In Städten liegt die Temperatur in der Regel höher als im ländlichen Umland. Diese Eigenschaft wird als städtische Wärmeinsel bezeichnet. Je nach Grösse der Stadt, Bebauungsdichte, Vegetationsanteil und Durchlüftung sind städtische Wärmeinseln unterschiedlich stark ausgebildet. Besonders in den Sommermonaten und in der Nacht ist die Hitzebelastung für die Bevölkerung erhöht.
Städte sind dichter bebaut, die Bodenoberfläche ist stärker versiegelt als das Umland, zudem werden in Städten mehr Schadstoffe und Abwärme ausgestossen. Dies führt zu einem veränderten Lokalklima, und zwar hinsichtlich Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Strahlung und Wind wie auch Luftqualität und Lärm.
Die städtische Wärmeinsel ist ein typisches Merkmal des Stadtklimas und tritt während des ganzen Jahres auf. Der grösste Temperaturunterschied zwischen Stadt und Umland wird im Sommer erreicht und ist nachts besonders stark ausgeprägt. In Schweizer Städten liegt die Nachttemperatur bis zu 5-7 °C höher als im ländlich geprägten Umland. Tagsüber sind die Unterschiede zwischen Stadt und Umland meist geringer und die Lufttemperaturen in den Städten oft nur wenig erhöht. Deshalb ist in Städten die Anzahl der Tropennächte (nächtliche Minimumtemperatur 20 °C oder mehr) deutlich grösser als im Umland, während die Anzahl der Hitzetage (Tage mit einer Maximaltemperatur von 30 °C oder mehr) nur wenig erhöht ist. In Strassenschluchten oder auf vegetationslosen Plätzen kann jedoch auch die Tagestemperatur in der Stadt deutlich höher sein als im Umland.
Der städtische Wärmeinseleffekt hat folgende Ursachen:
Die städtische Wärmeinsel ist während Hochdruckwetter am grössten, das heisst bei windschwachen, bewölkungsarmen und strahlungsintensiven Wetterlagen. Dies ist besonders während Hitzeperioden der Fall.
Vor allem die erhöhten nächtlichen Temperaturen in den Städten stellen eine gesundheitliche Belastung für die Menschen dar, die in Städten leben. Wenn die Nächte nicht ausreichend kühl sind, kann sich der Körper kaum erholen und auch die Hitzebelastung am Tag schlechter verkraften. Um negative Folgen abzuwenden oder einzudämmen, sind städteplanerische und architektonische Massnahmen sowie rechtzeitige und effektive Warnungen vor Hitzeperioden wichtig, dies in engem Kontakt mit den städtischen und kantonalen Behörden. MeteoSchweiz weist bei Hitzewarnungen auf die grössere Hitzebelastung in den Städten hin.
In den letzten Jahren wurden Messnetze mit Wetterstationen in Städten deutlich ausgebaut, um genauere Angaben über die Intensität und die zeitliche und räumliche Verteilung der städtischen Wärmebelastung zu erhalten. Die Daten haben einen grossen Nutzen als Planungsgrundlage für eine klimaangepasste Stadtentwicklung. Sie ermöglichen beispielsweise die gezielte Planung von Massnahmen, um städtische Wärmeinsel vermindern zu können. Diese Messnetze und einzelne Messstationen werden von den Städten, Kantonen, Universitäten oder Privatpersonen betrieben. MeteoSchweiz betreibt selbst keine Messstationen in den Städten, da hier die international vorgeschriebenen Messbedingungen (vor allem eine relativ freie und natürliche Umgebung) nicht gegeben sind.
Mit dem Vergleich von zwei nahe gelegenen Messstationen - eine in der Stadt und eine im ländlichen Stadtumland - lässt sich die städtische Wärmeinsel tagesaktuell aufzeigen. Ein Stationspaar, das diese Ausprägung in Zürich zeigt, sind die ländliche Station Zürich-Affoltern von MeteoSchweiz und die städtische Station Zürich-Kaserne des Nationalen Beobachtungsnetzes für Luftfremdstoffe (NABEL) des Bundesamts für Umwelt (BAFU).
Als Folge des globalen Klimawandels wird das Thema der Hitze in den Städten immer dringlicher. Die höhere Hitzebelastung macht die Menschen, die in städtischen Ballungsräumen leben, besonders anfällig für hitzebedingte Gesundheitsrisiken. Angesichts des grossen und weltweit wachsenden Anteils der Stadtbevölkerung ist es unerlässlich, die zukünftigen Klimabedingungen in städtischen Umgebungen zu verstehen. Nur so können wirksame und auf städtische Gebiete zugeschnittene Minderungs- und Anpassungsstrategien entwickelt werden.
Im Rahmen der Schweizer Klimaszenarien CH2018 zeigt MeteoSchweiz auch die mögliche zukünftige Entwicklung der Anzahl Tropennächte, Sommer- und Hitzetage für verschiedene Stadtstationen auf. Diese Ereignisse werden bis zum Ende des 21. Jahrhunderts stark ansteigen, vor allem bei einem ungebremsten Treibhausgasausstoss (Szenario «Kein Klimaschutz»). Obwohl die mittlere Erwärmung in städtischen und ländlichen Gebieten ähnlich verläuft, werden die meisten städtischen Gebiete stärker von den steigenden Temperaturen betroffen sein als ihre ländliche Umgebung, und zwar unabhängig vom betrachteten Zeitraum oder Emissionsszenario. Im Szenario «Kein Klimaschutz» würde beispielsweise die Stadtbevölkerung von Zürich mit fast 50 Hitzetagen und 45 Tropennächten pro Jahr bis zum Ende des Jahrhunderts wiederholt unter einer noch nie dagewesenen Hitzebelastung leiden. Die Ergebnisse für den angrenzenden ländlichen Standort Zürich-Fluntern zeigen deutlich geringere Häufigkeiten (etwa 30 Hitzetage und 20 Tropennächte pro Jahr).