空氣污染氣象學是研究大氣運動和大氣中污染物相互作用的科學，它是套用氣象學的一個分支，也是大氣科學中的一個新的領域。
自然現象(火山爆發、森林火災等)和人類活動產生的廢氣和粉塵排入大氣中時，造成大氣污染。這些污染物被風輸送，在大氣湍流作用下擴散稀釋，通過重力沉降作用和降水沖刷過程，降到地面；這些污染物也可能在大氣中發生化學變化，變成其他物質。空氣污染氣象學的主要內容，就是研究大氣運動引起的污染物輸送、擴散、遷移和轉化等過程。大氣中的污染物，對大氣的熱平衡、天氣氣候變化等都有影響，對這些問題的研究也屬此學科的內容之一。
空氣污染氣象學的萌芽可以追溯到第一次世界大戰期間。英國為了研究野戰時毒氣濃度的預報方法，自1921年起進行大氣擴散實驗。二十世紀40年代，原子能工業的興起和發展，提出了放射性物質污染的預測和控制問題，促進了大氣擴散的實驗和理論研究。50年代後，由於工業和人口高度集中，相繼出現了城市污染事件。
以1952年12月的倫敦煙霧事件為例，在持續了三天的下沉逆溫和小風天氣條件下，倫敦上空的二氧化硫和煙塵等污染物，很難向上擴散和向遠方輸送，集積的濃度很高，奪去了四千餘人的生命。
二十世紀60年代後，核試驗和高空飛行使污染範圍擴展到平流層。大氣污染已由某一工廠引起的局地污染(十幾公里範圍)轉為區域性和全球性的污染。
於是，為了尋求大氣環境保護法的依據，和根據大氣擴散和自淨能力提出控制和消除大氣污染的途徑，人們組織了對城市的、區域的和全球範圍的大氣污染輸送、擴散、遷移和轉化規律的實驗和研究，以及各類大氣污染模式的計算和污染預報方法的研究。
這些不僅和大氣邊界層、大氣湍流、大氣湍流擴散的研究有關，而且涉及中尺度和天氣尺度的大氣運動規律，以及平流層和對流層之間的污染物交換過程、大氣的物理和化學過程的相互影響等。大氣污染對天氣和氣候影響的研究涉及大氣科學的大部分分支學科，大氣污染的控制問題和大氣科學密切相關，所以從60年代以來，逐漸形成了空氣污染氣象學。
平原地區的空氣污染與氣象主要研究平坦地形上空大氣污染物的輸送和擴散的規律，估算煙囪排放和地麵廠房泄漏的污染物對周圍環境和下風地區的影響。它是選定煙囪位置和高度，進行廠區和居民區的合理布局的重要依據。由於平原地區的風向和風速在某一水平面上基本是均勻的，因此，污染物的輸送規律比較簡單。
在沿海或湖濱地區，水陸之間的溫差產生的局地環流稱為海(湖)陸風。低層氣流把排入的污染物輸送到一定距離後，又從高空返回到原地，使原地的污染濃度增高。有時陸風帶走的污染物被海風帶回，也使空氣中的污染物濃度增高。美國洛杉磯市的光化學煙霧就是在這種環流條件下產生的。
春夏兩季，水溫比陸面溫度低得多。水面上的空氣流經陸面時被加熱，把原在水面上空形成的逆溫層破壞。這時逆溫層上部積聚的污染物被熱對流帶到地面，使該處污染物濃度加大，稱為“熏煙”現象。由於湖面逆溫可維持幾個小時，這種現象可延續較長的時間。同樣，在秋冬兩季，由陸面吹來的穩定空氣流經不結凍的水面時，也會出現“熏煙”現象。由於陸面的粗糙度一般大於水面，所以陸面上的大氣湍流擴散通常比水面上的強。
