塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄的流场和上覆沙丘组合及动态特征

复合沙垄是最大的沙丘地貌类型之一，表现为简单沙丘类型的垂直叠加和水平连接，在沙垄的高大地形影响下，沙垄不同部位形成不同的风沙环境特征。以塔克拉玛干沙漠腹地/复合沙垄为例，通过野外实地观测研究其流场和上覆沙丘组合特征。研究结果表明，复合沙垄的流场可分为沙垄迎风坡气流加速区、沙垄背风坡气流转向减速区、垄间粗沙平地气流风速风向恢复区和气流风速稳定区。受沙垄流场和地形的控制，沙垄上覆新月形沙丘链，垄间地分有简单新月形沙丘、沙堆、沙片、侵蚀地、简单线形沙丘。上覆沙丘分布特征表现为：垄间地上覆新月形沙丘疏密度较小，沙垄迎风坡和沙垄背风坡上覆新月形沙丘疏密度较大，而且超过1，说明沙垄迎背风坡上覆沙丘有叠置现象。沙垄上覆沙丘高度自沙垄迎风坡底部到顶部增高，背风坡上覆沙丘高度自沙垄顶部到背风坡底部减小，上覆沙丘在自身形态、地形和流场的共同影响下，存在相对运动，表现为分布进一步集中，因此沙垄有增高的趋势。     

新月形沙丘迎风坡气流加速模拟

迎风坡气流加速是决定新月形沙丘发育和形态的动力因子，研究这一加速过程的定量关系有利于认识沙丘的发育、沙丘的形态、沙丘的运动等。通过大量的野外实测数据和前人的理论分析，得出沙丘迎风坡气流加速量主要和沙丘坡度、迎风坡前来流风速以及沙丘高度有关，并建立了新月形沙丘迎风坡气流加速和沙丘形态特征的定量关系。根据这一关系得了在风力较强的风沙环境中，沙丘坡度较小；在风力较弱的风沙环境中，沙丘坡度较陡。地表粗糙度越大，迎风坡坡度越陡。沙丘地貌发育高度存在一上限，这一上限与边界层厚度有关。     

柽柳灌丛沙堆三维流场随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作5组背景植被盖度灌丛沙堆模型,在风洞中进行风流场变化规律模拟实验。结果表明:柽柳沙堆三维流场结构可划分为6个区域,即沙堆前减速区、沙堆迎风坡加速区、沙堆两侧急流区、沙堆背风侧强涡流区、沙堆后尾流恢复区和沙堆上空混合加速区。灌丛沙堆对流场结构影响范围为沙堆前10H到沙堆后14H区段,旁侧影响宽度不超过沙堆宽度的3/4,垂直方向上主要影响灌丛沙堆总高度相对应的下方区域,最大不超过灌丛沙堆总高度的2倍。风速变化不构成对流场结构的影响,但背景植被变化对流场结构影响明显。随着植被盖度增大,沙堆前减速区和沙堆后尾流恢复区范围扩大,两侧急流区和背风侧涡流区范围缩小。背景植被的出现明显降低了其所在高度层的风速,柽柳沙堆各分区地表加速率均随背景植被盖度呈指数规律下降,当植被盖度在16%时加速率变化趋于平缓。从维护绿洲安全的角度出发,根据风沙动力学原理可将16%视为灌丛沙堆科学保育中可能的临界背景植被覆盖值。     

回涡沙丘的形态特征与表面物质组成

在沙丘分类系统中,回涡沙丘是一种重要的有障沙丘形态,系运移风沙流在障碍物前遇阻堆积而成。野外测量表明,回涡沙丘具有与新月形沙丘相似的外观,其迎风坡坡度一般在2°～18°之间,背风坡坡度较陡为21°～31°。回涡沙丘高度及其与障碍物距离受障碍物高度的控制,障碍物越高则回涡沙丘也越高,沙丘离障碍物也越远,沙丘高度、沙丘与障碍物距离分别与障碍物高度线性相关。粒度特征反映了局地沙源特征,粗细颗粒均可在风力作用下形成障前堆积形态。同一地区回涡沙丘与新月形沙丘表面物质的粒度参数对比表明,由于障碍物前回旋涡流的影响,回涡沙丘表面物质经历了更为强烈的风力分选过程,物质组成更细,分选更好,更趋于正偏和窄峰态。     

