反向沙丘近地层气流变化及其对沙丘形态的影响

反向沙丘形态-动力学过程是风沙地貌的重要研究内容。选择腾格里沙漠东南缘推平沙地发育的反向沙丘为研究对象,采用二维超声风速仪对沙丘表面5个位置0.25 m和0.5 m高度的气流进行野外观测。结果表明：（1）气流方向影响近地层气流特征。以沙丘脊线垂线为轴,0.25 m高度处沙丘脊线的垂线两侧风向变化不完全对称。当丘顶气流方向与脊线垂线角度差值为负时,迎风坡底部风速恢复较慢。（2）背风坡气流特征受风向控制。背风坡0.25 m与0.5 m高度气流变化规律相似,在背风坡中部发生偏转,但沙丘顶部气流方向与脊线垂线相差<10°时发生反向偏转。丘顶风向为285°—315°（左偏）时,0.25 m高度的偏转角度大于0.5 m高度的偏转角度。背风坡0.25 m与0.5 m高度处风速表现为脊线垂线两侧风速变化不一致。（3）沙丘表面气流影响沙丘形态。观测期间沙丘脊线发生明显移动,移动值为0.33 m。背风坡发生堆积,最大堆积厚度为0.44 m,迎风坡发生风蚀,最大风蚀深度为0.43 m。该研究结果证实了风在风沙地貌演化中的重要作用,为反向沙丘形态演化数值模拟提供数据支持。     

腾格里沙漠东南缘沙丘表面气流与坡面形态的关系

对腾格里沙漠东南缘格状沙丘主、副梁和新月形沙丘断面风速的野外观测结果表明,迎风坡风速放大率、背风坡气流的方向和强度随区域气流、坡面形态而不同。迎风坡风速放大率对沙丘形态的作用在于增加丘顶区域的输沙率和活动性;背风坡气流不仅影响沙丘形态而且控制沙丘动力学过程。在横向气流条件下,风速放大率使沙丘迎风坡随区域气流强度的增加变长变缓,背风坡受分离流控制使沙丘迁移;在双向－斜向气流条件下,沙丘丘顶处于侵蚀亚环境而两坡变陡变短,背风坡受附着偏向流控制使沙丘纵向延伸。     

横向沙丘背风侧气流重附风洞模拟

二次流在沙丘形成和形态维持过程中扮演着重要角色。沙丘迎风坡气流加速和背风侧气流分离是最常见的二次流形式。沙丘背风侧的二次流,尤其是气流分离形成的分离涡和气流重附对沙丘背风坡的塑造、沙丘间距和排列模式都具有重要的控制作用。因此,设计了一系列具有不同迎风坡坡度的横向沙丘模型,采用粒子图像测速技术,通过风洞实验模拟了沙丘背风侧的气流分离和重新附着。实验结果表明,当来流风速垂直于沙丘脊线时,沙丘背风侧的气流重附距离介于4\^8 H~10\^8 H之间(H为沙丘高度),最大重附距离出现在迎风坡坡度为15°的沙丘背风侧;沙丘迎风坡坡度是控制背风侧气流重附距离的主要因素,而自由风速对气流重附距离的控制作用较小。根据实验结果,还讨论了气流分离与重附对沙粒运移和沙丘形态维持的沉积学意义。     

横向沙丘背风侧沙粒风蚀起动的风洞模拟

通过风洞实验,探讨了横向沙丘背风侧“二次流”的沉积学和形态-动力学意义。在不同迎风坡坡度的横向沙丘模型背风侧,我们观测了不同位置沙粒的起动风速以及在临界状态下沙粒的运动特征。结果表明,沙丘背风侧的颗粒起动风速不仅与其距沙丘顶部的距离有关,也与沙丘迎风坡坡度有密切关系。根据沙丘背风侧颗粒运动特征,可以将其划分为向后运动区域、晃动或摆动区域以及向前运动区域,产生这一现象的原因是在沙丘背风坡气流分离、反向涡和气流重新辐合共同作用的结果。在所有的观测结果中,迎风坡坡度为15°的沙丘具有最大的沙粒起动风速和最远的气流重新辐合距离,其原因尚需进一步研究。     

