Контрасти мікрокліматичних характеристик, що виявляються в різких змінах елементів в приземному шарі в окремих районах міст, є результатом своєрідного співвідношення між складовими теплового балансу, а також результатом особливостей витрат запасів радіаційного тепла на метеорологічні процеси.
Для розвитку метеорологічних процесів на території сучасного великого міста характерна практична відсутність просочування вологи в грунт, а тому невисока роль витрат тепла на випаровування з активної поверхні. Волога, що потрапляє на територію міста у вигляді опадів або при поливах швидко стікає, і лише незначна частина її випаровується. Тому для асфальтових покрить, а також для черепичних і металевих покрить дахів рівняння теплового балансу в даний момент може бути записано у вигляді:
B+F=P+Qn(1)
Тобто, всі запаси тепла, одержувані діяльною поверхнею у вигляді радіаційного балансу (В) і тепловиділення міста (F), в такому разі витрачаються на турбулентний теплообмін між діяльною поверхнею і повітрям (Р, грунт — повітря), а також на теплообмін в грунті і діяльному шарі (Qn). Позначимо, що наявність покриттів з асфальту і каменя, розташованого на культурному шарі, забезпечує високу теплопровідність в діяльному шарі до глибини 1—2 метрів, яка сприяє інтенсивному теплообміну в грунті.
Дослідження в Києві показали, що влітку при безхмарній погоді 55—60 % тепла, одержуваного міськими покриттями у вигляді радіаційного балансу, витрачається на турбулентний теплообмін між діяльною поверхнею і повітрям. Інші 45—40 % йдуть на забезпечення теплообміну в грунті.
Ці дані мають велике практичне значення з погляду виконання планів озеленення міст. Річ у тому, що висаджуючи окремі дерева в спеціальні лунки площею 2—3 м2, ми різко погіршуємо температурні умови і аерацію грунту в корінне проживаючому шарі. Досвід створення насаджень Москви, Санки – Петербурга і Києва свідчить, що висаджуючи дерева у відкритий грунт можна досягти різкого збільшення приживання дерев і нормального їх розвитку.
Розміщення на території великих міст парків, скверів і водоймищ приводить до значних змін в співвідношенні складових теплового балансу. Тут важливою витратною статтею є витрати тепла на випаровування, що різко зменшує турбулентний теплообмін грунт — повітря. В таких місцях співвідношення складових теплового балансу значною мірою наближається до того, що спостерігається на природній поверхні навколишньої території.
Загальні для всіх міст чинники: заміна природних діяльних поверхонь або шарів (грунт, трав'яниста, чагарникова або деревна рослинність) штучними (асфальт, камінь, метал, скло); створення промислових підприємств і складних виробничих комплексів, а також житлових масивів, що включають багатоповерхові будівлі різного розміру і призначення, з'єднаного ділянками асфальту і зелених насаджень, а в деяких випадках і водоймищами.
Разом з цими загальними особливостями сучасних міст України слід зазначити ряд специфічних умов формування їх мікроклімату: фізико-географічні особливості території міста — будова рельєфу, грунтово-рослинні особливості території, наявність акваторій різного розміру, вітровий режим, атмосферне зволоження території та інше.; своєрідність планування кожного міста, орієнтування, розміри вулиць і площ, особливості озеленення, співвідношення між промисловими і житловими кварталами, поверховість окремих районів і їх частин; спеціалізація міста.
Роль кожного з названих чинників у формуванні мікрокліматичних контрастів різна, але рідко буває так, що кожний фактор впливає роздільно, звичайно ж мікрокліматичні особливості окремих міст або їх районів і елементів є наслідком сумісного впливу всіх чинників при переважанні одного або двох з них. При цьому у кожному окремому випадку абсолютні значення мікрокліматичних контрастів температури і вологості повітря, швидкості вітру і інших елементів також залежатимуть від загальних погодних умов і пори року, від яких значною мірою залежить відносний вплив кожного чинника.
В результаті сумісної дії загальних і специфічних факторів в кожному сучасному місті формується складний штучний діяльний шар, структура якого робить значний вплив на фізичні характеристики не тільки приземного і прикордонного шарів, але у ряді випадків і вільної атмосфери.
Сумарний штучний діяльний шар сучасних великих міст можна розділити на ряд підшарів:
- на рівні земної поверхні (асфальту вулиць і площ, рівні газонів),
- на рівні зелених насаджень (дерев парків і скверів, чагарників бульварів), на рівні дахів будівель переважаючої поверховості
- на рівні дахів висотних будівель.
В кожному з названих підшарів формуються свої системи радіаційних потоків, своєрідні умови забруднення, вентиляції, турбулентності.
