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为了满足城市气象科研、预报预测业务和服务的需求，各城市均建立了城市气象综合观测网。这类观测网通常包含了覆盖城市地区的中尺度天气监测以及边界层气象特征条件的监测，例如，针对城市能量平衡、城市热通量、城市热岛观测的试验网。我国的城市气象观测网中以京津冀、长三角和珠三角三大城市群的城市气象综合观测网最为发达和成熟。这些观测网除了为科学研究服务外，为城市气象预报或相关部门决策提供观测数据也是其重要目的。
在京津冀协同发展的国家战略背景下，京津冀城市群地区以提升该地区强降水、灰霾等高影响天气的观测、预报和服务能力为核心目标，形成了为城市安全运行、精细化管理和防灾减灾服务的城市气象综合观测网。以北京为例，以城市安全快速发展、防灾减灾应急处置和重大活动气象服务保障需求为牵引，建立了超大城市气象保障和服务监测网，地基和空基相结合，门类齐全，布局合理的热力学、动力学和大气物理学、大气化学观测，以及城市气象与城市边界层结构观测系统（Liang et al.，2018）。
在中部长三角城市群地区形成了由生态与农业气象、海洋气象、交通气象、城市环境气象、气候资源、干旱监测、雷电监测、水文气象等专业观测网组成的城市气象和环境气象观测网络体系。例如，上海构建了针对特大城市的地基和空基观测相结合的综合气象观测系统（图1.2.1）（Tan et al.，2015）；苏州结合城市发展需求，针对城市热岛效应研究，专门设置了城市热岛监测网；杭州则针对大气污染问题，专门构建了监测项目齐备的杭州市大气复合污染综合监测系统；南京则以大城市精细化预报服务中的交通气象预报服务为牵引，还专门构建了全市交通能见度监测网。
在南部珠三角城市群建立了由稠密的地面自动站网、多种地基遥感设备（如天气雷达、多普勒声雷达、风廓线雷达等）、城市大气成分监测站网、GPS/ MET水汽监测网等组成的城市气象综合观测网。以深圳市为例，从1994年至今已形成较为完善的气象灾害监测和气候监测体系（毛夏等，2013）。
此外，气象观测高塔为城市气象研究提供了极好的观测平台，例如：北京325米塔（胡非等，1999，2005；苗世光等，2012；苗世光和Chen，2014）、天津225米塔（黄鹤等，2011）和深圳356米塔（Li et al.，2019），均在城市边界层物理与大气环境研究方面发挥了重要的基础性作用。
近期，依托国家重点研发计划，在北京、上海和广州三个特大城市原有业务观测网基础上建成了以地基遥感为核心的大气温度、湿度、风场、水凝物（云和降水）和气溶胶垂直廓线立体观测的超大城市观测网（王志诚等，2018）。
目前，各城市所建立的观测网络基本上均具有Tan等（2015）所给出的如下特点，或正在向该方向发展：①多平台：包括了地面气象观测（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）等多个观测平台；②多变量：观测变量涵盖了热力学、动力学、大气化学、生物气象学、生态学等领域的要素；③多尺度：通过上述多种平台的观测，兼顾天气尺度、中尺度、城市尺度、街区尺度、建筑物尺度等；④多重链接：上述多种观测平台通过自动遥感、地基遥感、卫星遥感、在线观测和采样等手段获得观测资料，观测平台之间相互链接，最终形成综合观测网络；⑤多功能：除在精细化预报中发挥重要作用外，既能满足开展高影响天气及城市边界层相关科学研究的需求，又可满足城市安全和环境、健康等多种用户的需求。
图1.2.1 上海城市气象综合观测网（SUIMON）观测站点分布（Tan et al.，2015）
对城市气象条件和大气过程的观测试验研究是提高对城市天气、气候和大气环境认识的基础。自二十世纪七八十年代开始，国内外陆续开展城市气象观测试验研究项目。自20世纪末至21世纪初，国际上相继出现了一系列围绕城市地区的边界层气象、天气、气候、空气污染等诸多研究课题的大型外场观测试验（Grimmond，2006），其中城市边界层气象和城市空气污染课题是两个重要的热门研究内容。同期我国比较有代表性的试验有如北京BECAPEX（徐祥德等，2004，2010）、北京BUBLEX（李炬和舒文军，2008；李炬和窦军霞，2014）、南京为开展典型城市三维边界层结构研究进行的城市边界层观测（刘红年等，2008）。其中，BECAPEX实验（2001—2003年）为我国首个在超大城市开展的大规模城市气象综合观测试验。在北京实施了大气边界层动力学、热力学和大气化学综合观测试验，获取了北京城市大气动力学和大气化学三维结构图像，研究发现：城市区域呈非均匀次生尺度热岛分布，并伴随着城市次生尺度环流，影响了局地空气污染物分布特征。北京城市空气污染与周边区域影响源之间存在密切关系，影响了城市群落环境气候特征，导致该区域日照、雾日、低云量和能见度呈显著年代际变化趋势。
2004年南京大学在国家自然科学基金资助的城市现场观测试验中，在南京闹市区安置激光气象雷达先后进行了每次长达10 天时段的城市边界层结构探测和专门的城市混合层、对流夹卷区以及云反馈等功能的专门探测研究，开展了对城市边界层参数化模式和城市混合发展机制的观测试验研究（毛敏娟等，2006；Mao et al.，2009），得到了国内外同行的认可。