腾格里沙漠东南缘格状沙丘表面气流及其地貌学意义

对腾格里沙漠东南缘沙丘形态与区域气流的分析表明,格状沙丘发育在双向低风能环境。沙丘表面气流及沉积过程的观测结果,主梁长期处在横向气流环境,其形态主要受背风坡分离气流控制,并以迎风坡侵蚀、背风坡净堆积形式顺主风向迁移。副梁处在双向-斜向气流环境,背风坡的附体偏向气流控制其形态和动力学过程,而且其强度是原始风入射角余弦的对数函数。在斜向风作用下,副梁迎风坡侵蚀的同时,背风坡中下部也发生沙粒的纵向输移且堆积于主梁背风坡,从而导致副梁沿年合成输沙方向延伸。由此认为,格状沙丘的主梁形成于主风-西北风的作用,而副梁是在主梁基础上并在主风和次风-东北风的交替作用下形成的;其形态动力学类型应属纵向沙丘置于横向沙丘之上一种复杂型沙丘。     

沙丘背风侧气流的变化特征及其意义

对腾格里沙漠东南缘格沙丘主、副梁和新月形形沙丘表面气流的野外发现分离流、附着未偏向流和附着偏向流等３种背风坡次生气流。前者以弱的反向流为特征，多发生在横向气流条件下，坡度较陡的背风坡上；后二者具有相对高的风速，多发生在坡度缓和的背风坡上，其方向在横向气流条件下保持原来的方向，在斜向气流作用下发生偏转，且其强度为原始风入射角的余统函数，根据３种次生气流强度，方向等特征，阐述了其相应的风成沉积过程和可能产生的层理类型，并对利用风成交错层理恢复古气流环境中的有关问题作了初步探讨。     

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。     

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。     

库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面风沙流结构变异

对库布齐沙漠南缘抛物线形沙丘表面气流和输沙率的野外观测和分析结果表明,沙丘表面约90%的风沙输移集中在距沙面0.10 m高度范围内,输沙率随高度递减的形式在沙丘各部位因风速、下垫面状况和坡面形态不同而发生变异。沙丘迎风坡坡脚因出露坚硬、含砾石地表,颗粒跃移高度大,风沙流上层相对输沙率大;迎风坡沙粒沿坡向上运动,颗粒跃移高度减小,风沙流中近地表相对输沙率大;沙丘背风坡沙粒沿坡向下运动,加之来自丘顶变型跃移物质的影响,风沙流上层相对输沙率较大;脊线受迎风坡各个断面地形差异的影响,各观测点间风沙流结构差异显著。风沙流结构在迎风坡和丘顶均遵循指数递减规律(Q=aexp(-z/b)),其中,指数函数拟合中系数a与输沙率具有良好的幂函数关系,随风速增加而增加,但二者关系较弱;b与二者无相关性。背风坡风沙流结构具有明显的分段现象,以0.10 m高度为界,下层符合指数函数,上层符合幂函数。     

横向沙丘气流平均速度变化规律的风洞模拟

在沙丘动力系统中,存在沙丘形态、气流、沙粒运移三者之间复杂的相互作用。通过风洞实验的方法,针对不同形态的6组横向沙丘模型,采用粒子图像测速系统,测量了模型沙丘周围气流水平速度和垂直速度的变化规律。实验结果表明,横向沙丘迎风坡水平气流存在1.28～1.89之间的加速率,垂直气流存在上扬趋势,这二者均有随沙丘迎风坡坡度增大而增大的趋势。在横向沙丘背风坡,由于气流的分离,水平气流速度减小并出现反向,其大小约为自由风速的17％;垂直气流速度存在下沉趋势,其最大沉速出现在气流重附点附近;背风坡气流速度的变化受沙丘迎风坡坡度影响较小,受自由风速的影响较大。沙丘对气流速度的改变在近地层较为显著,随着高度的增加地形影响逐渐减小。     

