城市化导致城市和周边郊区近地表大气湿度的差异,形成城市干岛/湿岛效应。与城市化有关的大气湿度变化对气候变化预测及其影响评估具有重要影响,例如影响云的形成、降雨强度、人体热舒适度以及“城市-森林界面”野火等。然而,在全球气候变暖的背景下,目前对于城市化过程中土地利用/覆被变化、生态水文过程以及地表大气湿度和温度如何相互作用尚无共识。本文综合运用地面对比观测、遥感监测技术、中尺度数值模拟、统计分析以及基于能量平衡的贡献率拆分等多种技术与方法,多尺度精细刻画城市水热变化过程,以饱和水汽压差和比湿为大气干湿度指标,检测了中国四个气候区五大典型城市群（湿润区珠三角城市群、湿润半湿润区长三角城市群、半湿润区成渝城市群、半干旱区京津冀和干旱区天山北部城市群）近四十年城市干岛的时空分布规律与变化特征,将区域土地覆被变化（如叶面积指数）、水文变化（如城市化导致蒸散发减少）与城市气候变化（气温与湿度）耦合起来,定量刻画城市群覆被变化的水文气候反馈并阐明“土地覆被格局→生态水文过程→水热耦合平衡→城市干岛效应”的连锁反应机制。具体结论如下:（1）不同气候区城市群都存在变干趋势,且出现城市群干岛效应;干岛存在昼夜及季节差异,日间和生长季城市干岛效应强度更大、发生频率更多。1980-2018年期间,不同气候梯度的五大城市群都存在变干趋势,即饱和水汽压差增加以及比湿减小;且除天山北部外的其他城市群近地表大气变得比周边郊区更干,并在2000年后出现“城市干岛”效应,即城乡饱和水汽压差差异为正值,比湿差异为负值,而干旱区天山北部城市群为“绿洲湿岛”效应,即比湿差异为正值。干岛效应存在昼夜差异,日间城市干岛效应强度更大、发生频率更多;夜间,湿润区和半湿润区由于郊区昼夜温差大导致产生凝露现象,形成夜间城市群湿岛效应,但2010年后夜间城市群湿岛效应减弱甚至消失,并出现夜间干岛效应。干岛效应也存在季节差异,生长季城市干岛强度和发生频率较其他季节更明显。（2）城市化通过减少地表蒸散量和可利用水汽含量,加剧了全球气候变暖和城市热岛效应对城市干岛的影响。饱和水汽压差的归因分析发现仅城市近地表气温增加不足以解释2000年以后城市大气比郊区更干。进一步将饱和水汽压差与植被叶面积指数、地表蒸散、比湿、地表气温、不透水面比例以及干旱指数六个生物物理因子进行相关分析表明,城市化通过减少地表蒸散量和可利用水汽含量,加剧了全球气候变暖和城市热岛效应对城市干岛的影响。由于植被和局地气候的差异,湿润地区城市干岛强度和发生频率比干旱地区更为明显。其中位于干旱区的天山北部城市群虽然和湿润地区城市群一致,也存在变干趋势,但主要是由于全球气候变暖和热岛效应所引起的;而在湿润半湿润地区城市群,除全球气候变暖和热岛效应以外,加之植被减少（如森林、自然湿地和人工湿地水稻田等）导致蒸散和水汽的减少,三者共同作用导致城市干岛效应的形成和加剧。（3）数值模拟和贡献率拆分进一步证实了与植被冠层相关的地表蒸发阻抗项是影响湿润半湿润区城乡地表大气湿度差异的主控因子。数值模拟分析进一步表明,半湿润区长三角城市群热岛和城市干岛通过潜热/蒸散过程紧密耦合。城市地区由于植被蒸散较少导致潜热消耗减少,显热增加,加剧城市热岛效应;而城市热岛的发生加强了垂直方向湍流交换,有利于近地面水汽向上层输送,导致近地面水汽压降低,水汽减少,反馈加强了城市干岛效应。基于能量平衡方程的两种不同拆分方法结果表明,在生物物理模型（IBM-UDI）拆分中,与植被冠层相关的地表空气阻抗和地表蒸发阻抗项之和是影响湿润区城市干岛的主控因子;而双阻抗模型（TRM-UDI）拆分进一步表明,与植被相关的地表冠层阻抗项是影响湿润区城市干岛的主控因子,即城市与郊区间蒸发能力的差异变大,是导致日间城市干岛强度在湿润地区进一步增大的主要原因。CMIP6的三种模型模拟结果均显示,虽然在SSP5-8.5未来情景下2015-2050年全国尤其是湿润半湿润区的湿度有增加趋势,但是城乡间的湿度差异在增大,即城市干岛强度加剧。本文针对城市化进程中生态水文过程变化对城市热岛和城市干岛影响的研究,强调了湿润地区植被在影响城市地表大气湿度和温度方面的重要性,提出保护森林植被和湿地以充分发挥自然生态系统调节功能（如植被蒸散）,应是“低影响开发”和“基于自然的解决方案”等城市群或流域管理措施的核心要素,从而着重恢复城市生态系统的蒸散能力以缓解城市干岛和城市热岛效应的负面影响。