近十年来，全球气候变暖背景下极端天气事件频发，城市的高影响天气问题愈发引人关注。这时期的城市气象观测试验更多地关注城市高影响天气机理研究及其减缓对策（Baklanov et al.，2018），关注城市效应对天气气候影响、城市气溶胶与天气气候的相互反馈作用，观测范围从以往的单个城市扩大到了多个城市（城市群、都市圈）。2015—2017年在我国京津冀城市群地区开展了城市对降水和雾霾影响科学试验（Study of Urban-impacts on Rainfall and Fog/ haze，简称SURF）（Liang et al.，2018）。该项试验联合了美国、英国等国高校和科研机构的研究力量针对京津冀城市群地区的强降水和霾开展外场观测（图1.2.2）。基于观测试验，加深了对城市近地层湍流特征、京津冀复杂下垫面地气交换过程和边界层三维结构的认识，提出了城市对降水影响的机理、类型和数值模拟的不确定性，揭示了京津冀城市群局地环流等气象条件对霾的影响，研究并改进了高分辨率精细化预报系统睿图模式，提升了对城市降水和霾的预报水平。相关地区的观测试验项目，包括上海、北京等地的试验研究还被WMO列入了GURME的研究示范项目（https：// community. wmo. int/ activity-areas/gaw/ science/ gurme）。
图1.2.2 城市对降水和雾霾影响科学试验（SURF）观测布局（Liang et al.，2018）
与外场观测试验相比，风洞实验具有实验条件易于控制、测量方便、成本低等优势。国内首次在大气环境风洞中运用了流体物理模拟手段，即在大气环境风洞中，如南京大学NJU大气环境风洞（蒋维楣等，1991；蒋维楣，1994）进行了城市气象和城市环境应用研究的物理模拟试验，取得了独到的良好效果（蒋维楣等，1998；2003；欧阳琰等，2003）。上海浦东新区开发初期，在南京大学NJU大气环境风洞中专门就上海浦东新区陆家嘴地区27幢新建高楼以及浦江两岸隧道废气排放塔废气排放影响做了风洞模拟实验，图1.2.3（a）（b）展示为其实验照片。同时还在NJU大气环境风洞中，北京城市规划建设与气象条件及大气污染关系研究课题组，以北京芳古园小区为模型对象，作了环境风洞实验研究（风洞模型及照片示于图1.2.3（c）（d）），于1990年前后多次进行了小区气流分布、小区污染物浓度散布、建筑物周边气流和污染物浓度分布等测量。并与数值模式模拟结果进行了比较检验，发挥了此种物理模拟的独特优势，测量与实验结果相当一致，均取得了很好效果。研究结果表明：风洞试验既能真实再现城市街渠及建筑物的存在对气流和污染物扩散的一般规律，又显现了不同气流条件与地面排放源污染物扩散分布的影响，还揭示了个体建筑物及其周边区域形成的气流特征和污染物散布的特征与规律。以上这些科技手段的运用，展现了随着计算机和电子信息技术的飞速发展，我国在城市气象研究领域的新技术运用开始取得了长足进展。
图1.2.3 南京大学NJU大气环境风洞实验照片
（a）上海浦东新区陆家嘴高层建筑气流分布风洞实验内景；（b）上海浦东新区陆家嘴过江隧道废气排放塔风洞实验内景；（c）北京芳古园小区风洞实验内景照片；（d）北京芳古园小区风洞实验烟气图像
城市气象缩尺外场实验是开展城市冠层通风、城市热岛机理、城市陆气耦合过程的较好实验模拟方法。中山大学杭建研究组设计了建筑热参数可控性好、热惯性足够大、能达到真实城区需要的热力学相似要求的理想城区模型（图1.2.4），于2016—2017年在广州郊区进行城市气候缩尺外场实验（Scale-model outdoor measurement of urban climate and health，简称SOMUCH）。实验场地面积为4800 m 2 ，远离周边建筑，具有不透水地面。如图1.2.4（a），两个理想街谷模型由约2000 个水泥建筑模型组成，每个建筑模型高H=1.2 m、宽B=0.5 m、壁面厚度1.5 cm。水泥建筑实验模型内部中空，易于移动位置以改变高宽比和建筑密度等参数。两组模型，一个中空热容较小，一个内部装满沙子以增大建筑热容。
图1.2.4 城市气候缩尺外场实验（SOMUCH）结果示例
（a）实验场地型概况及三种二维街谷高宽比示意图；（b）三维城区风热环境与能量平衡观测示意图及实景照片（Wang et al.，2018）
通过外场实验研究了典型非稳态真实气象条件下建筑热容、街道高宽比等对二维街谷湍流和温度时空特征的影响（图1.2.4（a））。二维街谷温度日循环特征研究发现（Chen et al.，2018）：1）相对于宽街谷（H/ W=1）而言，窄街谷（H/ W=3）天空视角因子更小、遮阴效果更好、白天获得太阳辐射更少，因此窄街谷侧壁温度白天都较低，然而夜间宽街谷侧壁对流通风效果更好、长波辐射散热能力更强，因此宽街谷侧壁降温会更快；2）装沙的建筑模型热容更大，白天储热更多，因此升温和中空模型相比较慢；但夜晚装沙模型因白天存储的热量更多，因此温度更高。此外，还开展了三维城区能量平衡等方面的观测实验研究，如图1.2.4（b）所示，着重于高楼密集城区模型研究（Wang et al.，2018）。