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城市气象作为大气科学的一个新的学科领域，其研究发展在我国大致起步于二十世纪七八十年代。城市气象研究缘起于城市建设改变了城区下垫面及其支配影响的城市气象环境；再则城市化的加剧，又进一步改变并加强了这种影响，即进一步支配改变城市气象环境条件，包括天气、气候和大气环境的变化。
城市气象观测试验和基础理论研究，极大地推动并进一步促进了城市气象研究与应用的发展。二十世纪八十年代《城市气候学导论》（周淑贞和张超，1985）一书出版，首先总结提出并阐述了包括城市热岛、干岛、湿岛、雨岛和混浊岛等城市气候效应。同期在北京、天津、重庆、南京、苏州、兰州、杭州等大城市开展城市热岛研究。九十年代末，随着全国城市化进程加剧，城市气象观测网络加速构建，城市和城市群域现场观测试验研究的开展，为城市气象研究提供了更多观测资料，并为进一步的基础理论和应用研究提供了有力的支撑，例如，我国首个超大城市气象综合观测试验：北京BECAPEX试验（2001—2003）（徐祥德等，2004，2010），北京BUBLEX试验（2004—2005）（李炬和舒文军，2008；李炬和窦军霞，2014），城市对降水和雾霾影响科学试验SURF（2015—2017）（Liang et al.，2018）等。
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”（40333027），由城市边界层观测与分析着手，开展城市边界层结构数值模拟与分析的基础研究，首次在城市多尺度模拟中引入城市边界层三维结构特性及其参数分布，取得了对城市热岛、人为热和人为水汽及可分辨建筑物的形态学特征对城市陆面过程和城市冠层（含建筑物和植被等）过程的影响及其参数化的引入等技术，实施CFD、LES等多种新的湍流闭合技术，并引入空气质量模拟的应用领域（刘红年等，2008；蒋维楣等，2009）。项目研究成果被国际同行所关注和认可（Souch and Grimmond，2006）。
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”，以城市群复杂下垫面对天气系统的影响为研究重点，开展了观测和数值天气预报模式研究（李炬和窦军霞，2014；苗世光和Chen，2014）。刘树华等（2009，2013）在两个国家自然科学基金项目资助下，系统开展了城市复杂下垫面与大气边界层相互作用耦合模式研究、京津冀地区大气边界层和大气环流特征研究。2010年973项目“我国东部沿海城市带的气候效应及对策效应”，深入研究了城市群的直接天气气候效应，城市群作为我国高污染地区所形成的较大范围空气污染及其天气气候效应，以及大范围城市化对东亚季风的影响（Wu and Yang，2013；Ding et al.，2013；Wan and Zhong，2014）。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”，围绕大气边界层中关键气象要素和主要污染物的地基、塔基、艇基和飞机观测等新技术，以及多元数据融合归一标准化平台等开展研究。东北（李丽光等，2012）、西北（刘宇等，2003；王腾蛟等，2013）、川渝（王咏薇等，2013）等地区亦相继开展了城市气象研究工作。
在大气环境预报方面，王自发等（2006）经长期磨炼研制完成的嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）作为一个区域多尺度空气质量数值模式，已进行广泛的业务应用。中国气象局建立了国家级雾霾数值预报系统（CUACE）（Gong and Zhang，2008），并建立了订正模型（吕梦瑶等，2018），取得了良好效果。南京大学建立了研究型的城市尺度空气质量预报模式（NJU-CAQPS），具有多尺度、引入城市陆面参数化方案和细网格、高分辨率等特点，模拟结果在NJU大气环境风洞中进行对比检验，取得了良好结果（刘红年等，2009）。
城市气象研究及其应用近一二十年来有着长足进展。在城市规划的研究与应用领域，北京市气象局和南京大学等多家单位联合开展了气象环境综合评估体系在城市规划建设中的应用研究（汪光焘等，2005）。近年来，城市环境气候图作为一种可持续发展和规划的重要信息系统工具，在国内外，包括我国北京、香港、西安和高雄，取得了很多实际应用成果（任超和吴恩融，2011）。
中国气象学会城市气象学委员会一直致力于推动我国城市气象科研与应用的发展，2004年10月12日在京组织召开了“城市边界层观测与模拟国际研讨会”（Wang et al.，2005）。2009年8月25日，由中国气象学会城市气象学委员会、中国气象局科技与气候变化司、北京市气象局联合主办，中国气象局北京城市气象研究所（北京城市气象研究院的前身）承办，在京召开了“城市气象重大科学技术问题专家研讨会”。来自中国科学院、国内外高校，北京、上海、广东等地气象部门等机构的四十余位专家学者参会。研讨会采取专题引导性报告、专家“头脑风暴式”研讨和书面建议相结合的方式，在分析和梳理当前国际城市气象学发展趋势及我国经济社会和城市可持续发展对气象科学技术迫切需求的基础上，围绕城市气象的服务和需求、城市气象与精细化气象预报、城市化与气候变化、城市气象与大气环境观测四个方面，对制约我国城市气象科研和业务发展重大的、关键的科学技术问题进行了广泛而深入的研讨，并针对制定我国城市气象科技中长期发展规划提出了近期的主要任务和重点发展方向（中国气象学会城市气象学委员会，2009）。Lee等（2015）指出：城市群大气边界层研究是边界层气象学研究的五个优先领域之一。近年来，城市化对区域气候及空气质量的影响成为一个新的研究热点，王雪梅（Wang et al.，2017）等给出了清晰的分析思路和论证，是个很有意义的新观点。张宁等（2019）将起源于南京大学大气环境风洞实验室和大气环境模拟研究室的大气扩散与城市气象研究进展精选出3卷文集（南京大学出版社，2019）。
以上用极有限的篇幅，挂一漏万的展示，已能充分地表明数十年来我国在城市气象研究这一学科新领域获得了多方面的丰硕成果。城市气象研究还为多方面的重要应用服务，推进有新意的科学技术活动，开展国际合作和学术交流，开创城市气象深入全面研究的新局面。
本章将给出城市气象的定义、研究内容与研究方法。按照上述研究背景和回顾，从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四个方面分别论述城市气象研究进展，并给出结语和展望。