城市的快速发展正剧烈地改变着城市下垫面属性和城市形态特征,再加上大量人工排热和大气污染物排放使得城市高温化趋势越来越明显,城市热岛效应和大气污染问题日益严重。尽管当前对城市微气候和空气质量的研究已有大量成果,但也存在一定的不足,主要表现为以下两个方面:○1一是在研究尺度方面主要集中在宏观尺度和微观尺度,中观尺度（城市尺度）的研究相对较少。例如,在气象学和环境工程等领域的研究主要是从区域尺度研究若干城市群体范围内的气候变化和空气质量问题。但由于缺乏城市空间形态方面的认知,他们往往忽略了城市内部空间形态差异性导致的单个城市的气候变化。而在城市规划和建筑学领域的研究则比较侧重于街区尺度和建筑单体尺度微气候变化对人体健康和能源需求造成的影响,这类研究能够更准确地描述街区建筑形态差异引起的微气候变化,但缺少对城市整体气候变化规律的掌控,而街区尺度微气候往往受城市尺度微气候的影响。○2另一方面,当前相当多的城市微气候研究是对现状的归纳,缺少对城市化发展之后对城市微气候影响的前瞻性和预测性。城市总体规划需要确定城市规模、城市空间结构、用地布局等内容,这些因素会对城市下垫面和城市形态,甚至人工排热和大气污染物的排放规律产生决定性的影响,一旦以法律条文形式确定下来将很难变更。因此在城市规划过程中需要对规划实施后的城市微气候进行预测和评估,而这正是过往研究所缺失的方面。有鉴于此,本研究以武汉市都市发展区为例,以2015年土地利用数据和建筑矢量数据为基础,首先分析了武汉市空间布局和城市形态特征,并根据《武汉市城市总体规划》（2010-2020）和《武汉主城区用地建设强度管理规定》的要求,对武汉市土地利用数据进行重新分类和整理,将其划分为三个强度等级（工业/商业区、高强度住区、低强度住区）。其次,根据各类用地的建设强度设定城市形态参数,将其运用到WRF/UCM模式中模拟武汉市城市微气候的时空分布情况。进一步地,以中国多尺度排放清单模型（MEIC）为污染源的初始浓度,以WRF/UCM模式的模拟结果为初始气象条件,耦合多尺度空气质量模式（CMAQ）进行武汉都市发展区内的空气质量模拟。通过设置多组案例,分析比较了三种常见的空间结构模式、不同用地构成和建设强度、不同通风廊道形式对武汉城市热环境和PM2.5浓度时空分布的影响。研究结果显示,武汉市的空间结构并非某种单一模式,而是融合了“圈层式”和“组团式”的复合模式;在用地布局方面,随着“退二进三”、“旧城更新”等举措的实施,城市整体规模不断扩张,水体面积不断减少。但随着产业结构的调整,武汉主城区内的工业用地不断减少和外迁,取而代之的是大量高层住宅和商业区,使得主城区用地的建设强度不断增加。这一系列措施对武汉的城市微气候产生了较为明显的影响,使得武汉市的热岛效应和空气质量问题日益严重。模拟结果显示:由内向外,热岛强度和PM2.5浓度均逐渐降低,二环内的热岛强度和PM2.5浓度都最高,其PM2.5峰值浓度是外环峰值浓度的4.3倍,热岛强度最大时高出外环1.8℃。从时间变化来看,热岛强度和平均PM2.5浓度都呈现出“白天低、夜间高”的变化趋势。早上07:00前后,PM2.5达到峰值浓度,随后开始逐渐降低,至夜间20:00前后又有微弱上升。这一变化规律与当地交通早晚高峰的出现时间相吻合。针对上述问题,本文从宏观层面对武汉市的空间布局提出了优化策略:○1“多中心+组团式”的空间布局模式将高强度的商业区、高层住区分散到城市的不同圈层内,避免了高强度区的过度集中,更有利于长波辐射散热和人工排热的消散,能够有效降低热岛强度;且相对分散的布局能够引导郊区干净空气向主城区内的渗透,有利于主城区内PM2.5的扩散;相较于“单中心+圈层式”的空间结构模式,“多中心+组团式”中心城区的热岛强度最大可降低1.4℃,PM2.5峰值浓度可降低约48%。○2工业用地和水体面积变化能够显著影响城市微气候。模拟结果表明,工业用地外迁后武汉主城区平均2m气温下降约1.2℃,平均PM2.5浓度下降约11%。而将武汉城区内的湖泊水体变为城市建设用地后,改变了城市下垫面属性,增加了地表粗糙度长度,使得武汉城区的平均2m气温上升约1.6℃,且出现大量集中连片的高温区,高温持续时间由现状的1小时增加至3小时。此外,湖泊水体面积的减少大幅降低了城市通风能力,从而导致城区的平均PM2.5浓度比现状增加约17.5%;○3在四种建设强度模式中,高容低密模式因其较大的建筑间距而有利于长波辐射散热和通风对流散热,而高低错落的建筑布局有助于大气湍流发展,能够增大城市通风能力。模拟结果表明,与现状相比,高容低密的建设模式最大能够降低主城区夜间的热岛强度约2.3℃,最大能够降低主城区的平均PM2.5浓度约60%。这表明能够较好地平衡城市发展对建筑容量的需求与改善城市微气候之间的矛盾。○4利用城市湖泊水体和低强度建设区合理组织通风廊道,分隔高强度建设区,引导郊区干净冷空气进入主城区,能够降低城市热岛强度,避免形成大片高温聚集区,并促进大气污染物的扩散,是改善城市微气候的有效手段,且廊道宽度越大,效果越明显。