近二十多年来，珠江三角洲经济持续快速发展，逐渐形成了以广州、东莞、深圳等为核心的城市群，快速城市化已造成区域气候变化及大气环境污染加剧。本论文以气象观测站、自动气象站、大气自动监测站等的监测数据、Landsat数据、MM5模拟数据及相关社会发展资料为基础，以小波分析及功率谱分析、RS和GIS技术、景观生态学理论、城市扩展元胞自动机(CA)模型及MM5模式等为方法，综合研究了珠江三角洲城市群热环境及其效应的时空特征。 珠江三角洲城市群热环境及湿度的变化具有显著的季节性、多尺度叠加性，城市化对区域气候变化的影响显著。研究区域气温及年平均热岛强度上升趋势明显，消除全球变暖影响后，城市化造成城市群温度上升了1.1℃；城市群月平均气温及其变化幅度、变化率等具有季节性；改革开放后，各城市热岛强度大幅上升的阶段和速度均有差异，各城市的城市化速度及规模是根本原因。珠江三角洲城市群及其各城市月平均热岛强度变化规律较接近；热岛强弱与干湿季密切相关。珠江三角洲城市群温度、热岛及相对湿度呈多时间尺度结构特征，存在13-15年、17-20年的年代际、2-4和6-8年的年际尺度。 珠江三角洲城市群被珠江口分割为东西岸城市群，东岸以深圳、东莞为核心，西岸以广州为中心。珠江口西岸城市群及其各区热岛强度逐年上升，其主要由2-4和6-8年等年际、16-18年年代际和日、周、两个月及三个月等尺度叠加而成。广州热岛强度02、20时较大，08时次之，14时较小；秋冬季最大，夏季次之，春季最小；静小风的夜间出现频率高，秋季出现频率大于夏季；各季平均热岛强度呈多中心的空间结构。干湿季对NO2、PM10浓度及API指数的影响较大；NO2、PM10浓度及API指数与城市群热岛强度时间尺度结构及变化趋势一致。天气系统及区域气候是城市热岛形成的外因；下垫面特性、地表长波辐射、风和地表热量交换等是其形成的内因；人为热和大气污染是其形成的人为因素。 为了消除大的气候系统的影响，本文以小波分析结果为基础，选取1990、1995、2000、2004年四个时相的Landsat数据反演了地温；并利用以MM5模拟数据为基础建立的不同下垫面上地温及气温的回归模型及下垫面分类数据反演了气温。1990-2004年研究区域高温中心面积急剧增加，其主要集中在城镇用地最为集中的地方；珠江口东西岸城市群的高温区逐渐连成片，在2000年形成珠江口东岸温度较西岸高的格局，在2004年，随着珠江口西岸城市的发展，珠江口两岸城市热环境的差异呈减小的趋势。城市用地70％以上区域的温度较高，林地和水体的温度较低，城市用地和裸地的增加，林地、灌丛、农田及水体的减少是造成珠江三角洲热环境变化的原因。数值模拟与遥感反演的地温及气温的空间分布较相似；其与实测气温的绝对差分别小于3K及1.1K。数值模拟与RS反演的地温和气温热岛及热力景观空间格局较相似。研究区域热岛与干岛相伴而生；干岛出现位置与热岛的有一定位移；热岛造成城区出现了小风辐合现象。 绿地、水域及城市用地的热环境效应差别较大，其影响程度取决于其面积、周长及周长面积比。公园绿地周长面积比对温度影响最大，周长次之，面积最小；城市湖泊及水库有显著的降温能力，城市不透水面是热岛形成的主要原因。 利用1990-2004年四幅影像及MM5模拟数据研究了城市群热环境景观格局年际及年代际演变特征及气象要素空间格局日变化。地温和气温的MoranI指数从1990年开始减小，2000年达到最小，随后开始增加；各年气温的MoranI指数较地温的高；RH、W10的MoranI指数较Tg与T2m的高。地温和气温热岛及热力景观，在类型水平上，LSI和FRAC_AM1995-2000年的值较高，CLUMPY的值较低，高温斑块的LSI、FRAC_AM及COHESION一般较其它类型的小；在景观水平上，各指数1995-2000年的值波动较大；地温和气温热岛景观格局指数日变化明显。1985至2004年，广州城市群斑块数量和密度、多样性指数及分维数呈逐年增加趋势，形状指数呈下降趋势。下垫面空间格局年际尺度的变化决定了热环境空间格局年际和年代际演变。各气象要素的PLAND、FRAC_AM、LSI、SHDI、CONTAG等日出、正午及日落前后变化剧烈；其日变化是下垫面差异、太阳短波辐射、地表长波辐射、大气逆辐射、湍流交换等综合作用的结果。 本文利用基于粗集理论的城市扩展CA模型模拟了珠江口东岸城市群的城市扩展，其模拟精度较高；并将城市扩展模拟结果运用到MM5中，模拟和预测了2000、2004、2010、2015及2020年城市扩展对区域热环境及气候的影响。2000-2020年地温和气温的高温分布范围不断扩大，城市急剧扩展区域也是温度范围扩大最快的区域；城市扩展对夜晚温度影响较大；河流存在显著的“边缘效应”。城市化造成城区风速减小，热岛(温度梯度)强烈影响了珠江口的海陆风环流。城市扩展将造成区域比湿减小，感热通量增加，潜热通量减小及边界层高度增加；且其白天的影响较夜晚的大；比湿和潜热通量负增量、感热通量和边界层高度增值中心与温度场增值中心基本相对应。城市扩展将造成区域气象要素的空间连续性发生变化，正午至午夜各气象要素的MoranI指数变化较显著。城市扩展造成温度场、湿度场及风场的LSI呈逐年减小的趋势，该现象在午夜及正午前后特别显著，其对各要素CONTAG日变化的影响则正好相反，CONTAG呈逐年增加趋势。各气象要素的SHDI夜间变化较平缓，日出、正午及日落前后变化较剧烈；城市扩展深刻影响气象要素SHDI的年变化，其2004-2020白天的SHDI呈逐年增加趋势。