城市气象（Urban meteorology），大气科学专业术语，研究对象为城市气象环境条件（包括城市天气、气候和大气环境）的观测、基础理论、数值模拟、以及它们受城市化的影响和改变等。

城市气象（Urban meteorology），大气科学专业术语，研究对象为城市气象环境条件（包括城市天气、气候和大气环境）的观测、基础理论、数值模拟、以及它们受城市化的影响和改变等。具体包括：城市气象观测网与观测试验、城市气象多尺度模式、城市气象与大气环境相互影响、城市化对天气气候的影响等4个方面。

城市环境位于社会、文化和经济活动的结合点，城市化是人类活动改变土地利用/覆盖的最典型例子之一，城市与自然下垫面生物物理特征的巨大差异显著影响区域气候和极端天气。

近年来，一方面，全球气象观测网迅速扩张、物理气候学基础理论研究的进展、卫星遥感和高性能计算技术的应用，都极大推进了城市气象的研究进程。另一方面，全球变暖影响极端天气事件发生频率和变率增大，同时经济发展加快城市化进程，城市环境极易受到极端水文气象事件影响，例如2021年河南郑州和美国纽约都遭受数百人死亡的毁灭性城市洪水。因此，城市气象研究，特别是理解和预测城市化对区域气候和极端天气的影响，既重要，又紧迫。

地球上的陆地是绝大多数人的栖居地，典型陆地下垫面类型包括：地形、城市、湖泊、植被等。大部分人生活的城市，是人类活动改变土地利用/覆盖的最典型例子之一。

最近一次联合国城市化展望报告显示：从1950年至2018年，全球城市人口比例从30%增加到55%，预计2050年升至68%。太阳辐射是近地面气候的最重要驱动力，城市与自然下垫面生物、物理特征的巨大差异显著影响城市气象。而城市气象的外部控制因子，包括影响局地气候的大气动力学和相关的风、云、静力稳定度等条件；城市地表属性，即材质、土地覆盖、结构和新陈代谢的混合体，还有城市规模，则是城市气候的内部控制因子。城市中的与风有关现象，对应的空间尺度即城市形态单元的水平尺度，从几米（组成面，如屋顶、墙壁、道路）、几千米（小区）到几十千米（整个城市或城市带），空间跨度大，其复杂的排列组合便是一个城市的总体气候状态。

最早的城市可以追溯到五千年前，而城市化，即人们从农村移居到城市以及由此引起的社会经济的复杂变化，从工业革命开始。伦敦和巴黎等一些欧洲城市的居民感受到城市化对大气的影响，直观体现是肉眼可见的烟雾污染。

城市气象的发展史，可以分为四个阶段：科学起源阶段（1918-1930）、分支学科细化阶段（1930-1965）、城市物理气候学阶段（1965-2000）、强化并进入预测预报阶段（2000年-至今）。

科学起源阶段（1918-1930）

温度计、气压计和风速仪等气象仪器出现以后，英国科学家Luke Howard观测到伦敦市中心比周围乡村高出大约3℃，即城市热岛现象，并解释了这一现象的成因。他是历史上第一个开展城市气候学研究的人，称得上是城市气候学之父（此外，他定义的云分类方法一直沿用至今），著有《伦敦气候》。

分支学科细化阶段（1930-1965）

受微气候和局地气候学的巨大影响，城市气象研究有了新的进展。特别是二战后，军事上对研究城市地区气体扩散的兴趣加快了城市化研究步伐。

城市中能量和物质的流动和转化都是开放的，城市中有很多空气污染物的排放源，其强度和密度、大气混合和输送污染物的能力以及污染物的物理和化学转化和清除过程，影响城市内部和周围环境的气候差异。空气污染物尺度，短则几秒到几分钟（如短寿命自由基），局地尺度源自燃烧产生的一次污染物，经城市羽流、天气系统和全球环流混合，可持续几小时到几周，更大尺度是区域到全球范围，如温室气体等，在大气中的停留时间长达数年到几世纪。城市羽流下的空气污染的生命周期中，污染物不仅污染所在城市大气，当它们沉降时，还会破坏下游的水生和陆地生态系统，危害生物和人类健康。在所有引起天气和气候变化的污染物中，颗粒物对城市下游大气影响最大：一方面，颗粒物减少短波辐射，增加长波辐射，影响大气辐射传输过程；另一方面，颗粒物影响凝结核形成，进而影响云和降水。风、湍流和稳定度在城市空气污染物的混合和扩散过程中起着至关重要的作用，而城市热岛等城市气候特征可以改变这些气象要素。

