气候和环境问题已经成为人们最关注的领域之一。随着社会、科技、经济等领域的迅速发展,人类活动也对气候和环境产生了很大的影响。主要有两方面:一是下垫面属性的改变,二是大气环境质量恶化。华南及珠三角地区具有较独特的大气边界层结构。台风、暴雨、强对流天气等灾害性天气对该地区影响严重,随着近20年来珠三角地区工业化,城市化进程的快速发展,以城乡布局及森林覆盖的改变为特征的土地利用变化对大气边界层动力结构带来较大影响,进而对该地区的气候变迁带来较长期的影响。高度集中的人类生活及工业生产排放也恶化了珠三角地区空气质量。采用中尺度数值模式对大气动力及环境状况进行模拟可以弥补传统观测及统计等研究方法的缺陷。　　 论文回顾了近年来国内外对中尺度气象和环境模式的理论研究、模型发展成果,总结了前人采用中尺度模式及与其他海、气、浪、空气质量模式耦合的应用研究。在此基础上,对不同稳定度的大气边界层的湍流运动、能量及水汽的湍流输送、边界层云、辐射特点、边界层与上层大气之间的相互作用等进行较深入地理解和探讨,对华南地区特别是珠三角(PRD)地区独特的边界层气象概念模型进行分析。采用第5代的区域中尺度数值模式MM5及MM5与海洋模式(POM)的耦合对华南地区的中尺度气象及海洋环流进行分析。在动力模拟的基础上,与空气质量模式SAQM(The SARMAP Air QualityModel)耦合对珠三角地区的大气污染过程进行分析和探讨。　　 论文为了改进MM5模拟的准确度及适应珠三角地区的实际情况,利用2001年卫星遥感土地类型等数据,对MM5系统旧的全球25类土地利用数据的珠三角区域进行了更新。不同的土地利用类型,有着不同的地表粗糙度,反照率,热容量,有效湿度等,从而产生不同的模拟地面热通量及地面水汽通量,并通过垂直方向的湍流输送,影响到高空气象场的模拟结果。采用新的土地利用类型可以较大地提高MM5对气象场模拟结果的准确性,土地利用的城市化趋势会造成城市密集地区地表温度升高,水汽混合率降低。MM5考虑了不同高度层的对流和上升下沉气流的卷入卷出及补偿运动浮力能等,低中高空不同高度各层之间有一个相互影响的过程。通过调整垂直方向的垂直层分布及增加垂直层数,提高MM5对近地面及中高空风、温度等气象场的模拟准确度,更好地模拟垂直风剖面随高度的变化情况。特别地,由于模式中2000m以上中高空的垂直层比较稀疏,加密垂直层能比较显著地改善中高空气象场的模拟结果,这对于研究对我国影响较大的西南风低空急流和高空急流等气象现象有较重要的意义。通过MM5地形高度“削平”的敏感性试验,比较验证了复杂地形对珠三角流场及温度等的影响。流场的改变会引起水平对流及热量交换,进而影响到温度场和气压的变化,然后通过垂直对流及湍流混合影响到垂直剖面的环流结构。行星边界层方案对台风强度的模拟有较大影响,特别是海面水汽和潜热对高空的输送方式影响到台风的能量补充。通过对各行星边界层方案、显式降水方案、积云参数化方案及模式网格和初始场数据分辨率的敏感性测试,总结出优化的方案,改进对影响该地区的台风的模拟。采用全国范围多个气象站的观察数据对模拟的第一猜场数据进行校准及Cressman客观分析,并进行四维数据同化,从而改善模拟的结果。　　 论文在模式优化的基础上,采用MM5对华南地区冷锋、稳定层结炎热天气及台风等不同天气系统进行了模拟研究,验证了改进的MM5系统对华南地区大气动力结构模拟的适用性及准确性。通过对温度、相当位温、气压、水平和垂直风场、相对湿度及降水模拟结果与观测数据比较分析可以知道,MM5的模拟结果与实测值均吻合得很好,表明了MM5对PRD地区天气系统的模拟结果是可信的。为了研究台风下南海表面洋流、表面温度等的响应,提出了一个MM5与POM模式的耦合方案,成功地模拟了巨型台风“尤特”对南海海域洋流的影响过程及特点。　　 通过MM5与空气质量模式SAQM的耦合,对2001年两次以冷锋为主要气象特征的污染物浓度升高事件进行了模拟分析,并与实测浓度进行对比,利用过程分析及后向轨迹分析研究污染发生的途径和模式,提出污染物的跨边界动力输运为两次污染事件形成的主要因为。