城市化和人类活动导致的全球不断变暖，会使地球失去宜居性和可持续性。以往的研究很少考虑城市局部气候区（LCZ）的长时序转变与地表温度（LST）间的联动关系。因此，本文以西安都市圈为研究区，采用多源遥感影像，使用土地利用转移矩阵等方法，系统分析2000-2019年局部气候区与地表温度的时空变化特征，量化LCZ的转变过程，以及城市化过程中城市一体化与热环境一体化特征。研究结果显示：（1）西安都市圈中主要位于环城高速内的建设类型LCZs不断向外扩张比例由38.19%增加到60.02%，向西扩张的过程中西咸双城融合现象显著。同时，LST也呈现出相似的扩张规律；（2）2000-2019年西安都市圈有48.71%的LCZs发生转变，主要表现为建设类型LCZs侵蚀土地覆盖类型LCZs，其中LCZ D（低矮植被/农田）缩减最为明显达到505.92km²，LCZ 5（开阔中层）的扩张最显著达到219.24km²。西安市中心城区LCZs由内到外逐渐呈现出“紧密中层-开阔中层-开阔高层”的近环状分布格局。（3）土地覆盖类型LCZ转向建设类型LCZ使得LST持续升高，但这并非是一个普遍规律，特别的是：2000-2005年，LCZ B（稀疏树林）转为LCZ 4（开阔高层）的过程中归一化LST降低了0.02。从2000-2019西咸LST剖面波幅增大，表明局部高温现象越发显著，城市热环境波动更加剧烈。同时西安咸阳不断扩张，空间上表现出双城融合。研究结果可为城市的可持续发展和基于LCZs的城市规划提供参考依据和借鉴。

局部气候区；地表温度；城市形态；热环境；城市可持续发展