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城市下垫面与其上的大气边界层存在着复杂的交换过程，这种过程可以发生在建筑物墙壁的尺度（几米）上，也可以是在整个城市尺度（几万米尺度）上，同时所对应的现象也可以从城市街谷的湍流涡旋到整个城市导致的热岛环流或城市烟羽（Oke et al.，2017），它们的时间尺度也可以从几分钟到数小时。城市影响的这种多尺度特点，对城市气象中的观测、模拟和应用方案设计都至关重要。因此根据城市观测和数值模拟的需要一般把城市边界层的过程在垂直方向上进一步细分为城市全边界层过程、城市近地层过程和城市冠层过程等，它们所对应的水平尺度则为城市天气气候尺度（即中尺度以上），城市局地（边界层）尺度和城市微尺度。同时随着城市气象服务、科学研究的精细化和需求的多样化，除了传统的天气气候预报预测外，在城市规划、城市大气环境治理、城市建筑设计和城市风安全等领域也对城市气象的多尺度数值模拟有大量的研究和服务需求。因此，需要针对不同尺度的问题和需求发展不同的数值模拟工具（蒋维楣等，2010）。
根据城市气象问题的特点，按照水平的空间尺度划分，主要包括中尺度、城市尺度、小区尺度和建筑物尺度（Fang et al.，2004）。其中，中尺度和城市尺度主要面向城市的天气气候效应和城市影响下的城市热岛环流等过程的模拟，关注的是城市下垫面过程对其上大气过程的影响以及在整个地球系统中的作用。小区尺度和建筑物尺度则更加关心在城市街谷、建筑等城市粗糙元尺度上精细的动力、热力过程的影响。对于中尺度和城市尺度以及更大尺度的天气气候模型，它们的水平网格距一般在一千米到几万米；而小区尺度和建筑物尺度模型的水平网格距则多为10米以下。而城市建筑物这种组成城市下垫面的主要粗糙元的水平尺度则多在十几米到几十米的范围，因此在这两类数值模式中对城市建筑物影响的处理截然不同。在中尺度和城市尺度模式中侧重于表述城市下垫面的整体作用以及它在城市边界层和更大尺度过程上的影响，它更侧重于对大量建筑物作用统计态的描述；而在小区尺度和建筑物尺度上则更侧重于对建筑物个体几何特征。基于这一特征，蒋维楣等（2009）指出城市多尺度数值模式中可以根据典型建筑物水平尺寸与各个数值模式水平网格距之间的关系划分为两类：第一类为隐式处理建筑物影响（即建筑物整体作用的参数化），主要用于中尺度和城市尺度的模拟中，目前主要通过城市陆面过程中的城市冠层模式来实现；第二类为显式处理建筑物影响，即在网格划分中体现建筑物的形态结构细节，对建筑物个体的体征进行具体描述，主要应用于小区尺度和建筑物尺度模式中，例见张宁等（2002）。图1.3.1示意为第三代多尺度城市边界层数值模式系统。
图1.3.1 第三代多尺度城市边界层数值模式系统（蒋维楣等，2009）
城市冠层（UCL）指的是城市建筑物顶以下的城市近地层部分（Oke et al.，2017），在该层次中城市建筑物对长短波辐射的传输、平均风场和湍流运动等动力热力过程有着直接的影响；同时这一区域内人类活动活跃，有着强烈的水、热和污染物排放。传统的数值模式对于城市效应的处理仅通过改变下垫面动力、热力特征参数来体现。大量的观测研究表明，城市冠层内建筑物三维表面的能量平衡过程及由此诱发的对近地层大气的通量交换过程与平坦下垫面显著不同（胡非等，1999，2005；贺千山等，2006；苗世光等，2012；Peng and Sun，2014），需对其进行特殊考虑。
在中尺度和城市尺度的数值模式中，主要通过城市冠层模式来表述城市陆面过程与上层大气之间动力、热力和辐射的相互作用（Chen et al.，2011）。国内的研究者也在同一时间认识到城市冠层模式的重要性。何晓凤等（2009）基于TEB方案的原理，建立了南京大学单层城市冠层模式，在模式中基于城市街谷基本假设，对城市建筑物辐射过程的影响进行了详细描述，并耦合到南京大学城市多尺度数值模拟系统中。王咏薇和蒋维楣（2009）进一步发展了南京大学城市冠层模式，基于独立方体建筑物的模型假设进一步考虑了建筑物不同朝向墙壁上的辐射特性差异。两个城市冠层模型于2009年参与了城市地表能量平衡参数化方案的国际模式比较计划（Grimmond et al.