地形起伏使得接受的太陽輻射強度和輻射冷卻不均勻，由此引起的熱力環流，稱為地形風。山坡白天有上坡風，夜間有下坡風；山谷白天有谷風，夜間有山風。深谷還可以出現山谷風的閉合環流，其上部的反向氣流稱為反向山谷風。在山區和平原之間，還有大型坡風。
因在山谷中的不同位置，不同高度的氣流有很大差異，因此不同排放點的污染物輸送路徑也不相同。氣流過山的動力作用在背風坡產生下沉氣流或渦鏇；谷風在不穩定條件下，風速較大時也出現下沉現象。這都會使煙囪排放的煙氣向下傾斜或下沉到地面。山谷中的曲折地段，因地形阻塞而出現小風，會使這一地區的污染加重。山區逆溫維持時間比平原地區長，而且還可能出現多層逆溫逆溫層和山谷構成一個“管道”，限制了污染物的擴散加重了下風地區的污染。
污染物在兩個逆溫層之間積累當逆溫破壞後，就出現“熏煙”現象。雖然地形引起的氣流擾動，加大了湍流的強度，山區的大氣擴散參數比平原地區要大幾倍，但由於水平輸送不如平原地區，因此山區(尤其是山間盆地和谷地)的空氣污染，通常比平原嚴重。
城市熱島效應，使夜間的低空不出現逆溫，但在幾百米高度之上仍為一穩定層所覆蓋，而在穩定層之下形成城市混合層，混合作用使該層內的鉛直濃度分布趨於均勻。同時，熱島效應使農村的冷空氣向城市輻合而上升，形成了熱島環流。該環流的水平輻合流場使接近地面的污染物向城市匯集，加重了城市的污染；另一方面，其輻合上升氣流使高煙囪的煙氣上升，輸往遠處，又可減少對城市的污染。此外，城市的建築群使地面的粗糙度增大，減弱了風速的鉛直變化，加上建築物之間的“渠道”作用，形成了複雜的局地環流。
以上種種情況，都說明城市中的污染物的輸送過程相當複雜。但總的說來，城市建築物對氣流的擾動和熱對流作用，使城市的湍流比平原地區強，因此大氣擴散參數比平原地區大得多。為了研究城市大氣污染和提出控制污染的措施，進行了各種性能模式的試驗，包括箱模式、統計模式和數學物理模式等。
全球每年有數億噸的煙塵和氣體排入大氣。但通過各種遷移、轉化過程又被清除出大氣，不在大氣中積累。在大氣中自然進行的這種過程，稱為大氣自淨過程，它一般包括重力沉降、降水沖刷和大氣化學反應三種過程。
污染物在大氣中發生一系列化學反應之後，有的不再具毒性，有的形成新的污染物。種類繁多的污染物在大氣中的化學反應是極其複雜的。
以二氧化硫為例，在日光照射下可氧化成三氧化硫。大氣中若含有起催化作用的二氧化氮和臭氧氣體，這種反應的速含有起催化作用的二氧化氮和臭氧氣體，這種反應的速度更快。三氧化硫在空氣中遇水滴就形成硫酸霧。二氧化硫還可溶於水滴形成亞硫酸，然後再氧化成硫酸。酸霧遇到其他物質(金屬飄塵、氨等)形成硫酸鹽，再由降水沖刷形成酸雨降落地面。氮的氧化物和臭氧化合後，溶於水滴而形成硝酸，然後再與其他物質化合成硝酸鹽，而被降水清除出大氣。光化學反應過程在大氣中形成的酸霧和酸鹽微粒，稱為光化學煙霧。
空氣污染對城市氣候的影響比較明顯，但還沒有充分的事實證明這種污染會造成全球的氣候變化。可能有兩種引起全球氣候變化的因素：二氧化碳含量增加，引起氣候變暖；氣溶膠增多，增加大氣對太陽輻射的反射率，使全球大氣的氣溫降低。如何確定這兩種因素的綜合作用對全球氣溫變化的影響，是當今空氣污染氣象學的主要研究課題之一。
