基于Taylor湍流冻结假设理论, 在不同湍流折射率谱型条件下, 推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式；数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明：随着折射率起伏标度指数的增大, 闪烁频谱的低频段不再仅为常数, 高频段下降的幂率逐渐增大, 同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大；湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大；而随外尺度的减小, 闪烁频谱低频段的振幅减小, 这种影响在大口径接收时较为明显, 相位谱的低频段幂率减小。

边界层是地面与自由大气的过渡带, 对人类活动有重要影响。由于边界层上部位置较高, 进行精细结构观测很难。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。将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据, 对光斑图像数据进行频谱分析。根据光在湍流介质中的传输理论确定无标度区间得到边界层各高度处的标度指数。研究表明, 均匀下垫面标度指数在混合层基本在-8/3左右, 接近各向同性湍流的理论值。而夹卷层的标度指数, 实验初期严重偏离理论值, 但在实验后期, 由于对流剧烈也逐渐接近-8/3, 此时夹卷层也趋于混合均匀。夹卷层平均标度指数与对流Richardson数存在一定的关系。标度指数廓线随高度的变化特点与同时刻的热通量廓线和归一化光强方差廓线有比较一致的对应关系。

采用三波长闪烁仪进行了大气边界层的光传输实验,结果表明:在相同的传播条件下,非平面波激光大气闪烁功率谱的高频部分与波长存在着一定的关系,功率谱无标度区间的斜率即标度指数是一个与湍流强度、波长等因素有关的函数,在满足弱起伏的条件下,标度指数一般与波长呈负相关,波长愈长则标度指数愈小,频谱下降的趋势愈快;波长愈短则标度指数愈大,频谱下降的趋势愈慢.

阐述了非Kolmogorov湍流谱理论以及湍流谱标度指数的测量与计算方法.在近地面多个地点对大气湍流温度起伏进行了多次的实验观测,结果表明:实际大气湍流温度谱标度指数多数不等于-5/3,并且通常在-2到-1之间变化.分析了湍流温度谱标度指数与湍流发展程度的相关性,利用小波分析方法展现了不同湍流强度下湍流温度脉动能量在各尺度之间的分配状态,发现湍流温度谱标度指数的绝对值在一定程度上随湍流强度的增加而增大.

边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义.利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层,使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征,将获得的标度指数与理论值进行比较,结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性,而垂直方向则呈现一定的各向异性.