我国环境问题与我国城市化进程速度过快密切相关：城市道路及建筑群的大规模建设、城市居民及工业能源消费的迅速增长等使得城市大气动力和热力结构与乡间自然状况的差异增大,形成城市特殊局地气候,进而影响污染物扩散规律。我国大气污染呈现复合型、区域性污染特征。本论文研究工作主要集中在如下两个方面：天津城市化进程对城市边界层特征量影响；一次污染物及二次污染物在边界层内时空分布及形成机制,揭示城市边界层内污染物分布特征及气象条件的影响。全文主要结论如下： (1)利用天津市255m高气象铁塔观测资料,系统地分析城市化发展对下挚面空气动力学参数及近地层风的影响。主要结论为：城市发展使下垫面动力学粗糙度增大,平均值在0.5-1.2m之间。受下垫面影响最为显著的为近地层大气,风向逐年趋于紊乱。近地面平均风速呈现明显的逐年递减趋势,且距离地面越近递减越明显,城市冠层厚度在40-60m之间。受热岛效应影响,夜间混合层高度逐年增加,从1995年的100m增至2006年的120m。 (2)综合运用自动气象站观测、探空、卫星资料详细地分析天津市热岛时空分布特征：城市发展对热岛效应影响明显,夜间热岛秋季最强,冬季次之,春季最弱,白天热岛则是夏季最强。卫星监测结果表明：在水平方向上天津主城区整体上为联片的热岛分布区,东郊和北郊亦为高温分布区,而远郊只有个别地区为高温区；热岛在垂直方向也伸展到一定高度。 (3)根据地面、850hpa和500hpa.天气图将影响天津市环境空气质量的环流背景分类：弱低压型、高压型、均压场型、高压底部型、锋前型不利于污染物扩散,高压前部型、低压前部型和低压型利于污染物扩散。不利于扩散类易在地面与925hpa之间形成逆温层,抑制污染物在垂直方向扩散。有利于扩散类不易形成逆温,但较强的大气垂直运动或水平运动易起尘或将上游浮尘平流输移,使局地颗粒物浓度增高。 (4)根据天津市2001-2005年监测资料分析主要污染物时空变化特征,结果表明：2001-2004年期间SO2和PM(10)浓度在市中心降低,而NO2浓度在一些地区升高。Morlet小波分析结果表明:SO2、PM(10)、NO2浓度变化存在三个明显周期,分别对应污染源和气象要素的季节变化周期、大气低频振荡周期和天气尺度周期。SO2浓度256天的长周期最显著,PM10和NO2浓度256天的长周期及2-8天的短周期都通过显著性检验。 (5)利用255m气象铁塔对O3、NOx、PM2.5进行连续垂直梯度观测,并对观测资料进行统计分析。结果表明：天津市O3浓度日变化呈单峰型,而NO、NO2和NOx浓度日变化呈双峰型。观测期间 O3、NO、NO2和NOx浓度周末效应非常明显。白天NOx与NO2浓度相关较显著,而夜间NOx则与NO浓度相关较显著。根据白天光化学反应稳态下O3浓度与[NO2]/[NO]之间的关系建立O3浓度预报方程。OX(NO2+O3)浓度受两方面影响,即当地NO2浓度(局地贡献)及区域背景值,天津市区白天OX浓度的局地贡献为夜间局地贡献的2倍,而白天和夜间的背景浓度相差较小,约为20ppb。受夜间边界层高度影响,三种污染物在垂直方向上下层浓度明显不同。三种污染物浓度在220m高度随风向变化不大,观测点O3和NOx污染主要是以天津市本地源影响为主。 (6)根据2005年11月1-7 日 O3浓度、PM10浓度、太阳辐射通量(UV)等观测数据进行分析,结果表明：气溶胶直接影响UV通量,并最终影响地面O3浓度。模式(NCAR MM)敏感性数值试验分析表明,气溶胶浓度和O3浓度之间存在非线性关系。当气溶胶浓度比较低时,O3浓度对气溶胶浓度特别敏感,气溶胶浓度稍微降低就会导致O3浓度剧增。WRF-Chem数值模拟研究表明,东北风情况下天津地区没有周边地区输送,污染主要是由本地源生成。提出虚拟浓度概念,数值模拟研究表明：在污染物排放量不变的情况下,可以利用气象条件削弱HC、CO、NOx等污染物的浓度峰值,进而控制O3等二次污染物的生成。