大气流过地面时，地面上各种粗糙元，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受到阻滞，这种阻滞作用通过大气中的湍流运动向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到某一高度后黏性效应便可忽略。人们称这一高度为大气边界层厚度，它随气象条件、地形、地面粗糙度的不同而不同，并有显著的日变化。大气边界层厚度约300～1000米，大致可以分成两层：约100米以下的壁湍流近地面层（包含地表的黏性子层）和100米以上受科氏力影响的埃克曼层，埃克曼层之上的自由大气环流不再受地面的影响（图1、图2）。根据大气热分层情况，大气边界层又可以分为对流边界层、中性边界层和稳定边界层等。对流边界层由于白天太阳辐射，地面温度较高，大气边界层中存在较强的热对流，稳定边界层由于夜间地面辐射冷却温度较低，大气运动较为平稳，只有较弱的内波扰动，在逆温条件下污染物很难扩散。

图1 大气层的分层结构

图2 大气边界层中的近地层和埃克曼层

由于大气边界层直接影响人类的生产活动和生存环境，特别是20世纪40～50年代发生了八大公害事件，多数涉及大气污染，包括1943年的洛杉矶光化学烟雾事件和1952年的伦敦烟雾事件后，对大气边界层的研究日益受到力学和大气科学家的重视。1950年，科学家用莫宁‒奥布霍夫相似理论获得大气边界层平均速度的公式以及考虑了科氏力影响的风速矢量随高度旋转的埃克曼螺线。1960～1970年，应用湍流模式理论于大气边界层研究，特别是基于滤波概念的大涡模拟方法的提出，成功模拟了对流边界层中的大涡结构，解释了标量传输的逆梯度现象。1980～2000年，研究了稳定边界层、云盖边界层和起伏山地的大气边界层。同时在这一阶段，大气边界层参数的测试仪器和方法有很大进步，包括超声风速仪、色谱仪、声雷达的测试精度和灵敏度也有很大提高。除了气象铁塔定位站观察外，还开展了大规模的国际合作计划，发挥各国特长，采用最先进的仪器，综合同步观测，集中力量研究某个特定的科学问题，如美国中部堪萨斯州的FIFE试验、巴西亚马孙河流域的微气象试验（ARME）、法国西南部的水文气象先行试验计划（HAPEX）、中国河西走廊实施的HEFEI计划等。21世纪以来，人们更加关注生态环境、气候变化和大气质量，研究了植被/城市冠层、非均匀下垫面上的复杂大气边界层，并与大气化学结合，对于全球气候变化陆面过程参数化和严重雾霾污染治理有重要参考价值。

大气边界层的知识由大气边界层物理和大气化学构成。

①平均风速。它随高度增加而逐渐增大，风速在地表面为零，而在大气边界层外缘同自由大气的大气环流速度相等。近地层平均风速的变化规律可以用对数律或幂次律来表达，并与大气边界层稳定度和下垫面粗糙度有关（图3、图4）。

图3 对流边界层中的平均速度、风向和势温垂向分布图4 稳定边界层中的平均速度、风向和势温垂向分布

②湍流结构。在大气边界层中，大气流动具有很大的随机性，基本上是湍流流动，其结构可用湍流度、雷诺应力、相关、偏度、间隙性和能谱等表示。湍流度是用湍流动能表达的湍流强度；雷诺应力和其他相关函数代表动量、能量、质量扩散通量，偏度和间隙性代表湍流脉动的对称性和随机性，湍流能谱是各种尺度或频率脉动在总能量中所占的能量比例。大气中的湍流度可达20%。

③风向偏转。由于地球自转产生的科里奥利力的影响，顺着地面附近风的方向看，风向随高度的增加，北（南）半球逐渐向右（左）偏转（图5），而在大气边界层外缘，与自由大气的地转风的风向相合，风向偏转角度因时因地而异，一般可达30°以上。

图5 埃克曼螺线

④温度层结（即温度梯度）。大气温度随高度而变化，其变化率直接影响大气的稳定度。当时（为大气干绝热递减率，约为每百米0.98℃），大气呈稳定的状态；特别是当时，稳定度特别大，称为逆温状态；当时，大气呈中性稳定状态；当时，大气呈不稳定状态。

除了气象条件以外，大气边界层，特别是近地层的风、湍流、温度、湿度结构与下垫面紧密相关，如沙漠、戈壁、草甸、森林、土壤、植被、水面、城市等状况。通过建立土壤‒植被‒大气连续体模型、BATS/SiBS等生物圈模型、植被层湍流模型，可以计算近地层乃至植被层中的风、湍流、温度、湿度结构，分析大气与下垫面的水汽、物质、能量交换，成为微气象研究的重要工具，可应用于农业、林业、畜牧业，也是建立气候模型中陆气相互作用子模型的重要依据。

分析大气污染成因，必须依靠大气化学。大气化学主要研究对流层大气中主要成分和微量成分（微尘、微量气体、气溶胶、放射性物质）的组成、含量、来源和演化等。大气气溶胶指的是以微尘为凝结核的液态、固态形式的微小悬浮颗粒物，如雾、霾、烟等。尤其是其中的二次颗粒物气溶胶与雾霾成因紧密相关，涉及二氧化硫、氮氧化物、碳氢化物、一氧化碳、挥发性有机物、烟尘等的源汇、输运和转化，以揭示大气雾霾的形成机制，其中最主要的有下列化学过程。

①二氧化硫的氧化。二氧化硫是由煤炭、石油等矿物燃料燃烧产生的主要污染物，其中一部分在大气中被氧化成硫酸或硫酸盐气溶胶。这类颗粒物比重大，特别容易汇聚于谷地或盆地，形成酸雾；或者被降水带下而形成酸雨，污染土壤和水体。硫酸的危害远远超过二氧化硫。在污染空气中二氧化硫的含量较高，它与氢过氧自由基的反应是重要的，并且在污染空气中还存在着过渡金属（如锰）的作用，加速了反应过程。

②臭氧的形成化学。随着机动车辆的发展，光化学烟雾污染问题日益突出。它是由氮氧化物和碳氢化物在紫外辐射作用下，发生光解反应及一系列氧化反应生成臭氧和其他氧化物如过氧乙酰硝酸酯和醛类等所致。氧化反应中起主要作用的也是氢氧自由基和氢过氧自由基。至于地球臭氧空洞的形成，则属于平流层大气化学的研究范畴。