我国是世界上城市化进程最为迅速的国家之一。城市化带来的生产、生活活动的集中化，使得气象灾害、大气环境污染造成的影响更为集中、更为严重。城市化在使得人们对气象灾害更加敏感的同时，也对大气结构和物理过程造成了明显的影响。另一方面，城市冠层、边界层大气结构是影响城市空气质量的重要因素。城市化使得人们对天气预报精度有更高的要求，也使得城市区域天气预报问题更为复杂。本文基于城市边界层观测分析，从城市地区潜热通量模拟方法、近地层风速计算方法和城市冠层物理参数优化等三个方面改进了城市冠层模式，有效提高了模式对城市边界层特征的模拟能力。将城市冠层模式应用于北京快速更新循环数值预报系统(BJ-RUC)，对比测试表明：城市冠层模式可以有效提高BJ-RUC对于近地面气象要素的预报性能，对降水预报(尤其是强降水的预报)亦有一定的改进。另外，城市冠层模式亦应用于城市规划和应急响应数值模拟中。下一步，将研究建立基于城市地表分形特征的城市冠层模式，进一步提高对于城市多尺度非均匀下垫面的模拟能力。