在过去75年间，中国经历了世界历史上规模最大、速度最快的城市化进程[1]。2024年，中国城镇常住人口及其占总人口的比例分别达到928,439,823人和66%[2]。在众多区分城市气候与周围非城区气候的特征中，城市热岛效应最为知名。城市热岛强度通常以城乡温差来衡量，即城市热岛强度。全球气候变化和城市化进程导致城市热岛强度增大，进而加剧了城市环境问题，如增强热浪危害、恶化城市空气质量以及降低人体热舒适性（例如参考文献[[3], [4], [5]]）。因此，为了改善城市居住环境，迫切需要降低城市热岛强度。
以往的城市热岛研究大多比较的是同一高度上城乡之间的温差，受限于一维或二维分析。基于站点观测的冠层热岛分析和基于卫星观测的地表热岛分析虽然不断推进，但难以解析城市热岛的三维结构[[6], [7]]。相比之下，数值模拟能够输出长时间、高精度的时空序列，从而实现对城市热岛三维时空变化的详细表征，揭示其水平、垂直和时间演变特征。此外，近年来，Stewart和Oke[8]提出的局地气候区概念作为一种基于局地城市环境描述观测站点的标准化方法，已被应用于城市气候数值模拟研究（例如参考文献[[9], [10], [11]]）。在局地气候区体系中，城市和自然环境被划分为不同类别，这些类别以人为热通量、不透水面积、天空视图因子和粗糙度元素等下垫面参数加以区分[12]。局地气候区能够有效识别城市区域中不同的热行为特征，并精确捕捉由城市发展引起的下垫面和冠层温度的时空变化。因此，局地气候区在研究城市内部不同区域的热岛效应和热浪局部尺度差异方面更具科学合理性[[13], [14], [15], [16], [17]]。
关于城市热岛强度的计算，早期的一些研究（例如参考文献[[18], [19]]）仅量化了城乡之间的温差，而非城市内部空间与农村之间的温差，忽略了由城市内部结构特征差异导致的热岛效应空间异质性。此外，所用数据的时空分辨率往往不一致，模糊了城市热岛的时空特征。近年来，一些研究者采用WRF模式耦合局地气候区概念来研究城市热岛强度（例如参考文献[[9], [10],[20], [21], [22]]）。这些研究能够有效捕捉这种空间异质性，从而对不同城市区域的热岛强度进行更精确的量化。然而，以往的数值模式研究通常仅选取一个或几个热浪事件进行模拟。由于模拟时长较短，只能反映热浪事件的天气尺度演变，而不能反映城市多个夏季的平均状态。综上所述，需要一项从局地气候区角度出发，利用时空连续数据、在长时间尺度上、以三维细节全面研究城市热岛的综合数值模拟研究，涵盖热浪日和非热浪日两个时期。
中国中原城市群面积28.7万平方公里，人口约1.6亿，是中国受城市热岛效应和热浪影响最严重的地区之一[23]。郑州是该城市群中最大的城市，面积7,567平方公里，人口1,300.8万，其中80%居住在城市区域。然而，目前关于郑州城市热环境的研究仍然有限。特别是对郑州城市热岛三维结构和热应激变化的深入细致研究尚缺乏，导致制定切实可行的降温策略缺乏可靠的科学依据。本研究以郑州的城市热岛现象为研究对象，采用WRF模式耦合局地气候区分类方法，对郑州2020–2024年五个夏季期间不同城市下垫面类型的冠层热岛、地表热岛和边界层热岛的三维结构及强度变化进行了详细分析，并探讨了城市热岛效应对热应激的影响。同时比较了不同城市下垫面类型所诱发的差异。为了为制定和实施改善城市热环境的政策提供更为准确合理的建议，本研究旨在：(1)超越传统近地面二维城市热岛研究，利用数值模拟分析城市热岛的三维结构；(2)克服天气过程分析的局限性，考察城市热环境的多夏季演变特征；(3)分析不同局地气候区面积下城市热岛和热应激的差异，重点关注热浪日与正常日的对比，从而识别高价值和关键区域，并探究其变化的内在机制，为城市设计和城市热岛缓解措施提供科学依据。
方法和数据在第2章中描述，结果在第3章中进行分析，讨论在第4章中进行，结论在第5章中总结。