金字塔沙丘流场的三维数值模拟

对位于敦煌莫高窟顶部鸣沙山东麓的金字塔沙丘流场形态进行数值模拟,分析了多风向条件下沙丘的压力场和速度场变化规律。使用地面立体摄影技术获取沙丘的控制点坐标,建立了与实地沙丘等比例的三维模型,以解决二维建模不能表达3组主风向差异的问题。使用计算流体动力学（CFD）方法,采用非结构网格划分技术以适应沙丘的高度不规则地形,通过剪切压力传输模型（SST）分析计算并与以往风洞试验和数值模拟结果进行对比。模型很好地预测了沙丘底部停滞区、坡上加速区、背风坡回流区以及沙丘表面压力和风速分布等流场信息,反映了多风向条件下沙丘形态与气流的交互作用。流场中速度场的分布与压力分布直接相关。     

塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的逆向演变

通过对塔克拉玛干沙漠腹地复合沙垄间地新月形沙丘的形态变化、分布特征、移动特征进行测量,计算出沙丘移动输沙变化,证实该区存在新月形沙丘逆向演变。逆向演变过程的发生主要由于沙垄间地的高度不饱和风沙流和该区新月形沙丘较小的高度。高度不饱和风沙流形成于沙垄背风坡底到垄间地中部的加速过程和粗沙地表的作用,从沙垄底部到垄间地中部的粒度变化,风沙流垂直结构都有所反映。新月形沙丘为沙垄背风坡上覆沙丘脱离沙垄而成,高度在2m左右,该区次风向使新月形沙丘宽度减小以及粗沙地表在强弱风交替作用下增加沙丘移动过程中沙丘沙的滞留量都有利于沙丘逆向演变。     

新月形沙丘表面100cm高度内风沙流输沙量垂直分布函数分段拟合

为研究新月形沙丘表面不同层位风沙流输沙量的垂直分布函数,实测了塔克拉玛干沙漠腹地典型新月形沙丘表面100 cm高度内(以1 cm分隔)的输沙量。分段拟合分析表明:新月形沙丘迎风坡脚输沙量垂直分布规律不完全服从指数函数,出现与戈壁风沙流结构特征相似的"象鼻效应",在0~3 cm区间内输沙量逐渐增大,3cm以上输沙量随高度呈指数函数衰减;沙丘顶部0~10 cm区间输沙量随高度呈指数函数衰减,10 cm以上呈二次函数衰减;沙丘左翼端输沙量随高度呈幂函数分布,沙丘右翼端0~20 cm内以指数函数衰减,20 cm以上呈三次函数衰减;沙丘背风坡脚风沙流输沙量在0~60 cm和60 cm以上分别呈不同形式的三次函数分布。     

新月形沙丘丘表流场与沙丘蚀积特征

对新月形沙丘和沙丘链丘表流场风向、风速和蚀积量进行测定。迎风坡均表现风蚀,背风坡和兽角处表现堆积,蚀积特征、速度与流场中风速、风向相吻合。     

金字塔沙丘风洞流场结构的实验研究——兼论金字塔沙丘发育模式

金字塔沙丘以其大尺度、金字塔形态和放射状伸展的沙臂为特征。本文以三面体金字塔沙丘模型的风洞流场实验为基础,结合野外观测资料,发现金字塔沙丘的流场结构,特别是背风侧剖面流场除具有一般新月形沙丘的流场结构特点外,还有特殊的"E"型流场结构,正是这种多向风信产生的复杂流场结构形成具有凹面形态的多角形金字塔沙丘。据此,作者提出了由新月形沙丘(包括其复合形态)演化为金字塔沙丘的发育模式。     

