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全球变化大背景下，随着京津冀都市化进程的不断推进，该地区重污染事件频发，已经严重影响着社会经济活动和人民健康。大气污染物的累积、维持和消散过程，不仅受天气形势控制，而且与城市边界层内辐射收支和能量分配等过程引起的热动力结构密切相关。基于观测资料研究重污染频发的超大城市大气边界层演变过程有助于深入理解城市大气污染机理。本论文选取北京超大都市发展过程中的大气边界层气象和污染物观测数据（例如:325m气象塔15层常规梯度观测资料和3层辐射和湍流观测、35个地面环境质量监测点数据等资料），重点分析了城市化进程中决定污染物传输的气象条件变化特征，污染物分布和大气边界层结构统计特征以及污染过程中两者的相互作用。本文的主要结论有:
城市化进程恶化污染物传输条件。1991～2011年间，城市化使得城市下垫面空气动力粗糙度z0从不足1m增加到2m以上，零平面位移zd从不足10m增加到20m以上。这种增加趋势表明北京城市表面对风速的摩擦削弱作用以及阻挡作用正在加强。从而导致风速四季呈现一致的减弱趋势，尤以大风速段风速减小为主导。其中秋季风速减弱最大，冬季减弱最小。风速减弱的垂直差异和城乡差异表明北京地区城市化相较于大尺度环流场减弱其对风速的影响更为明显。城乡风速减小使得山谷风占主导的局地环流同样减弱明显。
对冬季期间影响污染物传输的主要气象因子进行统计分析发现:总体而言，污染发生的基本气象条件为:低压、小风、弱切变、增湿、逆温、弱湍流等，这些趋势变化大部分在重污染天最为显著。其中湍流受动力作用影响强于热力作用。相对湿度(RH)、风速(WS)、摩擦速度(u*)和湍流动能(TKE)是影响污染物浓度时序变化的重要因子，除了RH呈现线性正相关外，其它三者呈现指数律关系且存在临界点现象。当三者大于临界点时（如47m:WS=2.3m s-1，u*=0.27m s-1和TKE=0.6m2s-2），污染物浓度变化对于三者变化不太敏感;当小于临界点时，污染物敏感性迅速增强。对于污染物浓度变化，白天u*变化最为敏感，夜间WS变化最为敏感。
分析辐射收支和能量分配特征发现，与清洁天相比，轻污染天、重污染天和严重污染天白昼净辐射分别减小3.5％、44％和39.9％，夜间净辐射变化很小。白天净辐射减小从根本上影响热通量量级，其中感热通量在轻污染天、重污染天和严重污染天分别减小37.8％、74.8％和77.3％，进而导致白天储热项所占净辐射比例随污染等级上升而增加，清洁天、轻污染天、重污染天和严重污染天占比分别是49％、65％、78％和77％。此外，感热通量再分配过程中主要受风速影响;随着污染加重温度梯度影响开始显著，其影响整体要弱于风速。
通过分析不同污染个例（短期:12.1～12.4和长期:12.15～12.21，个例包括清洁、轻污染、重污染和严重污染演变过程）的污染物浓度和城市边界层演变特征，发现大气污染物和边界层结构存在相互作用。基本上污染过程初始阶段都是偏南风区域污染物输送造成的。随着污染物浓度的增加，白天到达地面短波辐射减少使得净辐射减少，进而改变地表能量分配使得热通量减少。同时受到小风速作用影响，热量交换减弱。配合风切变减弱和低层下沉气流增强使得湍流垂直输送减弱，从而抑制大气边界层的发展，甚至存在日出后大气边界层发展被延缓3小时左右的现象，不利于白天污染物的扩散。夜间，受辐射冷却效应影响逆温层形成，且地形和高空下沉气流作用会增强逆温，夜间湍流进一步减小抑制垂直湍流混合，大气边界层结构处于较稳定条件下，有利于污染物的累积;此外，夜间受前期输送和温度影响水汽累积更有利于二次污染物生成。污染物消散过程中，没有较强的西北冷空气的到来，北京夜间山风的存在使得污染物有下降趋势，但由于大气边界层处于稳定层结，无法快速地吹散污染物，一旦较强的西北冷空气的到来，稳定层结被打破，污染物才会被快速驱散。整体而言，污染过程持续时间的长短主要由不利的大尺度背景场维持时间决定，污染期间随着污染加重，边界层热动力作用与污染物相互影响增强。
