Gefunden bei:
http://www.emabonn.de/schueler/athen.htm

1. Die Anlage Athens
Athen war ursprünglich aus verschiedenen Siedlungen entstanden, die sich (unter dem Namen “Kekropia”) zusammenschlossen, weshalb der später Stadtname auch im Plural steht (Athenai). Die Stadt war also nie zusammenhängend angelegt oder geplant worden. Sie hatte folglich auch keine geometrische Grundordnung, wie wir es heute gewöhnt sind. Die Gassen waren meist unregelmäßig, eng und nicht gepflastert, die Wohnhäuser hatten in der Regel keine Fenster zur Straße, die auch zur Müll- und Abwasserentsorgung diente. Insgesamt bot Athen ein eher häßliches Bild. (Ein Reisender schrieb im 3. Jahrhundert v. Chr. über die Stadt: “Würde sie unvorbereitet von einem Fremden betrachtet, so könnte wohl ein Zweifel aufkommen, ob dies die vielgenannte Stadt der Athener sei.”) In Kontrast zu diesem Eindruck standen die Schönheit und Geometrie der Sakralbauten und öffentlichen Gebäude Athens. Zwar entbehrten auch öffentliche Plätze und Heiligtümer einer logischen Anordnung. Dies jedoch hob Formvollendung und Wirkung der einzelnen Gebäude heraus und war Ausdruck “einer Welt, in der man sicher, frei und voller Selbstbewußtsein lebte” (Scranton). Auf die Gebäude, die einer solchen Welt Ausdruck verleihen sollten, wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen.

Ach, danke. Dass es dazu etwas im Internet gibt, hätte ich nicht gedacht!
Bei Gelegenheit überprüfe ich die anderen mal.

Interessant ist, dass zwei der Städtenamen schon im Altgriechischen Plural sind:
Syracusae (Lat.) --> Συράκουσαι
Athenae (Lat.) -->Ἀθῆναι
(siehe auch bei der Quelle von Hilde)
Die Lateinischen Städtenamen sind ja eine übernommene griechische Bezeichnung:
αι wird zu ae....
Vielleicht ist das der Grund...

„Athenae“ ist ein alter Lokativ und bedeutet folglich „in Athen“ .
Mit der Zeit wurd es aber nicht mehr verstanden, zumindest nicht mehr als Lokativ, sondern als Nominativ Plural, der in der a-Deklination genau gleich aussieht (-ae). Dazu wird ein eigener Genitiv Plural (-arum) konstruiert -> Athenae, -arum f.

@Plebeius:
Athenae und Syracusae sind keine alten Lokative.
Es sind echte Pluralformen:
Vgl. Menge §7 (4):
Die Namen einiger Städte, Inseln und Berge stehen im Plural,z.B.:
Alpes,-ium
Athenae
Baiae
Cannae
Leuctra,-orum
Mytilenae
Syracusae
Thermophylae
...

Menge locutus, causa finita.

Ich verweise auch auf das Vorwort hier in unserem Grammatik-Wiki unter „Ortsbezeichnungen“