包兰铁路沙坡头段防护体系前沿栅栏沙丘形态与近地面流场

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡坡度小于天然沙丘,背风坡水平长度与迎风坡水平长度之比约为0.7,远大于天然沙丘（0.3）。阻沙栅栏显著影响沙丘表面流场,但栅栏缺失或沙埋后栅栏沙丘与天然沙丘表面流场结构具有很大的相似性。沙丘迎风坡剪切风速均沿坡面至丘顶呈先增大、后减小的趋势,但栅栏沙丘迎风坡脚至中上部剪切风速增长速度较快,中上部至丘顶剪切风速迅速降低而且幅度较大,这种变化对栅栏沙丘的成长具有重要意义。     

海岸新月形沙丘移动与形态变化的典型研究

依据2006~2008年连续3 a共9次采用RTK GPS技术与测量方法对一个典型海岸新月形沙丘形态的高精度测量数据,分析了海岸新月形沙丘的移动方向、方式、速度以及形态变化特点。结果表明,海岸新月形沙丘具有缓慢、向陆往复式前进的移动特点,形态变化则具有随季节增减变化中高度、宽度、长度、断面面积与体积增加的加积特征,究其原因是区域风况、海岸地表覆被、沙丘形态及人类活动等共同作用的结果。     

新月形沙丘研究进展

新月形沙丘是最简单且研究较深入的风积地貌,对其研究已有较长的历史。总结和扼要评述国内外对新月形沙丘形态与移动特征、形成条件与过程、流场与蚀积特征、粒度与构造特征及分布与相互作用的研究成果;分析了对其未来的研究趋势。     

新月形沙丘与线性沙丘共存区域风况特征

与火星类似,柴达木盆地的新月形沙丘和线性沙丘共存现象引起了众多学者的关注。为探究该现象的发育环境和形成条件,以全球典型新月形沙丘和线性沙丘共存区域为研究对象,选取研究区域附近气象站点3a风速、风向数据,分析这些典型区的风况特征。结果表明:不同的新月形沙丘与线性沙丘共存区域,风速存在明显差异,柴达木盆地和塔克拉玛干沙漠共存区域年平均风速和最大风速均小于沙特阿拉伯沙漠和撒哈拉沙漠;起沙风风向控制沙丘走向,多数共存区域全年起沙风风向较单一,部分区域存在明显的主次风,且主次风风向夹角为锐角;新月形沙丘和线性沙丘可共存于在高、中、低风能环境,中、低风向变率锐双峰或宽单峰风况,沙丘发育受风能环境影响较小,可能受风向变率、下垫面和沙源供应影响大;合成输沙势方向与沙丘走向一致且季节变化小,输沙方向稳定。部分气象站点距离研究区较远,对于研究区的风况指示意义有限。     

巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠连接带沙丘移动规律北大核心CSCD

巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠分别为中国面积第二、第三大流动性沙漠,对两大沙漠连接带新月形沙丘的动态监测可以揭示该地区沙丘形成演化规律,为沙漠连接带风沙地貌发育研究提供科学支撑。通过Google Earth高清历史影像对巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠连接带的新月形沙丘带进行监测,分析了两大沙漠交界处沙丘的移动速率和形态变化。结果表明:巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠连接带沙丘移动速率范围5.88-19.55 m·a^(-1),平均移动速率10.03 m·a^(-1);移动方向范围109°-135°,平均移动方向122°。风况为沙丘移动提供动力条件,合成输沙方向与沙丘移动方向吻合。受NW、WNW方向输沙影响,新月形沙丘南翼在移动速率增加的同时长度不断伸长,显著区别于北翼。沙丘移动受控于沙丘本身形态,沙丘各形态参数(迎风坡长度、高度、宽度、周长、底面积)与移动速率呈现显著负相关关系(P<0.01)。植被覆盖以及沙丘密度的差异导致了研究区沙丘移动速率的差异。沙丘移动前后,形态参数变化具有复杂性,而沙源丰富度差异以及丘间地灌丛沙包对沙丘形态的改变,是沙丘形态变化复杂性的主要原因。两大沙漠连接带年输沙通量170-521 t·m^(-1),均值为301 t·m^(-1)。     

