近年来,相干结构的不同尺度自相似性特征逐渐被揭示并获得越来越多的重视,但是受到高雷诺数数值模拟和实验手段不足的限制,高雷诺数条件下的结构自相似性鲜有研究。大气表面层是典型的高雷诺数壁面湍流运动,开展大气表面层流动观测和分析有助于深入认识相干结构的相似特性。本文通过超声风速仪在大气表面层观测捕捉到的同步的三维速度分量和空气温度,用以探索在高雷诺数壁面湍流中相干结构的尺度依赖自相似特征。首先,通过对青土湖野外观测列阵获得的非中性大气表面流动数据的统计分析,发现非中性层结条件下湍流统计特性与已有理论结果吻合,证实青土湖观测列阵得到的非中性层结数据可用于非中性层结流动的研究。进而,本论文开展了大气表面层下不同层结稳定性和不同粗糙度下流场中大尺度相干结构不同尺度的自相似性特征研究。受到热浮力作用后的相干结构的流向长度,展向长度和垂向长度的纵横比会小于实验室中性条件下的14:1:1,但是仍然保持着不同尺度之间的自相似性特征。在受到粗糙度的影响后,满足自相似性的相干结构的流向长度和垂向长度的纵横比会变大。其次,本文首次揭示了大尺度结构倾角的尺度依赖性。本文发现大气表面层流动受到热浮力的作用后,尽管所有大尺度结构倾角（流向长度为0.4-4倍的边界层厚度）均增大,但倾角增加量随着尺度减小而增加,即较小尺度的结构倾角增加更为显著。基于此,本文建立了不同热稳定性情形下考虑尺度依赖的结构倾角定量表征模型,可用于改进现有的近壁模型。这一发现也意味着仅根据纵横比去判断非稳定层结下不同尺度之间的自相似性是不足的,因为不同结构的结构倾角也同时发生了改变。最后,本文发现大气流动中非稳定性层结下温度场也有类似湍流结构的大尺度结构特性。基于温度脉动自相关的温度场结构的流向尺度随着热浮力的增强而减小,这与流场中的湍流结构随着热浮力增强而增大的规律是定性相反的。并且,温度场结构的流向长度在不同层结条件下随着高度是线性增加的。温度脉动的相干结构也具有不同尺度的自相似性特征,且结构的流向垂向纵横比随着热浮力的增大而减小,随着粗糙度的增大而增大。