城市化是地球表面最为显著的直接由人为因素引起的土地利用类型的改变。半个世纪多以来，中国经历了异常剧烈的城市化进程，以京津冀地区和长三角地区为显著代表。土地利用类型的变化改变了该地区的陆面物理特征，包括地表反照率、地表粗糙度、动力和热力阻抗等陆面参数，进而引起区域气候变化。为了研究中国城市化对局地气候的影响，我们构建了改进的单层城市冠层模式(Modified Single Layer Urban Canopy Model，MSLUCM)，并将其与中尺度大气模式WRF耦合。MSLUCM重点考虑了城市建筑物-街谷冠层的能量平衡过程，对城市建筑物的各个面，包括建筑物顶、向阳墙面、背阳墙面、建筑地面（即城市不透水陆面）、自然地面（即裸土、草皮、城市绿地等透水陆面）分别建立能量平衡方程。MSLUCM的物理模型参照Community Land surfaceModel-Urban Parameterization (CLMU)城市方案并且在此基础上进行了若干改进。在长短波辐射方案中，MSLUCM对无限长各向同性的城市街谷内视野参数（Sky View Factor, SVF）得到解析解，替代了此前被广泛采用的简单经验公式。这一改进的SVF算法，连同MSLUCM中对长短波过程的其他改进，显著提高了城市街谷内部多次反射/散射辐射量的计算精度。MSLUCM采用强迫-恢复法来计算建筑物外表面的温度，强迫项为利用能量平衡计算出的建筑物各个外表面的热通量，恢复项为建筑物内表面温度，即室内温度。鉴于资料限制和计算代价，在未考虑人为热的情况下，本文各数值实验中一律采用过去72小时的街谷平均气温来替代室温进行强迫-恢复计算。这在本文的各个模拟时段(中国东部每年3-9月，北京地区7月中下旬)中大致与实际情况吻合。另外模式中对冠层内湍流阻抗值的计算采用Monin-Obukhov相似理论。为了验证WRF-MSLUCM耦合系统的模拟性能，本文设置了两个数值敏感性实验：实验一为气候尺度的模拟实验，旨在模拟由东亚地区尤其是中国京津冀和沪宁杭地区的大规模城市化引发的东亚季风气候的变化。本实验选择2000–2010年间每年的季风时段，即3月到10月间进行连续数值积分，模拟区域为整个东亚地区；实验二为中尺度天气过程的模拟实验，模拟了北京2012年7月21日–22日的一场特大暴雨过程。空间分辨率1.5km。以上两个实验各自均由三个CASE组成：CASE1为空白对照组，调用WRFV3.4进行积分，陆面方案选择SSiB3(sf_phy=8),地表资料选United StatesGeography Survey（USGS）资料，其中的土地利用类型信息（LandUse map）为1996年版本，同时不调用SLUCM城市冠层方案；CASE2中将城市土地利用类型面积扩大到2005年的水平，但仍旧不调用城市冠层方案；CASE3中则既调用城区面积扩大后的土地利用类型地图，又同时调用MSLUCM城市冠层方案。模拟结果表明，城市化导致的土地利用类型的变化，会显著改变地面的水分和能量通量，进而对区域气候产生影响。MSLUCM模式对城市冠层物理特征的描述相比slab方式更为准确细致，因此在对城市热岛效应的模拟方面有着更为突出的表现。研究中重点探索了城市化发展对城市降水的影响。一方面，城市化的发展使得城市热岛环流随之增强，低空对流不稳定性增强，有利于城市周边区域上空的对流天气系统的产生，维持和发展。另一方面，城区不透水下垫面的存在和持续扩大，限制了城区地表水汽通量和潜热通量的交换，对降水的产生有一定的抑制作用。因此城市化的发展对局地降水的影响在不同时空尺度上展现出不同的结果：如实验一所示，东亚季风区城市土地类型面积的扩大，使得该地区内城市上空的局地降水量显著降低，表明城市化的发展在季风气候尺度上对降水有显著的抑制作用，并且局地效应显著；而实验二则表明，城区大气边界层的热力环流的存在和加强对中尺度对流系统的结构产生一定的作用，进而显著地改变了城市及其周边降水落点的分布。在城区以及上风向城市近郊，城市冠层的存在增加了近地面大气层对流不稳定性，使得降水有显著增加。