价值。 在过去的30年里，北京气象塔所处的位置经历了从郊区到城区的地表特征的改变。本文通过对北京和香河两个气象观测塔小时数据集的分析，结合数值模拟研究了北京边界层气象要素年际变化以及垂直廓线和日变化的年代际变化规律。并将城市化的贡献从气候背景场中提取出来;同时，研究了城市化对北京地区不同强度降水的影响特征和机制。主要结论如下: (1)年代际变化上，温度表现出逐渐上升的趋势，最显著的增暖发成在1980年代至1990年代。温度层结在这个阶段也有显著的改变。近地面逆温层的高度从1980年代到2000年代逐渐降低。另外，贴地的逆温在1990年代和2000年代消失。这种变化可能是由于城市表面的粗糙度增加和储热释放引起的湍流混合作用增强导致的。日变化上，在研究的30年中温度变化最大的时间段是在从日出到午后，这个特征是由于大尺度的自然变率和全球变暖导致的;而城市化主要贡献的时间段在下午和夜间。此外，城市化对平均地表温度的增加起主要作用。 (2)北京城市化影响了边界层风速，相对湿度和湍流通量。北京地区冬夏两季的风速在320米以下都呈现下降趋势，且夏季的风速减小趋势要大于冬季。风速的减小率随高度的降低而增大，风速的垂直递增率随着城市化进程逐渐减小。城市化导致风速在8时到14时减小最为显著。北京气象塔观测的相对湿度自九十年代以来并没有显著地上升或者下降的趋势，但是年代际的相对湿度略有降低。香河近地面的相对湿度大于北京地区意味着城市化导致近地面相对湿度显著减小。城市化导致潜热通量明显减小，减小作用在夏季更加显著，而对感热通量和湍流动量通量都有增加。 (3)利用WRF/UCM模式和多种高分辨的地表利用类型地图，研究了北京城市化的气候效应。研究表明，WRF/UCM模式对北京地区边界层特征的模拟性能较好，尤其是对温度，风速和相对湿度的模拟与观测十分一致，但是模式对北京夏季地表热通量的模拟效果不好，对城市地区感热通量的模拟明显偏高，而模拟的潜热通量明显偏低。北京城市化效应的强度与城市化的面积成正比。夏季城市热岛强度最大可超过2℃，对夜间的增暖起主导作用。城市化导致北京城区的风向由东风转为东南风，且显著地减小了10米风速。受到城市化的影响，相对湿度在全天都呈现减小趋势，最大减小值可达到15％。另外，城市化引起边界层抬升，最大抬升高度可达200米左右。 (4)利用最新版本的WRF V3.6.1耦合多层城市冠层模式BEP，并且在模式中使用2010年高分辨的地表利用地图和改进的城市冠层参数对北京7.21特大暴雨进行了模拟。和观测相比，模式对本次暴雨的模拟十分成功。在此基础上使用了1990和2000年高分辨的地表利用类型地图设计了两个敏感性试验，研究城市化对北京7.21降水的影响特征和机制。结果指出，城市化对本次暴雨的落区和强度都有重要影响。城市化导致降水在城市区域及其“上下风方向”区域都有显著的增加。城市化还造成降水分布更加集中，尤其是增加了降水量大于200毫米，以及降水强度大于40毫米以上降水出现的频率。另外，城市化对锋面降水过程的影响最为显著，由于城市地表粗糙度的增加，对锋面的移动有阻碍作用，使得城区锋面降水时间延长。 (5)在暴雨研究的基础上，利用WRF/BEP模式对北京地区不同强度的六次降水过程进行了成功地模拟。并设计去除城市的敏感性试验，研究城市化对北京不同强度降水的影响特征和机制。研究显示，城市化对暴雨的影响最明显，城市化造成城市区域及其城市“上下风方向”区域的降水量都有明显的增加，对总降水量的增加达到了25％左右。而对于中雨，城市化增加了城市“上下风方向”区域的降水，但对城市区域的雨量改变不显著。但是城市化对小雨的影响很小。本章提出了一个城市化对降水影响的可能机制，在城市边缘地区，由于城乡地表特征的差异，造成了地表热通量存在较大的水平梯度，而当环境背景场水汽输送充足时（如暴雨和中雨），容易在这些地区产生辐合上升运动，为对流系统的发展提供了适宜的条件，最终导致降水在城市周边地区增加。