Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη αριθμητική προσομοίωση ακραίων θερμικών συνθηκών σε περιφερειακή και αστική κλίμακα. Ειδικότερα, ένα σύγχρονο μετεωρολογικό μοντέλο μέσης κλίμακας, το Weather Research and Forecasting (WRF), χρησιμοποιήθηκε με σκοπό την ανάλυση και βελτιστοποίηση της αποδοτικότητάς του στην προσομοίωση επεισοδίων καύσωνα και του φαινομένου της Αστικής Θερμικής Νησίδας (ΑΘΝ). Διάφορα πειράματα ευαισθησίας πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια μιας σειράς τριών αριθμητικών μελετών. H πρώτη αριθμητική μελέτη έδειξε ότι η προσομοίωση καυσώνων στην μέση κλίμακα εξαρτάται σημαντικά από την α) παραμετροποίηση των συντελεστών επιφανειακής ανταλλαγής θερμότητας στα σχήματα παραμετροποίησης του στρώματος επιφάνειας, β) την προσομοίωση των ροών θερμότητας από τα μοντέλα επιφάνειας της γης, και γ) την παραμετροποίηση της κατακόρυφης ανάμειξης στα σχήματα παραμετροποίησης του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος. Τα αποτελέσματα της δεύτερης αριθμητικής μελέτης έδειξαν ότι η ακριβής και λεπτομερής αναπαράσταση των χρήσεων γης στα αστικά περιβάλλοντα είναι απαραίτητη για την αποτύπωση του φαινομένου της ΑΘΝ. Τέλος, η τρίτη αριθμητική μελέτη ανέδειξε τη σημασία των πολύπλοκων φυσικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στις πόλεις και επηρεάζουν καταλυτικά την ενδο-αστική κατανομή των θερμοκρασιών. Για την σωστή αναπαράσταση αυτών των διεργασιών είναι η απαραίτητη η σύζευξη του μοντέλου WRF με το μοντέλο αστικού θόλου Single Layer Urban Canopy Model (SLUCM), χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη εξίσωση για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του αστικού εδάφους. Εξίσου απαραίτητη είναι η προσαρμογή των παραμέτρων επιφάνειας και αστική γεωμετρίας στην εκάστοτε περιοχή ενδιαφέροντος έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η ρεαλιστική αναπαράσταση του αστικού περιβάλλοντος. Στο πλαίσιο αυτό, η ανάλυση ευαισθησίας που πραγματοποιήθηκε έδειξε ότι η δημιουργία και εξέλιξη της ΑΘΝ επηρεάζονται καθοριστικά από την ανακλαστικότητα των επιφανειών, την γεωμετρία των αστικών χαράδρων και το ποσοστό αστικής κάλυψης. Η εφαρμογή των βέλτιστων παραμέτρων για την Αθήνα οδήγησε στην σημαντική βελτίωση της απόδοσης του μοντέλου, με τις μειώσεις των θερμοκρασιακών αποκλίσεων να κυμαίνονται από 0.30 έως περίπου 1.60 βαθμούς κελσίου. Το γεγονός ότι οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν είναι σύμφωνες με τα πραγματικά χαρακτηριστικά της πόλης παρέχει την βεβαιότητα ότι το μοντέλο WRF έχει βελτιστοποιηθεί κάτω από την συγκεκριμένη διαμόρφωση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη και πρόγνωση της ΑΘΝ στην Αθήνα υπό τις συνθήκες ενός θερμότερου κλίματος στο μέλλον.