大气湍流运动一直是大气边界层物理研究的一个核心问题。本文从观测实事和观测资料出发，综合运用各种数学物理方法，分析了不同地区(包括白洋淀、北京、三江平原等)观测得到的大量湍流观测资料，研究不同尺度的涡旋运动特征及其相互作用。本文研究的实际问题有四个，第一是如何描述涡相关系统对通量低估的原因；第二是强烈天气条件下的风速及其极值如何模拟；第三是阵风形成的机理；第四是夜间近地面层逆梯度通量的形成和特征。这四个问题涉及到不同尺度的涡旋运动，以及湍流和更大尺度运动之间的关系。针对这四个问题，本文的研究内容和结果也包括四个方面。　　 (1)通过熵和互信息研究不同下垫面和不同高度湍流信号中有组织结构特征和风、温、湿的相互作用。尽管不同下垫面和不同高度熵和互信息存在很大差异，但是，垂直速度熵最小，而且具有明显的日变化规律，垂直速度与保守量的互信息和线性度也存在显著的日变化。垂直速度与保守量的非线性相关部分与垂直于气流的水平运动有关。垂直速度与保守量的线性相关与总体相关之间存在线性关系，其斜率在0.6-0.9之间。而熵与陡峭度之间存在幂函数关系，体现了时间序列中结构和极值的关系。　　 (2)大气湍流的自相似、多分形、奇异性等特征对于风速极值研究具有重要意义。对自相似性和奇异性的定量描述可以用Hurst指数和H(o)lder指数，前者描述的是总体的相似性，后者描述的是局部的奇异性。Hurst指数随风速的大小变化，大风时比较小，表明大风的自相似性或记忆特性较差。而大风时的H(o)lder指数的概率分布几乎不随时间变化，因此，可以根据风速时间序列的奇异性进行模拟。H(o)lder指数的概率分布具有大偏移特征，考虑到风速极值的重要意义，应用大偏移理论，计算奇异性的另一种分布大偏移谱来描述风速的多分形特征。从大偏移理论的研究中发现比率函数的左侧几乎不随时间变化。从大偏移谱中可以得出天气系统越强，越能维持涡旋运动规律不变。　　 (3)风温场之间存在相互作用。利用脉冲识别和分类方法可以确定风场和温度场的主要结构特征，其中温度场中主要是斜坡结构，而风场中的结构特征更接近随机信号的特征，因此，从风场本身难以确定真正的结构特征。利用伪小波变化确定温度场的斜坡结构，通过温度斜坡结构的位置和大小找到对应的风场的结构，发现两者的结构变化趋势相反，而且在速度场的结构中还存在尺度更小的相干结构。从而判断在相干结构下扫过程中风速不断增大，可以形成阵风。这种阵风形成机制与通常意义下的阵风具有相似的意义。同时利用级串模型对这种阵风的持续时间和间隔时间进行了模拟。　　 (4)夜间近地面层层结和切变对湍流运动的影响会产生一些特殊的现象，例如逆梯度通量、双浮力子区、能谱的-4幂律标度区。这些现象与切变和层结作用的关系通过低频运动联系起来。