塔克拉玛干沙漠腹地垄间地上覆沙丘形态的空间变化特征及其成因

垄间地是塔克拉玛干沙漠中的一种典型下垫面,发育有众多尺度小、形态简单的沙丘,而这些沙丘的分布及其形态的空间变化和成因,至今研究较少。基于Google Earth影像和实地观测,研究了塔克拉玛干沙漠腹地垄间地上覆沙丘在主导风向上的分布格局和形态特征,并分析了其成因。结果表明:(1)垄间地分布有沙片、新月形沙丘、新月形沙丘链和线性沙丘,但新月形沙丘分布最广泛、数量最多,沙丘数量次之,在整个垄间地都有分布,新月形沙丘链集中分布在沙垄背风坡脚,而线性沙丘则主要分布在沙垄迎风坡脚;(2)垄间地上覆沙丘具有明显的空间分布格局,沿主风向,沙丘密度和覆盖度呈上风向下风向中部,而新月形沙丘的长度、宽度、底面积、两翼开展度等形态示量参数,从沙垄落沙坡脚到垄间地中部偏迎风坡各参数呈现不同程度下降,沙丘呈逆向演变,随着靠近沙垄迎风坡脚各参数逐渐增大,沙丘又转为正向发育;(3)沙丘的空间分布和形态差异源于地表风动力和沙源供给的空间分异。沙垄背风坡脚风动力相对较弱,沙源丰富,沙丘密度高,新月形沙丘形态发育成熟度高;沙垄背风坡脚到垄间地近迎风坡脚,气流摆脱沙垄风影影响,风速逐渐增大,地表粗沙覆盖,沙源供给相对减少,沙丘物质收支失衡,形态趋于逆向演变;从垄间到沙垄迎风坡脚,受沙垄阻挡,风速降低,地表沙物质相对较细,地表沙源供给相对较充足,沙丘物质收支状况改善,沙丘形态有所恢复。     

毛乌素沙地飞播植被现状与评价

从飞播所采用的植物种、播区沙丘类型和植被现状等方面,对毛乌素沙地30多年来不同沙丘类型区域飞播后植被的生长发育和沙丘的固定情况进行了分析与评价。实地考察与分析表明:毛乌素沙地飞播比较成功的植物种有羊柴、籽蒿和花棒。在比较平缓的沙丘区域,飞播后植物可迅速占满整个播区,沙丘可得到全部固定;当播区沙丘形态以新月形沙丘链为主,或新月形沙丘链与格状沙丘并存,沙丘高度在5~10m时,飞播后植物首先在丘间地和沙丘中下部定居,并逐渐扩大其定居范围,最终飞播植被仍能占满整个播区(个别高大沙丘例外);当播区沙丘形态以格状沙丘为主,沙丘高度在10m以上,飞播植物仅能在丘间地和沙丘下部定居,而且很难扩展其定居范围,这种沙丘类型区飞播后至多只能达到半固定水平。     

新月形沙丘维持相对稳定的两种过程

新月形沙丘顶部稳定性是风沙地貌学尚未解决的科学问题。研究新月形沙丘的顶部稳定性,对于绿洲边缘风沙运动规律揭示、防沙工程建设和沙区生态环境保护等具有重要的现实意义。选择民勤沙区新月形沙丘,通过测定沙丘各部位风速、风蚀风积和粒度等,分析了新月形沙丘顶部稳定机理。主风向（NW）作用是新月形沙丘最高点与沙脊线重合、沙丘前移和高度降低的过程;反向风（SE）作用是沙丘最高点与沙脊线分离、沙丘背风坡风蚀与沙丘增高的过程。由于研究区以NW风为主,新月形沙丘沿NW-SE方向前移,SE风只能风蚀减缓沙丘背风坡的坡度。人为干预将会阻止或减少从迎风坡向沙丘顶部输送沙量,使得新月形沙丘背风坡尤其是背风坡上部风蚀过程增强,新月形沙丘逐渐过渡为抛物线形沙丘。     