，2010）并取得良好效果。城市人类活动过程（人为感热和人为潜热等）作为城市冠层过程的重要组成部分也被进一步加入到城市冠层模型中。苗世光等（Miao et al.，2008，2009a）在中尺度模式WRF的单层城市冠层模式中对人为感热进行了参数化。张宁等（Zhang et al.，2016b）进一步对WRF模式中的人为热排放方案进行了改进。郑玉兰等（2017）进一步引入了建筑物制冷系统的人为感热和潜热影响。周荣卫等（2010）在城市冠层模式中引入了动力冠层方案并应用于城市边界层的模拟。苗世光和Chen（2014）基于观测试验发展了城市地表潜热通量数值模拟方法。杨健博等（Yang et al.，2015）改进了城市边界层模式中的植被过程，进一步考虑了城市绿地等要素的影响。李玉焕等（Li et al.，2017）提出基于分数维方法反演建筑物指数并引入到城市冠层模式中，对城市气象要素取得了更精细的模拟效果。
随着各类城市数值模式的成熟，它们也被广泛应用于科学研究和气象业务服务中。北京市气象局在国内率先将城市冠层模式应用于其业务模式中，并提供高分辨率城市气象业务预报产品，应用结果表明：耦合城市冠层模式后，可在一定程度上改善近地层气象要素的预报效果，有效提高模式对城市边界层特征的模拟能力（苗世光、王迎春，2014）。
复杂城市冠层模式的发展也意味着对城市下垫面精细参数需求的提高。近年来，利用三维建筑数据库、机载激光雷达、数字高程、卫星等所获资料建立了高分辨城市形态数据集，成为城市气象数值模式发展的迫切需要，例如美国科学家建立了北美主要城市冠层参数数据集NUDAPT。苗世光等（2008，2009ab，2011）也将精细城市冠层参数应用于城市边界层结构和降水过程的模拟中，并取得了良好效果。Dai等（2019）利用卫星遥感等手段对广州等城市的建筑物高度数据进行了反演，并应用于该地区的城市气象和空气质量状况的研究，对模式模拟能力有很大的提升。当今，仍然亟待建立全国尺度的高分辨率城市冠层参数数据集。
在城市小区尺度模式中，为了体现独特的建筑物形态和街谷结构等所需的城市结构和建筑物要素的直接动力和热力作用影响，需要精细地分辨建筑物个体的形态学特征和相应数据。同时由于该尺度上湍流过程剧烈且局地性强，模拟中多需采用高阶局地湍流闭合参数化方案。张宁等（2002）建立了基于k-ε闭合的建筑物可分辨尺度风场模式。苗世光等（2002）在此基础上引入建筑物对辐射的影响等热力过程，建立了城市小区尺度模式。现今大涡模拟（LES）技术已在城市小区尺度数值模拟中有着广泛的应用（崔桂香等，2008），张宁和蒋维楣（2006）建立了一个基于大涡模拟技术的建筑物尺度风场模式，并与拉格朗日随机游走模型结合，模拟了建筑物周围不同位置污染物排放的扩散特征。严超等（2017）在大涡模式中引入了街道树木的影响，进一步提高了对城市复杂下垫面过程的描述能力。李海峰等（Li et al.，2018a）发展了一种中尺度模式与大涡模拟技术相耦合的新方法并取得了成功应用。刘玉石等（Liu et al.，2011）则利用大涡模拟方法研究了澳门城市街谷中的污染扩散问题。杭建等（Hang et al.，2009，2012）还研究了不同城市形态下的城市环境通风问题。
计算流体动力学（CFD）软件和商用软件ENVI-met被广泛地应用于城市微气候过程、大气环境和城市规划的微尺度数值模拟中。例如，姜之点等（2018）利用该模式研究了城市街区尺度屋顶绿化对城市热环境的影响。目前CFD软件中广泛应用的非正交网格可以更好地分辨建筑物的形态等特点，因此在城市微气候的模拟中将会有越来越多的应用，目前常用的模式有商业软件Fluent和开源模型OpenFOAM等。例如，陈存杨等（2015）利用OpenFOAM模拟了城市街区的扩散特征；董龙翔等（2019）通过WRF和Fluent的耦合模式对城市大气扩散进行了模拟。针对传统大气模式和CFD方法在城市小尺度过程的模拟中计算量巨大的缺点，张宁等（Zhang et al.，2016a）基于半经验模型和拉格朗日随机模型针对城市应急等应用需求开发了城市建筑物尺度风场和污染扩散的快速诊断模型。