边界层作为地面与自由大气的过渡带对人类活动影响很大。边界层湍流结构尤其是夹卷层的湍流特征，是边界层研究的一个重要方面，这对于加深对边界层的认识以及研究边界层参数化具有十分重要的意义。在边界层的研究中，人们多数是通过外场观测和计算机数值模拟。但是外场观测耗资巨大，重复性很差，计算机模拟的结果也需要实际观测数据进行验证。相对于以上研究手段，室内模拟实验由于其稳定性、可重复性和容易实现等优点，是一种很好的途径。　　 本文通过模拟手段，在室内对流水槽(150 cm×150 cm×60 cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展。利用准直光束通过对流水槽得到光斑图像数据，对光斑图像数据进行频谱分析，得到结果如下：　　 (1)依据光在湍流介质中的湍流谱理论，确定功率谱的无标度区间，从而得到边界层内各高度处的标度指数。结果表明，在混合层内，均匀下垫面的光强标度指数基本在-8/3左右，基本符合各向均匀同性湍流特征，但非均匀下垫面的标度指数并不完全符合均匀各向同性特征，说明其受到了非均匀性的影响。在夹卷层范围内，均匀下垫面与非均匀下垫面符合的比较一致，标度指数在实验前期严重偏离-8/3，但在实验后期也逐渐接近这一理论值，说明在实验后期随着下垫面加热的增强以及边界层顶部逆温的减弱，夹卷层也趋于混合均匀。夹卷层平均标度指数与对流Richardson数存在一定关系，且在均匀和非均匀下垫面情况下，关系有所不同。还可发现，标度指数廓线随高度的变化特征与同时刻的归一化光强方差廓线和热通量廓线一致关系很好。　　 (2)利用改进协方差法对光斑图像进行功率谱分析，找出功率谱密度最大值所对应的频率即峰值频率，峰值频率对应的波长为涡的特征尺度。研究边界层各高度处峰值波长的特征，从湍涡尺度这一方面进一步分析边界层内的光学湍流结构特征。研究结果表明，在混合层，峰值波长较小，说明此处混合比较均匀，小尺度结构占主导地位。混合层内部的小尺度湍涡随着热对流作用向上进入夹卷层，受到顶部逆温层的阻碍作用，其垂直运动受到抑制，于是向水平方向拉伸，在夹卷层内形成了大尺度结构，所以夹卷层的峰值波长较大。夹卷层的平均峰值波长与对流Richardson数存在一定的关系，这种关系受下垫面类型以及对流状况的双重影响。