Zbog korištenja umjetnih materijala u gradnji koji imaju bitno različita toplinska svojstva u odnosu na prirodne materijale, u gradskim sredinama dolazi do narušavanja bilance energije, promjena u hidrološkom ciklusu, sastavu atmosfere, itd. Kao posljedica tih promjena, javlja se fenomen tzv. urbanog toplinskog otoka koji se odražava u bitno višim temperaturama u izgrađenom dijelu grada u usporedbi s ruralnom okolinom. U ovom istraživanju analizirana su obilježja i promjene urbane klime Zagreba na temelju mjerenja s meteoroloških postaja, modeliranja urbanim klimatskim modelom te analizom satelitskih podataka. U prvom dijelu ovog rada diskutirane su opažene vremenske promjene klime na temelju podataka mjerenja s četiri postaje na području Zagreba u razdoblju 1960. – 2019. Drugi dio analize urbanog toplinskog otoka Zagreba se temelji na rezultatima urbanog klimatskog modeliranja i analizi utjecaja procesa različitih vremenskih i prostornih skala. Kao jedan od mogućih modifikatora urbane klime Zagreba na većoj prostornoj skali odabrana je Sjeverno-Atlantska oscilacija (NAO). Istražen je utjecaj različitih kombinacija polariteta zimskih i ljetnih NAO događaja na promjene i karakteristike toplinskog opterećenja grada. Rezultati impliciraju vlažnost tla kao značajan faktor povezanosti zimskog NAO-a i obilježja ljetne urbane klime. Ta je pretpostavka provjerena analognom analizom s obzirom na vrijednosti standardiziranog oborinskog evapotranspiracijskog indeksa (SPEI). Nadalje, procijenjen je doprinos utjecaja lokalnih promjena u namjeni zemljišta između 1968. i 2012. godine i promjena u klimatskim uvjetima na ukupnu promjenu toplinskog opterećenja grada. Konačno, korištenjem regionalnih klimatskih simulacija modela iz EURO-CORDEX inicijative procijenjeno je očekivano toplinsko opterećenje grada Zagreba u uvjetima buduće klime za scenarije emisija stakleničkih plinova RCP4.5 i RCP8.5.