古尔班通古特沙漠风沙地貌研究进展评述

古尔班通古特沙漠是中国最大的固定、半固定沙漠,也是中国境内受西风环流影响最明显的沙漠之一.本文简介古尔班通古特沙漠风沙地貌的研究历史,综述区域风况和输沙势特征、主要沙丘类型分布格局、风沙物质来源、沙丘粒度特征、沙漠环境演变和纵向沙垄发育模式以及现代沙丘动态变化等方面的研究进展,指出研究中存在的问题并展望未来研究方向.     

COSI-Corr技术在风沙地貌研究中的初步应用及精度检验

沙丘移动与形态监测是风沙地貌研究的重要内容，传统的测量方法对大范围的风沙地貌进行动态监测存在很大的困难。光学影像配准与关联（Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation，COSI-Corr）技术的出现为区域风沙地貌的动态演化与监测研究提供了良好契机。讨论了COSI-Corr技术在沙丘移动和形态监测中的优势和存在的主要问题，通过无人机野外地面实测结果检验了COSI-Corr的测量精度。结果表明：沙丘背风坡底缘COSI-Corr测量精度最高，月测量误差0.01～0.53 m，达到影像分辨率的1/30像元；在沙丘背风坡底缘，COSI-Corr测量精度与沙丘底面积呈线性关系，底面积越大，COSI-Corr测量误差越大；个别沙丘脊线部位出现极大异常点，与沙丘脊线部位的光噪影响有关。COSI-Corr技术在风沙地貌监测中尚属起步阶段，一些具体的问题还需要我们在实践中不断的去检验和改进，但它确实极大提高了野外风沙地貌动态监测的效率，为研究大尺度范围内风沙地貌的时空动态演化过程提供了可能，在未来的风沙地貌研究中将具有广阔的应用前景。     

旱麻岗沙漠风沙地貌发育与演化

旱麻岗沙漠位于腾格里沙漠南部,是腾格里沙漠的重要组成部分。目前对该沙漠几乎没有研究。旱麻岗沙漠最主要的地貌是风沙地貌和流水地貌,且近似南北方向平行相间排列。该沙漠主要的沙丘类型有新月形沙丘链、反向沙丘和灌丛沙丘,其中新月形沙丘链和反向沙丘分布在海拔相对高的区域,且呈条带状分布,而灌丛沙丘主要分布在冲沟内。旱麻岗沙漠的起沙风主要为西北风,其次为东南风。风能环境属于低等风能环境,合成输沙方向为282°~331°,方向变率为中等变率。流动沙丘表面平均粒径最大,其次为结皮下层和结皮表层;分选性与平均粒径有相似的规律。石羊河流域、祁连山东端的冲积-洪积物和湖相沉积为旱麻岗沙漠的形成与演化提供了重要的沙源。根据野外考察,结合以往研究成果,该沙漠的形成与演化可以概括为以下几个阶段:大湖期;湖水干涸期,在退水过程形成近似平行排列的小冲沟;沙漠形成与扩张期,流动沙丘覆盖整个区域;沙漠萎缩期,降雨量增加,沙漠萎缩,平行排列的冲沟宽度和深度增加,冲沟内的流沙随流水冲向下游,而冲沟间的沙丘仍然保留在原来的位置,形成现代的地貌格局。     

