土地利用变化是人类活动作用于地球表面最直接的行为方式，城市化是土地利用变化的重要类型之一，但它比普通土地利用方式更复杂。城市化过程通过改变地表物理参数特征影响地表和大气之间动量、能量和水分交换，同时，城市地区排放大量的热量，而其中任何一种通量的改变都会影响大气状况，从而影响区域气候，甚至全球气候变化。因此，研究城市化的区域气候效应具有重要意义。本文利用美国大气研究中心(NCAR)和美国国家环境预测中心(NCEP)等多个机构联合开发的区域气候模式WRF(Weather Research and Forecasting)并结合城市冠层模块UCM(Urban Canopy Model)模拟研究中国城市化及其人为热释放对区域气候的影响，特别是三个城市群的区域气候效应。　　 本文的研究思路为:首先收集整理中国城市土地利用变化与能源消耗数据，通过比较WRF不同物理过程方案对中国区域气候的模拟结果，选取比较合理的物理过程方案组合，然后考虑城市化引起的下垫面改变和人为热释放等因素，通过模拟试验对比，综合分析研究中国城市化对区域气候的影响。基于本思路，本文主要进行了以下几个方面的研究:　　 1) WRF物理过程方案对比分析　　 主要对比了WRF不同辐射方案和微物理过程方案对中国区域气候的模拟结果。通过2008年夏季模拟结果对比发现，辐射方案RRTM模拟的温度与观测较为吻合，但CAM方案对江淮雨带的模拟效果比RRTM要好，在华南地区模拟的降水比RRTM方案要多;微物理过程方案WSM6对中国东南地区的温度模拟比WSM3要高，而对中国南部地区降水模拟比WSM3要略多。三种辐射方案下对2007-2008年中国区域气候的模拟结果显示RRTM方案模拟的年均气温偏差较大，RRTMG和CAM方案模拟的气温偏差较小，所有方案模拟的冬季和年均气温均偏低。　　 2)城市化下垫面改变与人为热释放对中国区域气候影响的模拟　　 进行了中国城市化下垫面改变以及城市内部能源利用引起的人为热释放对2007-2008年区域气候影响的模拟研究。结果表明，考虑城市化下垫面改变与人为热释放的共同影响后，地而潜热明显减小，感热增加，地表反照率减小，因此地面气温普遍升高，尤其在长三角城市群地区，升温可达2℃以上。城市化下垫面改变对夏季的增温作用比人为热释放更明显，而人为热释放对冬季的增温效应比下垫面改变更明显。在城市化下垫面改变与人为热释放的共同作用下，京津冀地区降水增加，长三角地区降水减少。城市化下垫而改变使大部分地区潜热通量减小，尤其在长三角等城市密集的地区;但人为热释放使潜热通量略有增加。城市化下垫面改变和人为热释放均使感热通量增加。　　 基于中国2009年的城市和能源统计年鉴，将具有季节变化与日变化的人为热释放资料网格化引入模式，模拟研究了城市化对中国区域10年长期气候变化尤其是东亚季风的影响。研究发现，城市化下垫面改变使城市区域的夏季近地层风速减小，850hPa的水汽经向输送增加，地表水汽含量和土壤湿度明显减小;而人为热释放使我国沿海地区风速增加，水汽输送减弱，地表水汽含量和土壤湿度在华北略有增加。城市下垫面改变使我东部地区的冬季风速减小，特别是在华北地区;而人为热释放都使我国东部大部分地区的冬季风速增加，也以华北地区最为明显。不同年份之间各种气象要素变化有一定程度的波动。　　 3)三大城市群城市化气候效应的高分辨率嵌套模拟　　 根据中国三大城市群的高分辨率土地利用数据，对三大城市群城市化的气候效应进行了高分辨率嵌套模拟。高分辨率嵌套模拟能够更客观更真实的反映城市化下垫面改变及人为热释放的气候效应。模拟研究表明，城市化下垫面改变使三个城市群的年均气温增加1℃以上，人为热释放对珠三角地区的温度影响最小;城市化下垫面改变对京津冀地区的降水影响较小;人为热释放使三个城市群的降水增加。城市化下垫面改变使三个城市群的感热增加，潜热减少，净短波辐射增加，净长波辐射和净辐射减少，但人为热释放对净短波辐射、净长波辐射和净辐射的影响较小。　　 4)城市化气候效应与其他土地利用方式引起的气候效应对比　　 本研究中的土地覆盖变化试验包含了城市化引起的土地利用变化及其它常规的大尺度土地利用变化情形，但30KM分辨率几乎很难区分中小城市，因此主要反映的是其它大尺度土地利用的影响。此试验结果表明土地覆盖变化引起气温和地表能量变化最明显的区域是河套地区。从单纯的城市化气候效应模拟试验和包含各种土地覆盖变化的气候效应试验结果对比来看，城市化对城市密集地区的影响比其它常规土地利用变化对其发生地区产生的影响更大。但需要注意的是，在较粗分辨率的城市化效应模拟中，试验设计方案采用了半虚拟化方法，一定程度夸大了城市化的区域气候效应。　　 由于受资料、城市地表参数和物理过程方案等各种因素的影响，模拟结果还具有一定的不确定性。同时，对于可能对城市气候有重要影响的城市气溶胶，本研究也未予考虑。