城市化，包括城市面积扩张、人为热释放和人为气溶胶排放，能够显著改变当地以及区域的天气、气候和环境。当高强度城市化人为活动加深城区人与自然环境之间的矛盾时，不仅会制约经济的可持续发展，而且还会影响居住环境，甚至人体健康。　　自改革开放以来，北京经历了显著的城市化发展。相比于2000年，2015年北京建成区面积增加75.19％，城镇人口增加185.85％。国内有关城市化气象环境影响的研究主要集中在长三角和珠三角，而京津冀区域，尤其是城市化对北京城区空气质量影响的模拟研究非常少。同时，在不同天气背景（如夏季高温和冬季雾霾）下，城市化协同极端天气的共同影响的研究工作几乎没有。为了深入探究北京城市化发展所带来的影响，及其在不同天气背景下影响程度的变化情况，本文运用气象场和化学场双向耦合的中尺度区域模式WeatherResearch and Forecasting(WRF)-Chem，通过五组敏感性实验，分析不同强度的城市面积扩张、未来不同的城市发展格局、人为热释放和人为气溶胶排放对北京城区2015年夏季和冬季边界层气象环境的影响，同时还进一步考虑增加地表反照率缓解城市热岛强度后对城区空气质量的反馈影响。　　与大量的观测数据比较后可以发现，WRF-Chem模式能够很好地再现2015年夏季和冬季北京城区温度、相对湿度、风速、PM2.5和O3浓度在时间序列与空间分布的变化情况。与此同时，WRF-Chem模式还能准确模拟出香河站点观测得到的向下太阳短波辐射通量。　　城市面积扩张能够使北京城区地表反照率下降、近地面气温升高、相对湿度减小、风速减弱、边界层高度增加、地表PM2.5浓度降低，以及地表O3浓度升高。城市面积扩张导致城郊温度差异，形成城市热岛环流，将积聚在城区冠层内的污染物输送到周边郊区，使郊区近地面PM2.5浓度升高，但郊区累积的气溶胶粒子又容易通过热岛环流再次被输送到城中心，对城区空气质量产生二次影响。协同高温或者污染天气，城市面积扩张能加大城郊温度差异，进而增强城市热岛强度。城市面积扩张，协同夏季高温天气，能够显著增加城区感热通量、降低城区潜热通量。但在冬季，悬浮的大量气溶胶会使城市面积扩张对城区感热通量和潜热通量的影响都减弱。分析地表层净辐射通量，城市面积扩张能够使城区地表在清洁天气时获得更多的能量，但在污染天气时，地表反而会释放更多的能量。而对于大气层的净辐射，在清洁天气背景下，存在净的辐射能增加，随着PM2.5浓度的升高，净辐射能进一步增加。综上表明雾霾现象发生后，大气中悬浮的气溶胶粒子能够使地表层发生净辐射冷却，大气层发生净辐射增温，大气稳定度增强的同时进一步恶化城区空气质量。　　城市面积扩张对下垫面类型的改变几乎是不可逆。未来一个城市对天气、气候的影响程度，关键在于扩张途径的选择。相比于分散型城市布局的模拟结果，密集型对北京城中心热环境的影响更恶劣，但计算所有城市网格平均后，密集型扩张方式可以更有效的缓解城市热岛。从空气质量角度出发，密集型案例模拟的老城区PM2.5浓度要低于分散型，但从整个城区平均值来讲，分散型计算的PM2.5浓度低于密集型。因此未来不同的城市面积发展情景，会对新老城区带来不同程度的影响，为了改善城区生活与居住环境，需要综合考虑各方面的影响因素。　　在城市化的过程中，人类的生产生活会直接向大气释放人为热。考虑人为热通量后，城市冠层内近地面大气温度增加、垂直湍流运动增强、边界层高度抬升、风速因辐合气流的作用而变大。由于考虑人为潜热的作用，城区相对湿度略微增加。因为边界层高度增加，大气容量增大，稀释地表PM2.5浓度，同时垂直运动将底层气溶胶粒子携带到上层大气，导致冬季城区250m高度处PM2.5浓度增加。因为近地面气温升高，生成臭氧的化学反应速率加快，使城区臭氧浓度增加，但在250m高度处，夏季和冬季O3浓度都减小，可能原因是O3发生净的化学消耗。　　伴随城市化的发展，工业、交通、居民生活排放的一次污染物及其经过化学反应生成的二次颗粒物，能显著改变北京城区边界层气象环境。考虑人为源排放后，近地面污染物浓度明显增加，但臭氧浓度的变化则不同。在夏季，考虑人为源排放后，臭氧浓度增加，主要原因是夏季高温导致臭氧以净化学生成为主。但在冬季，考虑人为源排放后，模拟区域内臭氧浓度反而降低，可能原因是臭氧在气溶胶粒子表面发生化学反应，导致臭氧浓度降低，即净化学消耗。考虑人为源排放后，地表净辐射能在夏季和冬季都减小，但大气的净辐射能增加。考虑人为源排放后，北京城区温度减小、相对湿度增加、边界层高度降低。人为气溶胶的排放能够增强夏季和冬季城市热岛强度，且大气中悬浮的气溶胶粒子浓度越高，对城市热岛效应的贡献越明显。　　为了缓解城市热岛强度，增加城区地表反照率是一个行之有效的方法，尤其体现在夏季高温热浪天气。但在冬季，大量悬浮的气溶胶粒子却能减弱由于高地表反照率所带来的城市热岛缓解效果。增加地表反照率后，北京城区夏季和冬季近地面气温下降、相对湿度增加、边界层高度降低、地表PM2.5浓度增加，臭氧浓度减小，但夏季日最大臭氧浓度值升高，且气温越高，日最大臭氧浓度值越大。