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城市边界层的结构及其演变，尤其是大气边界层高度，对于空气质量和天气预报至关重要。激光雷达探测技术的进步与高分辨率数值模式的发展对城市大气边界层研究具有重要意义。本文利用多普勒测风激光雷达和气象铁塔数据集资料，提出了一种新的确定城市边界层高度的方法，分析了北京城区的边界层结构演变特征;并通过数值模拟试验，评估了中尺度数值模式WRF-Urban(Weather Research and Forecasting)在北京城区的模拟性能，阐明了不同城市冠层模型及边界层参数化方案对模拟结果的影响差异和形成机制。 采用325m气象观测塔上的风、温、湿梯度资料和湍流观测数据，本文首先对多普勒激光雷达在北京夏季的六个多云或晴天个例的观测数据进行检验，结果表明:测风激光雷达不仅探测到与铁塔观测相对一致的风场，而且捕捉到了微尺度的湍流特征，这为准确判定大气边界层高度提供保证。其次对城市边界层内的湍流特征进行分析，结果表明:对流边界层内湍流强度大，在边界层顶存在明显梯度，因此定义白天对流边界层为垂直速度方差大于0.1m2s-2的大气层部分;夜间边界层内湍流强度随风速增加而快速线性增长，呈现弱不稳定或近中性的特点，本文定义夜间边界层为垂直速度方差减去背景方差之后仍然超过近地面最大值10％的大气层部分。最后由此得到北京夏季城市大气边界层高度的平均日变化范围在270-1500m之间;此外，平均来说，夜间边界层高度随着夜间稳定度的增加而降低，但是在夜间急流发生期间会发生增长。 进一步选取观测个例中的2015年7月6-7日进行数值模拟试验。采用耦合城市冠层模型的WRF-Urban模式，针对城市冠层模型和大气边界层参数化方案两个关键模块进行相关物理过程敏感性分析。通过对比模式输出结果和观测资料，综合评估了WRF-Urban系统在北京地区对近地面气象要素的模拟能力。结果表明:城区近地面气象要素的模拟对城市冠层模型敏感，而对边界层参数化方案不敏感。多层城市冠层模型BEP(multi-layer Building Environment Parameterization)对2m气温和10m风速的模拟最接近观测值，模拟效果最佳。考虑人为热的UCM（single-layer Urban Canopy Model）和BEM(multi-layer Building Environment Model)方案整体高估近地面气温。没有细致考虑城市冠层内部建筑物外形特征的UCM方案低估了城市下垫面的动力粗糙度，模拟的10m风速有较大正误差。郊区近地面气象要素的模拟结果对边界层参数化方案敏感。模式在郊区整体低估了白天气温而高估了夜间气温，四种边界层方案YSU(Yonsei University)、SH(Shin-Hong)、ACM2(Asymmetric Convective Model)和BouLac(Bougeault-Lacarrere)对白天最高温低估了2。C左右，方案间差异较小;在郊区夜间，TKE方案因为没有考虑非局地混合而模拟出了高于其它非TKE方案的夜间气温，正误差最大。非TKE方案中ACM2对2m气温的模拟最接近观测值。模式整体对郊区风速模拟偏大，且不能模拟出观测到的白天大风自下午开始减小的日变化特征。 此外，基于WRF-Urban的边界层方案敏感性试验，给出了不同边界层方案对北京城区大气边界层结构的模拟特征，分析了城市边界层的日变化特征和城市下垫面对大气边界层结构演变的影响。测试的四种边界层参数化方案(YSU、SH、ACM2和BouLac)基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征。总体来说，模式在晴天的模拟性能要优于多云条件。在晴天条件下，YSU和SH方案给出的大气边界层高度最接近观测值。边界层方案对位温廓线的模拟效果明显优于风速垂直廓线，对水汽垂直廓线的模拟效果最差。从位温的垂直廓线模拟结果来看，考虑非局地混合及夹卷层通量的边界层方案(YSU、SH和ACM2)更适用于对流边界层，而这其中考虑格点分辨率对次网格垂直输送影响的SH方案则模拟出了最接近观测的结果。BouLac方案为局地湍流闭合方案，仅考虑模式垂直高度相邻层之间的湍流交换，因此该方案描述的湍流交换强度相对较弱。