城市物理气候学阶段（1965-2000）

这一阶段城市化研究呈现爆发式增长，包括与气象学更紧密的联系、基于物理认识的城市大气模式的出现、计算机的快速发展。1977年，William Lowry提出评估城市对气候影响的方法学理论，对城市化研究的开展做出开创性的贡献。

人类对城市化的认识来源于对城市表面及其上方空气的外场观测。这一历史时期，研究者们在圣路易斯开展的METROMEX观测项目，尺度和实验数量和规模前所未有，为云微物理学家、统计学家、雷达气象学家和数值模拟研究者提供了丰富而宝贵的观测数据。地基和空中遥感观测平台包括百叶箱、气象塔、高塔、雷达等地基平台和系留气球等固定平台，相机追踪的小气球、示踪剂释放实验和等容气球等流动跟踪方法，以及车辆、移动式起重机平台、直升机、飞机或无人机、卫星遥感等移动方法。

强化并进入预测预报阶段（2000年-至今）

从21世纪开始，城市化研究发展成熟，成为一门可预测的科学。国际城市气候协会（IAUC）成立，这是第一个致力于进一步推动城市气候研究的组织。这一阶段，城市化对区域气候和极端天气影响取得了诸多重大进展，但我们目前对城市物理、水文、生物、化学过程以及与地球系统其他组成部分的相互作用的理解仍非常有限。综合观测的不足和数值模拟能力的不确定性是造成当前知识局限性的重要因素，仍存在的问题和挑战主要有：观测的局限性、数值模拟的不确定性、同在科学界的从事观测和数值模式研发的人员缺乏沟通、科学界与最终用户（利益相关者、政策制定者）之间的沟通有待提高、城市化与社会环境公正的研究缺乏这五个方面。

联合国城市化展望报告显示：1950-2018年，中国城市人口比例显著增加，且增长速率远高于亚洲平均水平，预计2050年高达80%（远高于全球平均68%）。城市化对全球或半球陆地平均气温的增温贡献率不超过10%，但在中国大陆地区，地面气温的上升趋势中大约20%-40%可归因于城市化影响。城市热岛是城市天气、气候效应的最直接表现。1954-1983年中国城市热岛强度普遍升高0.1℃，较其他国家尤为显著。

城市气象研究在中国发展大致起步于20世纪70~80年代，近二十年在城市气象观测网与观测试验、城市气象多尺度模式、城市气象与大气环境相互影响、城市化对天气气候的影响等等方面开展大量研究并取得丰硕成果。

中国各大城市已建立或正在完善具有多平台、多变量、多尺度、多重链接、多功能等特点的城市气象综合观测网；北京、南京、上海等地开展了大型城市气象观测科学试验，被世界气象组织列入研究示范项目；成功开展了风洞实验、缩尺度外场实验研究；建立了多尺度城市气象和空气质量预报数值模式，并应用于业务；在城市热岛效应、城市对降水影响、城市气象与城市规划、城市化对区域气候及空气质量的影响、城市气象与大气环境相互作用等研究领域取得长足进展，为中国城市化、生态文明建设、防灾减灾和应对气候变化等国家需求提供科技支撑。

例如：观测方面，中国的城市气象观测网以京津冀、长江三角洲和珠江三角洲大城市群的城市气象综合观测网最为发达和成熟，且有不同的特色。例如，京津冀地区侧重提升该地区强降水、灰霾等高影响天气的观测、预报和服务能力，为城市安全运行、精细化管理和防灾减灾服务。这些观测网除了为科学研究服务外，也为城市气象预报或相关部门决策提供观测数据。预测方面，中国气象局建立了国家级雾-霾数值预报系统，王自发等研制了区域-城市多尺度空气质量数值模式系统（NAQPMS）。