基于GIS空间分析技术的新月形沙丘表面输沙率模型研究

 输沙率研究是风沙物理学与风沙工程学的重要内容。为了尝试GIS空间分析技术在新月形沙丘表面不同部位输沙率分布及模型建立中的应用,选取塔克拉玛干沙漠腹地典型孤立新月形沙丘,对其表面进行粒度采样和风速采样,并对沙丘表面的五个典型部位进行输沙率的采集。经过对风速数据归一化处理之后,根据粒度和风速采样特点,分别应用克里格方法和反距离方法对粒度和风速样点插值,得到新月形沙丘表面栅格形式的粒径分布和风速分布图。利用3种常用输沙率模型分别对沙丘表面5个典型部位进行输沙率计算,并与实测值进行对比。选取拟合优度最佳的Srensen模型,整合粒径和风速分布图,利用地图代数方法对沙丘表面输沙率分布进行计算,得到栅格形式的沙丘表面输沙率分布图。利用GIS的空间分析技术研究沙丘表面的输沙率分布,克服了传统定点观测的诸多不足。     

古尔班通古特沙漠西南缘新月形沙丘内部沉积构造特征研究

沙丘内部沉积构造保存了沙丘动力演变过程的重要信息。以古尔班通古特沙漠西南缘固定、半固定新月形沙丘区为研究区域,利用探地雷达在春、秋两季对固定、半固定新月形沙丘内部构造进行探测,获取了不同规模形态的固定、半固定新月形沙丘深约8 m的内部构造图像信息。通过图像增益处理、解译和对比分析表明：（1） 古尔班通古特沙漠固定、半固定新月形沙丘共有5种沙丘内部构造雷达相,即高倾角斜层理、楔状交错层理、上凸形交错层理、低倾角-近水平层理和块状层理,其中前4种主要分布在3~5 m的浅层,而块状层理主要分布在4~5 m以下的深度。（2） 高倾角斜层理、楔状交错层理主要分布在高大新月形沙丘（链）的迎风坡上部和丘顶地带,前者为背风坡前积层埋藏而成,反映高大新月形沙丘迎风坡上部和丘顶风沙活动较频繁,沙丘“固身缩顶”后埋藏的前积纹层因风蚀而出露,后者为迎风坡风蚀坑和风蚀槽中由风沙流充填而成的构造或在丘顶风向的季节性变化形成的构造。（3） 与灌丛沙丘相关的上凸形交错层理广泛分布在新月形沙丘的迎风坡中下部,在背风坡也有局部出现,表明灌丛沙丘在沙丘表层的风沙过程中占有重要地位;而深部的块状层理可能是早期风积层受到强烈的生物扰动,原生层理消失而产生。（4） 以上沙丘内部构造的类型与组合分布特点,反映了研究区新月形沙丘总体上趋于稳定或衰退状态,这与现代沙丘“固身缩顶”的地貌变化特征相一致。例如,迎风坡中上部和丘顶常见风蚀槽,背风坡因坡度变缓、前积层发育趋缓,现代风沙活动主要集中于新月形沙丘的上部和丘顶等。由此可见,研究区固定、半固定新月形沙丘内部构造及其组合分布特征异于流动新月形沙丘,也与半个多世纪以来北疆沙漠气候变暖变湿、平均风速减弱、植被盖度增加的区域自然地理环境变化趋势有一定的吻合性。     

柴达木盆地西南缘新月形沙丘移动特征及其影响因素

柴达木盆地西南缘新月形沙丘连片分布、数量丰富、大小各异、形态多样,是开展沙丘动态演化研究的理想区域。基于2013年和2021年两期高分一号卫星影像和气象资料,分析了柴达木盆地西南缘沙丘区537个新月形沙丘移动、形态和区域风况特征,探讨了沙丘移动的影响因素。结果表明：(1)该区域新月形沙丘移动速率1.43～22.37 m·a^-1,平均移动速率7.23 m·a^-1,沙丘移动方向109.22°～171.28°,平均移动方向142.86°,整体呈NW-SE方向移动。(2)受低风能环境和西北偏西风的影响,该区域新月形沙丘移动速率相对其他沙漠较慢,移动方向与盛行风向基本一致。(3)受沙丘尺度的影响,该区域新月形沙丘越大,移动越慢,呈幂函数递减的关系。(4)该区域新月形沙丘分布密度、植被状况、地形起伏等在一定程度上影响沙丘移动速率。