人类活动是全球变化的重要影响因素之一,它给气候、环境带来了重要影响。城市化和城市扩张是人类活动的集中体现,它使得城市周边的自然下垫面向不透水层进行转变,进而影响地气交互特征和局地/区域气候变化。城市不透水层主要由高传导率、高储热的材料组成,对太阳辐射的吸收和反射性质与自然下垫面有很大不同,不同的城市土地利用类型之间的热环境特征存在明显差异。城市化导致了极端天气增多、空气质量变差等环境问题的出现,最终影响人们的正常生活。论文的研究内容主要包括:(1)以京津冀城市群为例,利用改进的夜晚灯光指数(VANUI)监测京津冀城市群2001-2012年的城市化发展过程,对比了VANUI指数与传统夜间灯光指数对城市区域的监测能力差异及其优势所在。研究结果表明:VANUI城市指数能很好的弥补夜晚灯光指数在城市区域饱和的缺陷,并能够较好的反应城市区域的空间格局及相应的细节信息。根据VANUI结果,2001年-2012年间京津冀城市群扩张了约1倍,其中城市扩张速度最快的为河北省唐山市。从整个研究区域来看,在此十年间,VANUI以接近线性的发展趋势增加,从统计结果来看,2004-2007年及2009-2012年为研究区域VANUI普遍增长的时期。(2)基于MODIS地表温度产品,总结了2003-2012年京津冀城市群的热环境空间变化特征,并且分析了不同下垫面的地表温度特征。研究结果表明:京津冀城市群的热环境整体呈现南高北低的分布态势,城市区域的热环境特征表现出较为明显的增高趋势。自然下垫面与非自然下垫面之间的差异不但表现在地表温度差异上,也体现在温度变化的剧烈程度上。城市化是研究区热环境变化的重要调控因素。(3)以天津市气候观测站及西青区气象站周边为研究区域,利用Landsat 8影像和气象资料基于能量平衡方程反演下垫面存储热通量,并根据反演结果分析城市、郊区近地表能量分量的差异。研究结果表明:城市不透水层对能量的存储能力较强,工业区为下垫面热储量的最高值所在区域,其次为低层住宅区和道路。而自然下垫面的储热通量较小,但是裸地的储热能力与地表不透水层的热存储能力相差不大。耕地、草地、林地与水体的热量存储能力较低。根据以上对能量分量的反演结果,说明城市不透水层下垫面是引起城市热岛效应的重要原因之一。