巴丹吉林沙漠高大沙山的形成发育研究

通过对巴丹吉林沙漠高大沙山的考察，以及沙丘形态和风况、沙山TL测年、古沙丘层理产状等的研究表明，高大沙山的形成发育受沙源、风系、底基地形和灌草植被等因素的影响。第四纪以来弱水古水系的变迁为沙漠及沙山的发育提供了丰富的沙物质来源。沙山发育的受西风和西北风两大盛行风系的控制，末次冰期以前为西风环流主导时期，地表盛行风向为西风，次为西北风；末次冰期以来为季风环流主导时期，地表盛 行风为西北风，次为西风。沙山底基地形的起伏不仅诱发近地表气流产生波伏运动，同时也是风沙流运行的障碍。气候湿润期发育的沙丘灌草植被通过抑制风蚀、扑捉风沙等作用加速沙山的发育。高大沙山是新月形沙丘和沙丘链、复合新月形沙丘和沙丘链演进而形成的大型稳定风积床面形态。     

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。     

金字塔沙丘近地表流场及其对月牙泉影响研究

对月牙泉景区气象站点资料和积沙量统计分析以及月牙泉北侧金字塔沙丘近地表流场野外观测表明：受地形影响,月牙泉景区和金字塔沙丘各点起沙风玫瑰和输沙势玫瑰在监测期内差别较大。在金字塔沙丘影响下,不同风向下气流发生多次分离和汇集,沙丘近地表气流发生明显变化,携沙气流行进方向发生改变。金字塔沙丘坡面上各点合成输沙势和起沙风与坡面走向呈垂直角度,气流沿坡面爬越沙丘时,动能发生损耗,携沙能力减弱,减少了进入月牙泉的风沙量,减弱了月牙泉的风沙灾害。     

偏西风作用下敦煌月牙泉金字塔沙山顶部风沙流初步观测研究

金字塔沙山丘体高大,形态复杂,坡面风沙动力过程实地观测困难,至今尚无坡面风沙流野外观测数据。通过新研制自动集沙仪,对偏西风作用下敦煌月牙泉北侧金字塔沙山顶部风沙流进行了实时观测,共观测8组近地表51.4 cm高度内输沙数据,各观测时段中2 m高度平均风速7.46～14.15 m·s^-1,各组观测时长18~95 min。结果表明：偏西风纵向气流作用下金字塔沙山风沙流结构与平坦地表一致,即输沙量随高度增加呈单一的指数规律递减,且风沙流主要在近地表30 cm高度内输移。风沙流结构特征值λ以大于1为主,且随风速增大而增大,表明金字塔沙山坡面过程主要表现为风蚀过程。偏西风作用下金字塔沙山风沙流中沙粒以细沙为主,平均粒径随高度增加而减小;沙山迎风坡沙粒从坡脚到沙脊线逐渐粗化,风蚀作用增强,细沙从而随风沙流搬运至沙山顶,对金字塔沙山多以细沙为主的格局形成起重要作用。     

