湍流是流体在特定条件下所表现出的一种特殊的运动现象，是一种具有强烈涡旋性的不规则运动。湍流问题的研究具有十分重要的科学意义，湍流尤其是大气边界层物理研究的核心问题，因为大气边界层内的流体运动几乎总是处于湍流状态。与一般的流体力学的湍流相比，大气边界层湍流是一个受到更多内外因素影响的非常复杂的多尺度时空脉动系统。本文工作的主要目的是使用一些最新的数据分析技术来对复杂的大气边界层湍流的特征进行分析，并对新技术分析的有效性进行探讨。 大气边界层湍流现象是目前研究最多的复杂现象之一。它的非平稳特性增加了它的复杂程度。但到目前为止，科学家们还没有找到一个完全令人满意的鉴别平稳特性的方法。绝大多数非线性分析技术(如Fourier分析、小波分析等)都要求被分析的时间序列是动力平稳的。然而，湍流观测数据中有许多是动力非平稳的，这就导致了许多研究结果产生了一定程度的异议。探讨大气边界层湍流数据中动力非平稳性是否存在是必要的。本文第二章中应用一种简单的图示方法—Spacetime-index法对取自淮河流域和威斯康星森林下垫面条件下的大气边界层湍流的动力非平稳性特征进行了分析。结果表明spacetime-index方法能有效地检验大气边界层湍流信号中是否存在动力平稳性；另外，不同下垫面条件下的大气边界层湍流信号中几乎都存在动力非平稳性；大气边界层湍流中的间歇性和相干结构使得其非平稳性图形的特征不同于一般时间序列非平稳性图形的‘V’型特征；森林下垫面条件下的湍流信号比淮河流域下垫面下的湍流信号更有组织性，相干结构更强。 湍流信号的非平稳性对数据分析技术提出了更高的要求。然而绝大多数的数据分析技术(如Fourier分析、小波分析)都要求所分析的时间序列在观测期间内的统计特性与时间无关，即满足动力平稳性要求。Fourier技术在物理空间上的非局地属性使得它在分析非平稳的时间序列时存在诸多限制与不完善。而小波分析技术是在Fourier技术的基础上发展起来的，它同样也拥有许多Fourier分析中的一些缺点。这样，对于非平稳的时间序列来说，它们的分析可能具有数学上的意义，但是却毫无物理意义可言。最新发展起来的非线性分析技术—Hilbert分析技术，是一种理想的、建立在经验模态分解(EMD)方法基础上的非线性、非平稳数据分析技术。在第三章中，我们将它应用于大气边界层湍流数据的分析，对城市下垫面和森林下垫面的湍流资料的能量分布特征和非平稳性特征进行分析、比较。结果表明，Hilbert谱分析能有效地对大气边界层湍流信号进行分析。虽然城市和森林上空的湍流被认为有很强的相似性，但由我们的分析可见，在不稳定条件下，城市和森林上空的湍流在相干结构和间歇性属性上存在区别。通过Hilbert谱的边缘谱分析，可以得到每个频率能量贡献之间的一个近似的数学表达式，这对我们更好地认识大气边界层中的湍流交换是很有帮助的，并且对于现有的空气质量及大气扩散模拟的研究和应用来说，有可能改善大气扩散参数的计算结果，就会对空气质量模拟的发展做出重要贡献。Hilbert谱的统计平稳性分析表明在不稳定条件下，森林下垫面上空小尺度湍流速度存在强间歇性。 湍流理论的发展经历了几个阶段，现今主要包括湍流模式理论和湍流统计理论。最近发展起来的湍流层次结构理论，其综合使用了统计描述和结构描述两类方法，认为湍流是由各种不同尺度、不同幅度和不同相干度的层次结构组成的。在从积分尺度到耗散尺度连续分布的每个尺度上，都存在具有最大振幅和最高相干度的结构，幅度较小的结构按照一定的层次对称关系与最强间歇结构相联系。湍流层次结构理论目前已得到来自风洞、水槽实验和数值模拟方面的广泛证实。人们正在密切关注它在实际湍流流动如自然条件下的湍流中是否也成立。本文第四章中，将层次结构理论引入大气边界层湍流的研究，对水平、均一下垫面和森林下垫面以及城市下垫面的大气边界层湍流信号的层次相似性特征进行了分析。分析结果表明，大气边界层湍流场的层次相似性不仅受稳定度的影响，还受更多其它因素的影响。当下垫面的情况较简单时，层结因子的影响比较突出；而下垫面的情况变得复杂时，层结因子的影响有相对减弱的趋势。这在我们的分析中，主要表现为：(1)在淮河流域这一均一、平坦下垫面条件下的大气边界层湍流的层次相似性特征有较好的规律，此时在稳定层结条件下，湍流速度场和温湿场都不满足层次相似性；而在层结不稳定条件下，温湿场和垂直速度场都具有较强的间歇性和自组织性，表现为有很好线性度拟合的层次相似性；但水平速度分量的自组织性要比垂直速度分量差，而不满足层次相似性。(2)对水平均一但粗糙的森林冠层不同高度的大气边界层湍流的层次相似性分析表明，稳定层结条件下时，低层的风、温、湿场都不满足层次相似律；不稳定层结条件时，湍流的水平分量、垂直分量、温度场和湿度场的层次相似性特征都表现比较随机，但仍和淮河流域一样，有一个共同特点，就是垂直速度场和温度场的层次相似性特征都具有一致性的特点。(3)对于水平不均一且粗糙的城市冠层不同高度的大气边界层湍流的层次相似性分析中，湍流风温的层次相似性特征在不稳定层结条件下时更无规律可言。湍流的水平分量、垂直分量和温度场的层次相似性特征表现都比较随机。可见，目前的层次相似性理论对实际大气湍流的描述还是有问题的。如果要用层次相似性理论来更好地对实际大气湍流进行描述，也许应该进一步增加对实际大气湍流结构性方面的控制因子，当然这有待我们进一步地进行探索。 最后，在本文第五章中，对位于北京城市区的325m大塔三层高度的湍流资料的统计特征进行了分析计算，并对近年来对北京大塔资料进行分析的文章进行了简要的回顾。
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