腾格里沙漠东南缘反向沙丘形态演化过程

沙丘形态演化是风沙地貌研究的重要内容。反向沙丘是指在相反方向风作用下形成的沙丘,有两个落沙坡,分别对应两个风向,在主风向作用下形成横向沙丘,但在相反方向风作用下,沙丘顶部向主风方向移动,从而形成反向沙丘。反向沙丘存在于任何有两个相反方向风的地区。以腾格里沙漠东南缘平坦沙地上发育的反向沙丘为研究对象,2010年对沙丘迎风坡和背风坡不同部位坡度进行1年期野外测量,旨在阐明反向沙丘的形态演化过程。结果表明：反向沙丘形态演化包括3个阶段：横向沙丘—过渡态—反向沙丘,但研究区的沙丘形态演化经历5个阶段：横向沙丘—过渡态—反向沙丘—过渡态—横向沙丘。不同演化阶段的沙丘迎风坡和背风坡角度发生明显变化。该研究结果增加人们对反向沙丘形态演化过程的认识,对区域风沙地貌改造利用提供理论依据。     

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。     

Grain‐Size Characteristics of Dune Networks in China's Tengger Desert

Grain‐size characteristics of dune networks in the Tengger Desert of northwestern China were investigated. Grain‐size parameters (mean, standard deviation, skew, and kurtosis) were determined on dune surfaces at windward toe, stoss, crest and leeward toe locations. Multiple discriminant analyses were applied to distinguish deposition environments. Results indicated that the aeolian sediment is mainly composed of very fine and fine sand in the dune networks of the Tengger Desert. Sorting improves as grain size becomes finer. However, the relationships between mean grain size, skew, and kurtosis vary in space. There is a negative relationship between skew and sorting; similarly, the relationships between sorting and skew, and skew and kurtosis change in space. The sediment deposition environment includes aeolian sediment and lacustrine sediment. The lacustrine sediment provides the source material for dune windward toe and stoss formation and development, but the aeolian sediment provides the source material for dune crest and leeward toe formation and development. According to the log‐probability of grain size distributions, aeolian sediments in dune networks are composed of two distinct saltation populations.     

腾格里沙漠南部格状沙丘的形态演变及移动特征

沙丘的形态变化与移动蕴含区域风沙环境和地貌演化的关键信息,是风沙地貌研究的重要内容。以腾格里沙漠南缘的长格状和方格状沙丘为研究对象,利用风况资料和Google Earth卫星影像,监测2009—2020年两种格状沙丘的形态变化并分析其移动特征。结果表明：(1)腾格里沙漠西南缘和东南缘的主风向均为西北风,长格状沙丘分布区的次风向为东南风,方格状沙丘分布区次风向为东风和东南风,都属于低风能环境、中变率风况。西南部风能环境大于东南部,研究区近10年风动力呈衰减趋势。(2)格状沙丘的主副梁长度和间距在增加,其中,长格状沙丘高度增加,方格状沙丘高度在降低。沙丘主梁向东偏移,副梁向南偏移,形态整体保持稳定。(3)长格状沙丘平均移动速率为1.57～1.71 m·a^-1,方格状沙丘平均移动速率为1.63～2.01 m·a^-1,沙丘平均移动方向与合成输沙方向基本一致,沙丘的体积是造成移动速率差异的主因。     

库鲁克沙漠风沙地貌与沙丘移动

库鲁克沙漠位于塔里木河下游以东，是塔克拉玛干沙漠的重要组成部分。利用风况资料和Google Earth卫星影像，对该沙漠的风沙地貌及其移动特征进行分析。结果表明：库鲁克沙漠风能环境属于低至中等；合成输沙势方向为西南至西南偏西方向；方向变率属于中等。具有风积和风蚀两种地貌类型，风积地貌类型主要包括平沙地、灌丛沙丘、新月形沙垄、新月形沙丘及沙丘链、复合新月形沙丘和复合型沙丘链，风蚀地貌类型主要为雅丹。沙漠西部新月形沙丘的移动方向为西南偏西方向，与当地合成风向大体一致。沙丘移动速率为9.5~37.8 m·a^-1，呈现明显的空间差异，主要取决于当地风况、沙丘高度和沙丘密度等因素，与沙丘高度和沙丘密度呈指数负相关关系。沙丘的形成发育及其移动是由多种因素相互作用的复杂过程，而这种复杂性塑造了丰富的风沙地貌类型及其区域差异性。