沙尘暴和沙漠化是干旱、半干旱地区面临的主要环境问题,在大气湍流作用下沙尘颗粒的近地表运动是其发生、发展的主要驱动机制,会导致地表侵蚀、沙丘迁移以及土地荒漠化。大气边界层中的风速、风向和大气层结的稳定度总是处于动态变化中,风沙运动频繁发生在时变风场和大气层结不稳定的条件下。而已有研究主要关注稳定风场和中性大气层结条件下的稳态风沙跃移模型,较少关注时变风场、不稳定层结和热力非均匀下垫面等非稳态条件对风沙输运规律的影响,导致其结果与实际的风沙运动过程存在较大偏差。目前仅有少数学者研究了时变风场下风沙运动规律,但未研究时变风场与沙尘颗粒的相互作用;还有学者研究了非中性层结下的风沙运动规律,但现有研究存在模型简单、实验条件难控制等不足之处,且未系统、定量地探究时变风场和不稳定大气层结下风沙运动规律。本论文基于ARPS（Advance Regional Prediction System）模式的大涡模拟方法,耦合拉格朗日输沙模型与湍流热力场,综合考虑粒-床碰撞过程以及颗粒与湍流的耦合作用,建立了风沙流模拟的热-动力学模型,开展了如下非稳态风沙运动规律的数值模拟研究。首先,通过在入口设置连续变化的正弦风场和突变风速两种时变来流,建立了颗粒-时变风场耦合作用下的风沙运动模型,运用大涡模拟计算了非稳态湍流风场下的近地表风沙运动,分析了不同振幅和频率的时变风场中风沙运动规律。模拟结果表明:当风速正弦变化的频率大于1.0 Hz时,输沙规律与均匀来流近似,而当风速频率小于1.0 Hz时,输沙率均值大于均匀来流,并随时间呈现出类正弦变化,输沙率均值随风速振幅的增大而增大,随风速频率的增大而减小;风速突变的时变风场模拟结果表明,不同粒径颗粒的输沙率对时变风速突然增大或减小的响应时间不同,粒径越大,输沙率对风速增大的响应时间越长,但当风速突然减小时,输沙率的响应时间与粒径无关,约为3.0 s。其次,通过底部加热形成不稳定层结的风洞实验,探讨了不稳定层结对地表剪切应力与颗粒释放率的影响,结果表明,不稳定层结明显增大颗粒释放率。同时,基于颗粒-风场-温度相互耦合的三维近地表风沙运动模型对不稳定层结下的风沙运动过程进行了模拟。借助充分发展的湍流边界层,通过拉格朗日粒子追踪模型计算颗粒的运动信息,再现了不稳定层结下流场和颗粒的相互作用。模拟结果表明,近地表强烈的温度梯度影响气流垂向运动,改变地表剪切应力分布,最终改变沙尘颗粒的输运规律。在颗粒流体起动临界值附近,考虑与不考虑不稳定层结对输沙率影响的最大偏差可达4倍;在风速较大且风沙流达到饱和时,不稳定层结对输沙率均值的影响较小,但依然会显著增大输沙率的脉动值。为了更好地表征风速脉动对输沙规律的影响,本文提出了有效地表剪切应力参数,分析表明有效地表剪切应力包含颗粒起动阈值和地表剪切应力分布的信息,能够较好地统一中性与不稳定层结条件下的输沙率与有效地表剪切应力的关系。基于对这一规律的分析可知当对流速度与初始摩阻速度之比小于一个与粒径有关的常数时,不稳定层结对风沙输运的影响可以忽略。最后将不稳定层结下的风沙输运模型与用不同热通量表征的热力非均匀下垫面结合,建立了一个受地表非均匀热力过程影响的风沙运动模型。结果表明,在仅有地表热力作用的无风条件下,空间非均匀热力会使流场形成典型的非均匀尺度环流;当风速较大时,热力非均匀下垫面对湍流场的高阶统计量有较大影响。同时,热力非均匀下垫面会改变输沙率的空间分布,表现为热区的输沙率均值略大于冷区,且输沙率随着非均匀程度的增大,呈现先减后增的趋势。