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20世纪中叶以来，包括温室气体、大气污染物排放，土地利用变化等人类活动是造成全球气候系统变暖的主要原因。城市化是一种最强烈的土地利用变化，随着城市的发展，城市地表热力、动力过程对城市区域的大气边界层产生作用，从而对城市区域气候和环境产生影响。中国是全球城市化发展最快的地区之一。中国东部地区的京津冀、长江三角洲和珠江三角洲特大城市群集聚了大量的人口。这些城市及城市群对区域气候产生的效应将直接影响几亿居民的日常生活与健康。因此，开展我国城市化的气候效应及未来城市区域气候预估的研究非常重要。 本文通过观测资料分析及应用WRF进行数值模式模拟，研究实际的城市化进程对我国东部气温序列和京津冀城市区域夏季气候的影响，并且预估未来我国东部地区及主要城市温度、降水和极端高温的变化，得到的主要结论如下: (1)基于城市对于地面气温的影响在静风、无云的晚上最明显，在大风、多云的晚上最小这一场地试验观测事实，用一套经过均一化处理的中国地区逐日平均、最高以及最低气温序列资料集，分析了中国东部地区在不同风速、云量条件下地面气温变化的趋势。结果表明从1960年到2008年，中国东部地区（20°-45°N，110°-125°E）由于城市化造成的气温增暖为0.03℃/10a。而从1979年到2008年，中国东部地区由于城市化造成的气温增暖为0.66℃/10a。在中国东部地区以及不同纬度带的三大城市群区，即京津冀、长江三角洲和珠江三角洲城市群区，城市化导致的增暖都在夏季最小。 (2)使用WRF/Noah/UCM模式，对比了不同的边界层方案和积云对流参数化方案组合对中国区域气候及京津冀城市化效应的模拟结果。通过和大量观测数据的比较，确定最优参数化组合方案GD_MYJ。根据北京地区的下垫面情况，调整了UCM模型中的城市建筑高度等参数，并加入了具有日变化的人为热。对2008年夏季模拟结果的检验发现:模式模拟的中国东部夏季大气环流、温度、降水和感热的分布型和京津冀的城市热岛及其日变化等都与台站观测、遥感和再分析等资料得到结果基本一致，具备对京津冀城市群区天气要素良好的模拟性能。 (3)利用WRF模式对京津冀城市群区长时间（2008-2012年共5年夏季）有无城市的试验结果表明，城市化使得城市夏季夜间的城市热岛最强，夏季总降水量减少，但减少趋势不显著。相较于降水量，2m水汽混合比对城市化的响应更直接且更显著。其中，白天潜热通量的减少幅度是各通量项变化中最大的。城市化使边界层内的增温作用在白天可延伸至地面以上1.2k m，夜间，城市热岛发展高度小于400m。白天北京800m以下比湿减少，夜间则变化不大。 (4)城市热岛的确存在向下风向漂移的现象，即城市热岛的“上下游效应”。但对于相距近百公里的北京和天津，从气候平均态而言，当夏季地表平均风速为3m/s左右时，上风向的天津的城市热岛在白天仅向下漂移10-40km的距离，还不能影响到下风向的北京，造成城市热岛的叠加。夜间城市热岛的向下风向漂移的现象更不明显。 (5)通过接入1990年、2000年和2010年三套土地利用数据，进行三个敏感性试验，得到了城市化进程对地表能量平衡的改变。结果显示城市化进程使感热增加，潜热减少，地表储热能力增加，造成气温升高，形成城市热岛。2000-2010时间段的城市变化所带来的感热通量增加和潜热通量减少远大于1990-2000时间段。二十年城市变化导致的城市地表温度热岛强度最大值可达3.8℃，其中2000-2010年城市变化贡献了2.7℃，所占比例超过了70％，即后十年城市化进程对城市热岛的影响更大。 (6)通过统计降尺度方法，利用CMIP5比较计划中FGOALS-s2模式的RCP试验数据，预估中国东部未来百年温度和降水的变化以及主要代表性城市的极端高温事件。在高排放情景下，中国东部大部分地区的夏季平均最高温度到21世纪末都将超过35℃，中国东部32°N以北区域的降水在21世纪将增加。在42°N以北的部分区域，21世纪中晚期降水将增加多达60％。在中国东部23°N和32°N之间的大部分区域，降水在整个21世纪将稍有减少。北京、天津、南京、杭州、福州及广州六个城市的热浪无论在频率和强度都将有所增加。在高排放路径RCP8.5情景下，到21世纪末，所有的六个城市的极端高温事件(TX90)的百分点预计将超过55％，杭州更将超过80％。预计极端危险的热指数天数到2070-99在高排放情景RCP8.5下比低排放情景RCP2.6下高出30％。这意味着，生活在中国南方城市居民比北方的居民在夏季会越来越有更强的过热感觉。这个结果可以为未来的电力供应规划和人类健康的风险控制提供参考。