Залежно від місця розташування міського жителя відносно перерахованих діяльних підшарів на нього впливатимуть різні радіаційні потоки, змінюватиметься спектральний склад прямої і сонячної радіації, температура і вологість повітря.
Для великих міст важливе значення мають дослідження мікроклімату закритих приміщень — житлових і робочих кімнат з урахуванням їх орієнтування і архітектурного рішення. Хоча в них мікроклімат в чистому вигляді відсутній, але залежно від ступеня проникнення і трансформації сонячної радіації, в об'єднанні з штучними джерелами тепла і тепловими потоками від працюючих або відпочиваючих людей, в закритих приміщеннях формуються своєрідні термічні умови.
Таким чином, джерелом різноманіття мікрокліматичних умов великих міст є відмінності в співвідношенні складових радіаційного і теплового балансу в окремих його районах, що викликаються будовою діяльної поверхні і особливостями радіаційного режиму.
Враховуючи загальну тенденцію зростання числа міст, збільшення їх розмірів (як за площею, так і за об'ємом через зростання поверховості будівель), можна стверджувати, що вплив великих міст на природу навколишніх районів буде зростати, а також зростатимуть і загострюватимуться мікрокліматичні контрасти в самих містах.
Ступінь впливу великих міст на оточуючу територію завжди залежатиме від кількості промислових підприємств в них, розміщення їх по території міста, від потужності і хімічного складу промислових викидів, а також від вітрового режиму і загальних географічних особливостей території.
Температура повітря в великих містах України звичайно перевищує відповідні значення в їх околицях.
Дослідження сторічного ходу температури повітря в Києві показало, що при зіставленні середніх температур за окремі десятиріччя в період 1861—1970 рр. простежується загальна тенденція поступового зростання цієї характеристики, особливо при використанні відомостей про середню річну температуру. В окремі місяці картина різко ускладнюється через значну мінливість температури, викликаної циркуляційними процесами в атмосфері взимку.
Температурний контраст між містом і його передмістями залежить від ландшафтної структури околиць і ступеня перетворення ландшафтів в межах міста.
Для наших міст характерна наявність зеленого оточення, а також органічне включення в межі міста або близькість водних об'єктів — річок, озер, заток, водосховищ і морів. Ці особливості розташування міст грають важливу роль у формуванні термічного режиму міста і його околиць, визначають величину термічних контрастів між ними, впливають на вертикальний розподіл температури і формування місцевої циркуляції в приземному шарі повітря.
Внаслідок зміни стану діяльної поверхні в сучасних містах створюються сприятливі умови для підвищення температури повітря, тому в містах весною і восени рідше спостерігаються заморожування, причому всі вони по інтенсивності слабкі в місті, ніж в передмісті.
Різниці температур місто — околиць мають добовий хід. Найбільші значення різниць температури місто — околиця на Україні спостерігаються ввечері при ясній погоді, коли під впливом випромінювання зелених рослин в околицях великих міст відбувається інтенсивне охолодження повітря. В центральних частинах міст в цей час зберігаються достатньо високі температури через тепловіддачу, що триває в кам'яних будівлях і асфальтових покрить, які сильно прогріті за день. В вечірню пору в Києві і інших містах зафіксовані температури на 6—8° вище, ніж в їх околицях.
Наявність зеленого оточення забезпечує високі контрасти в розподілі температури повітря в містах і в денний час. Так, в полуденний час при безхмарній погоді в Києві зареєстровані випадки підвищення температури повітря в місті над околицями на 2—3°. Характерною рисою сучасних великих міст є значна мінливість температури повітря, як по горизонталі, так і по вертикалі, що викликане контрастами в щільності забудови і ступеня озеленення. В денний час на вулицях і майданах, в окремих подвір'ях температура зазнає значних змін на обмеженій територі , причому різниці в окремих випадках можуть досягати також 2-3°.
Дослідження просторового розподілу температури в Києві показали, що у напрямку до центру міста спостерігається підвищення температури, максимуми приурочені до районів, зайнятих площами Перемоги, Бессарабської, Богдан Хмельницького та ін.
Інтенсивне нагрівання повітря відбувається над дахами будівель щільно забудованих районів, а також над територіями великих промислових підприємств, де часто для забезпечення роботи транспорту багато ділянок асфальтують.
Всі такі райони є своєрідними осередками перегріву, островами тепла, що забезпечують формування теплих мас над центральними частинами міст.
Вологість повітря в великих містах дещо нижче, ніж в околицях, що пов'язане з підвищенням температури, а також із загальним пониженням запасів вологи в атмосфері над містами, внаслідок зменшення або практично повного зникнення випаровування.