城市化是城市区域气候变化的重要人为因子。近年来随着我国城市化的快速发展，城市极端降水事件频发并对人民生命财产安全造成严重的破坏。有关城市陆面过程对城市局地极端降水发生发展的科学机制与数值模拟研究也成为重要科学前沿课题和社会关注热点问题。本研究从城市建筑-街谷冠层结构的空间分布特征出发，基于分形几何理论对城市地表建筑-街谷分布的跨空间尺度特征，包括分形维度、标度律特征和多尺度非均一性等特征参数进行了建模与分析并形成相应的地图数据集。进而基于上述数学物理模型分析了城市建筑-街谷分布几何特征对若干传统陆面参数，比如网格地表反照率、地表粗糙度等的数学特征，再将其成果加入城市冠层模式中，并与WRF模式耦合后挑选近年来若干典型城市极端降水案例进行数值模拟和数值敏感性实验。模拟结果表明：1. 城市化影响城市冠层和城市陆面过程，进一步影响城市及周边区域大气边界层气象过程，最终对极端天气过程有显著的影响。2. 目前的天气模式通常低估城市极端降水过程中的降水量，且对于其天气过程发展的模拟存在较大偏差。3.本研究认为城市陆面若干关键参数存在多尺度效应，即同一物理量在不同空间尺度的强度不同，城市冠层建筑分布的分形几何特征是其机制根源。4. 模式中包含了上述城市陆面多尺度效应有关的数学物理机制以后，可对城市极端强降水过程和降水量的模拟精度有明显的提高。

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