城市化进程恶化污染物传输条件。1991～2011年间，城市化使得城市下垫面空气动力粗糙度z0从不足1m增加到2m以上，零平面位移zd从不足10m增加到20m以上。这种增加趋势表明北京城市表面对风速的摩擦削弱作用以及阻挡作用正在加强。从而导致风速四季呈现一致的减弱趋势，尤以大风速段风速减小为主导。其中秋季风速减弱最大，冬季减弱最小。风速减弱的垂直差异和城乡差异表明北京地区城市化相较于大尺度环流场减弱其对风速的影响更为明显。城乡风速减小使得山谷风占主导的局地环流同样减弱明显。
对冬季期间影响污染物传输的主要气象因子进行统计分析发现:总体而言，污染发生的基本气象条件为:低压、小风、弱切变、增湿、逆温、弱湍流等，这些趋势变化大部分在重污染天最为显著。其中湍流受动力作用影响强于热力作用。相对湿度(RH)、风速(WS)、摩擦速度(u*)和湍流动能(TKE)是影响污染物浓度时序变化的重要因子，除了RH呈现线性正相关外，其它三者呈现指数律关系且存在临界点现象。当三者大于临界点时（如47m:WS=2.3m s-1，u*=0.27m s-1和TKE=0.6m2s-2），污染物浓度变化对于三者变化不太敏感;当小于临界点时，污染物敏感性迅速增强。对于污染物浓度变化，白天u*变化最为敏感，夜间WS变化最为敏感。
分析辐射收支和能量分配特征发现，与清洁天相比，轻污染天、重污染天和严重污染天白昼净辐射分别减小3.5％、44％和39.9％，夜间净辐射变化很小。白天净辐射减小从根本上影响热通量量级，其中感热通量在轻污染天、重污染天和严重污染天分别减小37.8％、74.8％和77.3％，进而导致白天储热项所占净辐射比例随污染等级上升而增加，清洁天、轻污染天、重污染天和严重污染天占比分别是49％、65％、78％和77％。此外，感热通量再分配过程中主要受风速影响;随着污染加重温度梯度影响开始显著，其影响整体要弱于风速。
通过分析不同污染个例（短期:12.1～12.4和长期:12.15～12.21，个例包括清洁、轻污染、重污染和严重污染演变过程）的污染物浓度和城市边界层演变特征，发现大气污染物和边界层结构存在相互作用。基本上污染过程初始阶段都是偏南风区域污染物输送造成的。随着污染物浓度的增加，白天到达地面短波辐射减少使得净辐射减少，进而改变地表能量分配使得热通量减少。同时受到小风速作用影响，热量交换减弱。配合风切变减弱和低层下沉气流增强使得湍流垂直输送减弱，从而抑制大气边界层的发展，甚至存在日出后大气边界层发展被延缓3小时左右的现象，不利于白天污染物的扩散。夜间，受辐射冷却效应影响逆温层形成，且地形和高空下沉气流作用会增强逆温，夜间湍流进一步减小抑制垂直湍流混合，大气边界层结构处于较稳定条件下，有利于污染物的累积;此外，夜间受前期输送和温度影响水汽累积更有利于二次污染物生成。污染物消散过程中，没有较强的西北冷空气的到来，北京夜间山风的存在使得污染物有下降趋势，但由于大气边界层处于稳定层结，无法快速地吹散污染物，一旦较强的西北冷空气的到来，稳定层结被打破，污染物才会被快速驱散。整体而言，污染过程持续时间的长短主要由不利的大尺度背景场维持时间决定，污染期间随着污染加重，边界层热动力作用与污染物相互影响增强。