城市化引起区域增温的定性和定量研究成功，以北京为例。1961~2018年北京大约每10年升高0.45℃，从卫星观测城市热岛空间分布发现1971~2018年北京地区城市热岛强度持续增加，大约每10年上升0.32℃（图a,b）。城市热岛加剧高温热浪，在极端高温热浪期间，北京地区城市部分地点和郊区的温差超过5℃。近30年北京地区快速城市化对极端暖（冷）夜的增加（减少）趋势贡献为12.7%（29.0%），对于持续3天的极端冷夜事件，城市化效应显著加强了其减少趋势，贡献达34%。

城市化对降水的影响研究多集中在21世纪，以上海为例。1916~2014年近百年上海地区小时降水资料分析表明，上海城市化发展使得强降水极端性显著增强，具有城市雨岛特征（图c,d）。此外，上海沿海的地理位置，海陆风环流与城市热岛综合作用更易导致气流在中心城区辐合，加之来自海上的充沛水汽，进一步增大强降水发生频率和极端性。

2023年4月，中国气象局城市气象重点开放实验室在北京成立。作为中国气象局新时代局校合作的新体现，实验室由北京城市气象研究院牵头、联合中山大学大气科学学院和南京大学大气科学学院，聚焦城市边界层与高影响天气机理研究、城市精细化预报研究、城市气候与生态发展研究，旨在服务于京津冀、长三角、珠三角等区域大城市经济社会发展，以及绿色、低碳、高质量发展，支撑提升全国大城市气象科技能力。

2024年10月，中国气象学会在浙江杭州举办第十届全国城市气象学术会议。从城市气象观测方法与新认识、城市气象数值模式新发展、城市高影响天气与气象服务、城市化、气候变化与气候适应型城市建设、城市大气环境与健康、城市生态、碳达峰碳中和与绿色发展六个方面，开展交流。中国气象科学研究院张小曳院士、香港科技大学陈飞教授应邀做了精彩的特邀报告。

2004年，国家自然科学基金重点项目“城市边界层三维结构研究”。

2001-2003年，中国首个在超大城市开展的大规模城市气象综合观测试验（BECAPEX）。

2008年，国家科技支撑计划项目“京津冀城市群高影响天气预报中的关键技术研究”。

2004-2008年，北京城市边界层观测试验（BUBLEX）。

2010年，973项目“我国东部沿海城市带的气候效应及对策效应”。

2015年，城市对降水和雾霾影响科学试验（SURF）。

2017年，国家重点研发计划项目“陆地边界层大气污染垂直探测技术”。

2017-2022年，超大城市气象观测试验。

2018年，国家重点研发计划重点专项“超大城市垂直综合气象观测技术研究及试验”。

2021年，世界气象组织“超大城市智慧气象服务公私参与示范项目”。

2023年，国家重点研发计划重点专项“重点区域城市和城市群大气环境气候影响机制及适应对策”。

城市是一个生物及其物理环境相互作用的综合开放系统，从城市生态系统输入和输出示意图可见，城市中能量和物质的流动和转化都是开放的。城市与大气之间的动量、能量、空气污染物和碳等物质和能量的收支关系，都是城市化对世界范围内城市气象（特别是区域气候和极端天气）影响的基础。

2022年，美国能源部西北太平洋国家实验室钱云博士带领国际合作团队，从过去100多年500多篇文献中，详细总结城市化对世界城市气象的研究现状，列出在城市对天气和气候影响的物理机制、综合观测、数值模拟以及分析工具诸方面仍存在的很多未知和挑战，并就未来的研究重点和方向提出建议。

对城市地区及其周边地区的观测的比较分析，能够得到城市对当地气候影响的观测数据集。

城市热岛效应，是城市化影响的最古老也是最广泛的研究，是人类活动导致气候变化的最明显例子之一，有多方面影响，比如城市地区植物开花更早、采暖需求更低、制冷需求更高、光化学反应速率的增加导致城市中更易出现烟雾等。以城市热岛效应的观测为例，可通过直接观测（温度传感器）和遥感观测（雷达、卫星、飞机等传感器）获得环境空气温度数据集。

