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空气污染是国内外大气环境科学关注的前沿热点问题，北京市日益严重的PM2.5污染受到国内外的高度关注。边界层在重污染过程中扮演重要角色，本文将以北京PM2.5重污染过程为研究对象，揭示发生PM2.5重污染事件的大气边界层结构和演变特征，为揭示雾霾污染的形成机理、改进大气污染模式和治理大气污染提供科学参考。本文利用北京市环境保护监测中心和美国大使馆的PM2.5逐时监测数据，中国科学院大气物理研究所的325m气象梯度塔资料，以及实况天气图和北京南郊观象台的探空资料，对2014-2016年北京市PM2.5污染的基本情况包括平均PM2.5污染水平以及季节变化等和典型重污染过程的近地面气象要素场特征和湍流场特征进行了分析。主要取得了如下结果: 2014-2016年，北京市36个PM2.5测站的年平均PM2.5浓度分别为91.3μg/m3、82.3μg/m3和74.9μg/m3，PM2.5浓度大于75μg/m3的天数分别为175天、149天和138天，PM2.5浓度大于150μg/m3的天数分别为52天、48天和41天。12月-次年2月是污染较严重的月份，2014年污染最严重的月份是2月，PM2.5浓度达到了157.16μg/m3;2015-2016年污染最严重的月份均为12月，PM2.5浓度分别达到了159.66μg/m3和141.68μg/m3。夏季空气质量普遍较好，春秋季次之。虽然PM2.5浓度有逐年减小的趋势，但是PM2.5重污染过程发生的频次并没有表现出这一特征。本文定义连续3天以上日平均PM2.5浓度均大于150μg/m3为一次PM2.5重污染过程，2014-2016年分别发生了7次、7次和6次PM2.5重污染过程。对于PM2.5重污染过程，季节差异明显，冬季和秋季更频繁，冬季年平均发生3次，秋季发生2.6次，春季1次，夏季则没有PM2.5重污染过程发生。 对2015/11/27-2015/12/01和2016/12/16-2016/12/21发生在北京的两次PM2.5重污染过程进行了重点分析。研究发现:在重污染过程中的不同阶段，PM2.5浓度的变化具有不同的特征。PM2.5浓度的变化趋势在整体上升的基础上，叠加了小幅的日变化，并且经历了数次PM2.5浓度的快速上升的阶段。高低空环流配置和近地面气象条件是污染过程爆发和消散的重要原因。重污染过程中，500hPa稳定平直的西风气流，850hPa暖脊配合地面高压中心的持续控制，不利于南北方向动量和能量的交换，有利于逆温结构的生成和维持，这抑制了污染物在水平方向和垂直方向上的输送。在两次重污染过程的初期，由于东部的日本海上台风的影响，高压无法东移停滞在北京地区并且增强。北京地区地面长时间受均压场控制，大气水平和垂直扩散条件较差，近地面静风和污染过程期间多层逆温结构抑制了污染物在水平方向和垂直方向上的输送，再加上边界层低层保持较厚的高湿层，有利于污染物的吸湿增长积累，促进PM2.5浓度升高。污染消散阶段，风速升高、逆温层破坏和湿度大幅降低是PM2.5浓度减小的直接原因。 此外，本文分析了重污染过程中湍流特征量的变化及其对PM2.5浓度的影响以及污染过程中湍流尺度的运动和中尺度过程对动量和热量通量的输送作用，这是本文的创新之处。在重污染爆发前，湍流动能处于高值;在重污染过程期间，湍流动能降低，不利于污染物的水平和垂直扩散。在污染过程结束时，湍流动能的激增伴随着PM2.5浓度的快速降低，湍流动能的增加促进了颗粒物的消散。整个过程中三个方向的湍流动能同步变化，水平湍流动能对湍流动能占主要贡献，垂直方向的湍流动能一直占水平方向的15％-20％左右。摩擦速度与湍流动能呈现出相似的变化趋势，与PM2.5呈相反的趋势变化，不同高度之间的摩擦速度差别不大。重污染爆发后摩擦速度仅相当于爆发前数值的1/5。超出前后时次一个数量级的湍流强度尖峰的出现是湍流场发生调整的一个信号，是PM2.5浓度发生剧烈转变的前兆，污染状况则有可能转好或更加糟糕。重污染过程中感热通量的输送方向为从地面向大气输送，并且表现出明显的日变化特征。在重污染过程爆发以前，感热通量和潜热通量都大幅减少。通过PM2.5重污染过程爆发日的风速的功率谱分析发现，水平风速u和垂直风速w分别在对应时间尺度为2.8h和1.4h左右处存在较窄谱峰，风速功率谱上的谱峰可能反映了中尺度过程对动能输送的贡献。通过时间分离的方法，计算得到重污染过程中湍流运动和中尺度过程对动量通量和热量通量输送的贡献。结果表明，在重污染过程期间，时间尺度为5min-6h的中尺度过程对动量和热量输送有重要意义，中尺度过程的动量通量和感热通量输送的贡献达到了与湍流尺度活动相持平甚至更高的量级，并且基本保持着从地面向大气的输送方向。重污染过程中的湍流扩散对污染物浓度的影响，以及污染过程中不同尺度的运动对动量和热量通量的输送作用是本文的创新特色。