高密度人口聚集也往往伴随着高强度的污染物和废热排放,使得城市形成了特殊的局部气候,包括形成“城市热岛”和“城市污染岛”等现象。通过合理的城市形态设计能够改变城区内空气流动形态,改变其中热和污染物的扩散路径,从而达到缓解城市热岛和污染岛的能力。本文首先针对城市冠层的通风问题,分别分析了在风压作用,热压作用和风压-热压共同作用下城市冠层内的通风换气能力。然后针对城市突发污染泄露的扩散问题,分析了污染羽在城区的发展。在风压作用下的城市通风研究方面,首先分析了两种典型的建筑密度下增加风道的数量对于城市冠层的通风能力的影响。多种通风参数都表明增加风道数量减弱了自然风对城市冠层底部的净化能力,在建筑群内部出现了显著污染物滞留。同时发现减小建筑密度却能大幅度提高行人层的换气能力。其次,分析了三维街谷的长度对其内部的换气特性的影响,在街道长度足够的情况下,三维街谷和二维街谷具有相同的通风换气能力。同时发现一个特殊街谷长度,在该长度下,街谷具有最弱的污染物扩散能力。在热压作用下的城市通风方面,开展了模型实验研究,并发展了一套可以用于纯热压城市通风计算的新模型。发现建筑表面对流产生的上升流动会相互吸引并最后融合为一个整体的热羽流。街谷顶部收敛流动起到了与自然风来流类似的作用,并与建筑表面对流产生相互影响,在街谷内形成复杂的涡流。由于收敛流动的存在,从建筑群边缘到其中心,温度出现了递增的趋势,从而解释了为何城市中心出现了最大的城市热岛强度。通过理论分析得出了建筑墙面的温升对于街谷内换气率的影响,并以估算经验式的形式给出。同时分析建筑群的整体形态对静风条件下街谷内的热环境和污染物的扩散的影响。发现凸型和凹型都比等高建筑群出现了更低的污染物浓度和空气温度。在风压-热压共同作用下的城市通风研究方面,分析了三种典型的高宽比街谷其内部的气流形态、污染物浓度分布、换气率和污染物滞留时间。在大高宽比的街谷中,边缘街谷由于顶部处于低压区,导致产生了异常大的污染物滞留时间,大约为其他街谷的20倍左右,增加地面热流能够降低污染物滞留,在理查德森数约为-20的时候回落到正常值。在城区有害污染物扩散分析方面,分析了多种风角下污染羽的扩散范围,着重探讨了污染物在城区的方向偏移。通过三维浓度场的分析,发现污染物释放位置的气流形态显著改变了污染羽的偏转。在缺乏垂直运动的条件下,建筑群对污染物的扩散起到主导作用,风向的影响有些时候可以忽略。而在垂直运动强烈的位置,污染羽被迅速抬升到较高的位置,其扩散则受到风向的主导。高精度的湍流模拟结果显示建筑物对冠层内部和上方的污染物扩散的影响方式不同,在城市冠层内部主要时通过改变其时均流动的方向和建筑尾涡中等大尺度流动来影响扩散方向。而在城市冠层的上方,建筑物则是通过背风侧尾涡产生的间歇性上升流动将污染物输运到该高度而改变其扩散方向。对污染物在城区扩散的衰减速度的计算表明了在远离污染源的位置,污染物的衰减能够达到一个稳定的对数下降速度,这与传统的高斯扩散模型一致,说明在能预测污染羽轴心偏转的情况下,高斯扩散模型在远离污染源的位置依旧能够具有一定的预测精度。