此外，城市地区湿度或水汽含量的变化，会造成城市干岛效应。它的观测，类似也有直接观测（如：雨量计）和间接观测（即遥感）。受目前用于监测降水的卫星时空分辨率不够精细的影响，资料无法精准分离城市密度及非均匀性，但仍有助于区分城市上风和下风区域的降水分布。此外，城市热岛可分为冠层城市热岛、地表城市热岛、边界层城市热岛和地下城市热岛这四类。对应其各自不同的空间特征和物理特性，依靠地面气象观测（自动气象站等）、雷达气象观测（天气雷达）、城市边界层观测（风廓线雷达、铁塔气象站等）、环境气象观测（大气成分站等）、移动气象观测（应急监测车、飞机和无人机等）、个人手机和社交媒体，卫星遥感等获得温度、湿度、空气质量等数据。

城市影响的空间尺度很广，从几米的城市街谷的湍流涡旋、到几十千米的整个城市热岛环流，时间尺度也可以从几分钟到数小时，这样的多尺度特点，对城市气象中的观测、模拟和应用方案设计都至关重要。在嵌入在区域和中尺度模式的城市模型的研究方面，过去几十年，人们为了研究城市地区，开发出数个基于经验或物理原理的参数化方案的城市气候/天气模型。许多经验的城市参数化方案和简化的城市模型对一些特定城市状况可能有用，但无法完全捕捉基本的城市物理过程，特别是城市化对极端天气和气候的影响。一些研究提出了更复杂的单层城市冠层模型和更先进的多层城市顶篷模型来处理城市表面建筑，但默认使用恒定的建筑物内部温度，不能描述现实城市状况。近年来，对各种重要城市特征及其对气候/天气的相关影响进行更详细的数值模式构建，开发了小尺度社区城市模型、全球地球系统模式中的城市模型，在城市空气污染模型研发等方面取得了一些进展。

历经过去200多年发展，城市气象取得了诸多重大进展，但我们目前对城市物理、水文、生物、化学过程以及与地球系统其他组成部分的相互作用的理解，仍非常有限。综述认为，综合观测的不足和数值模拟能力的不确定性是造成当前知识局限性的重要因素，仍存在的问题和挑战主要有以下五个方面：

（1）观测的局限性：专注特定城市的观测仍然很少，没有足够精细的时空尺度，没有横跨城市的垂直分布观测，没有长期记录，没有有效选址，没有精准的城市化影响的直接观测变量，等等。虽然全球的几个城市气象站被用作关键站，但它们并没有标准化。

（2）数值模拟的不确定性：现有大多模型不包括城市植被及其与建筑物等相互作用，不包括人为热、景观灌溉等城市形态参数，缺失城市过程与人类活动、自然地球系统相互作用等过程；在与中尺度或全球天气/气候模型的耦合方面，需要优化分辨率差异，解决兼容性问题；对城市模型的全面评估因为缺乏有效观测，也存在很大挑战。

（3）同在科学界的从事观测和数值模式研发的人员缺乏沟通。

（4）科学界与最终用户（利益相关者、政策制定者）之间的沟通有待提高。

（5）城市化与社会环境公正的研究缺乏。

全球人口增长和城市化趋势对地球系统造成重大影响，城市化改变植被-土壤-大气中能量、动量、物质的交换，影响天气、气候、大气环境，进而影响人类生产生活。地球系统其他复杂的环节（如陆面、海洋、地质、空间等）的影响又如何？为积极应对资源能源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化、气候变化和极端天气频发等全球问题，需要地球科学和其他学科的人们增进沟通，共同努力。

2022年，钱云博士的国际团队经过广泛调研，总结出城市气象未来研究方向，主要有以下八个方面：

（1）建立城市观测的长期综合协调网络；

（2）集成、质量控制并公开现有城市数据集；

（3）减少对关键城市化过程跨尺度数值模拟以及与天气气候模型耦合带来的不确定性；

（4）评估验证大气-城市耦合模拟系统在区域气候和极端天气中的表现；

（5）更好理解城市化观测和数值模拟集成；

（6）应用更多机器学习和数据同化技术；

（7）促进科学家和最终用户之间的联系和协作；

（8）加强城市化与社会与环境公正研究。