摘要
近期观测研究表明稳定边界层内存在非湍流非平稳的运动，尺度跨越范围从主湍涡尺度到最小的中尺度，和湍流产生了复杂的非线性相互作用。这种相互作用目前依然未被完全理解。基于此，本论文利用半干旱区两种平坦下垫面(裸土、玉米农田)稳定边界层长期观测数据，通过简化湍流动能方程以及推演理查森数的数理性质，构造出新颖的分离稳定边界层相干结构的数学方法，进而分析了夜间稳定边界层温度、速度场所反映的相干结构。然后对临界理查森数所区分的两类稳定边界层湍流各向同性特征量进行分析，对各向同性特征量临界点前后的物理量的变化进行了讨论。随后讨论了植被冠层下垫面情形上相干结构的动量通量和热量通量的性质，并考察了植被冠层下垫面维持归一化摩擦速度和热量通量的分岔图上线性不稳定的条件。论文进一步分析了植被存在情形对湍流响应次中尺度相干结构的影响，从理论上讨论了“曲棍球转折”临界点前后湍流动能变率。同时揭示了次中尺度相干结构和湍流运动的长程相关性，建立了适应湍流分形特征的间歇性模型。最后通过对比不同下垫面情形下归一化雷诺应力张量的突变，考察强弱平均水平动能耦合次中尺度运动的条件下边界层特征量的响应，给出了稳定边界层相干结构影响下植被对湍流长程相关性阻尼作用的物理图像。 得到以下创新性结果：1)定义了湍流状态空间上的观测算子Ri，基于此构造Koopman算子，并对Koopman子空间模态动力系统特征进行分析，得到了夜间稳定边界层温度、速度场所反映的相干结构主模态；2)发现了归一化雷诺应力张量不变量中存在临界点，给出了受到“剪切增强-向下垂直温度通量增强”的耦合作用驱动下边界层特征量对湍流非各向同性演化影响的物理图像；3)构造了“伴阶梯初值的耦合LM算法”，发现冠层对于动量通量和热量通量的影响具有不一致性，归一化摩擦速度和热量通量的分岔图中稳定分支的必要条件为平均水平风速越过“曲棍球转折”临界点；4)对湍流动能的理论推演和观测结果结合分析，解释了植被冠层上“J-型曲棍球转折”形成源于剪切项随平均水平动能负斜率变化的累积效应；5)基于α稳定分布的广义多重分形间歇性模型，揭示出次中尺度相干结构和稳定边界层湍流运动的长程自相关性随时间间隔的阶段性变化；6)对平均水平动能和归一化雷诺应力张量的突变关系中的模态进行了分类，发现垂直速度方差和摩擦速度的响应关系在耦合前后存在本质性差异，并给出了植被对湍流的长程相关性阻尼作用的物理图像。
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