巴丹吉林沙漠地表沉积物粒度特征及区域差异

对巴丹吉林沙漠不同区域、不同类型沙丘、不同地貌部位的223个地表沉积物样品进行粒度分析表明,该沙漠的流动沙丘主要由细沙组成,其含量可达49.5%～66.1％;沙丘沙的平均粒径介于2.104～2.706 Φ之间,粗于塔克拉玛干沙漠和腾格里沙漠,与世界其他沙海中沙物质粒径相比处于中等粗细。粒径最细者为灌丛沙丘表面沙粒,最粗者为横向沙山迎风坡;分选度好至极好,均为正偏中等峰态。丘间地物质粗于沙丘沙,平均粒径为1.409 Φ,分选较好,正偏窄峰态。从频率曲线来看,沙丘沙为单峰,丘间地多为双峰或三峰。在典型横向沙山剖面上,自迎风坡坡脚至沙丘顶部平均粒径变细而分选性变好,最粗的沙粒出现在靠近迎风坡坡脚的丘间地,而最细和分选最好的沙粒出现在紧邻沙丘顶部的背风坡。尽管横向沙山与新月形沙丘和沙丘链的尺度不同,但二者同属横向沙丘系统,具有相似的沙丘动力机制,因而粒度参数之间关系的表现趋同。从区域上来看,在平行于主导风向的3条NW—SE向断面上,沙漠中北部高大沙山之间低矮“通道”上的沙粒平均粒径存在微弱的变细趋势,而高大沙山区则不存在明显的变化规律;在平行于雅布赖山的3条SW—NE向断面上,粒度参数沿断面方向无明显的变化规律,但断面越靠近雅布赖山平均粒径越粗。一般认为巴丹吉林沙漠是中国重要的沙尘源区之一,然而粒度分析结果表明,沙漠中北部几乎不含粉沙黏土（<0.0625 mm）组分,而东南部的横向沙山区含量则相对较高,这就需要进一步推断巴丹吉林沙漠具体的沙尘源区和沙尘释放过程。以上变化规律说明,除了物源和主导风向等宏观因素外,引起局地气流改变进而影响沙粒跃移过程的地形起伏、植被覆盖等微观因素也对沙粒分选过程起着重要的控制作用;宏观和微观因素共同作用,最终形成的粒度参数规律性在沙丘尺度上要好于区域尺度上。该粒度分析结果,对于分析巴丹吉林沙漠沙物质来源和形成演变过程、反演高大沙山形成机理、估算地表沙尘释放量等均具有重要参考意义。     

敦煌月牙泉景区沙丘粒度特征

对月牙泉外围沙山表面沉积物进行系统采样,结合区域风况,分析了沙山典型部位的粒度分布及其参数特征。月牙泉北侧金字塔沙丘沙粒较粗,分选性较差,正偏趋势显著;月牙泉南侧线形沙丘以细沙为主,分选性较好,分布属正偏态。北侧金字塔沙丘从西南和西北两个坡面到东侧坡面,粗颗粒减少、分选性变好,但趋势不明显,说明金字塔沙丘未发生明显移动;而南侧线形沙丘自南侧坡面向北侧坡面沙粒粒径变小、分选变好,较细的沙粒被搬运并沉积北侧坡面,搬运作用十分明显,即线形沙丘向月牙泉方向发生明显移动。通过粒度分析风沙动力环境表明,月牙泉风沙危害主要来自南侧沙山北移。     

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。     

巴丹吉林沙漠沙山发育与环境演变研究

通过对巴丹吉林沙漠风沙地貌、沙山地层结构、古沙山层理构造、沙山TL测年和区域输沙率等的综合研究表明,巴丹吉林地区自西北而东南大致可划分为河湖为主的弱水冲洪积扇、以河湖与风沙交替作用过度区和以风沙作用为主沙丘区。弱水冲洪积扇的发育为沙漠、沙山的发育提供了丰富的沙物质来源。高大沙山是更新世期间起伏的沙质下垫面与西风环流和季风环流相互作用的结果。末次冰期以前为西风环流为主时期,地表主导风向为西风,次为西北风,河湖环境发育;末次冰期以来为东亚季风环流为主时期,地表盛行风向为西北风,次为西风,风沙活动盛行。期间,风积床面经历了新月形、新月形沙丘链、复合新月形、复合沙丘链到复合型高大沙山的一系列复合、演变与发展过程。     

巴丹吉林沙漠沙丘形态与风动力关系的初步研究

通过气象资料分析、遥感解译、野外地貌调查、沙丘形态测量和沙丘表沙粒度沉积学分析,对巴丹吉林沙漠不同沙丘的形态特征及其动力机制进行了系统研究。研究结果显示,巴丹吉林沙漠近40 a来的输沙势有高频变率、多向变化的特点,并在沙漠东南缘更为显著。宏观尺度上,在特征输沙场作用下,绝大部分沙山的走向很规则,且在沙丘形态上既表现出横向沙丘的部分特征,也有高大沙山独有的特点。不同走向沙丘的表沙粒度沉积学对比分析表明,表沙的平均粒径和分选系数与规则走向沙山的沙丘形态具有较好的相关性,这种相关性与沙漠东南缘的气流场总体对应。不规则走向沙山的表沙粒度分布特征较为复杂,可能是沙丘发育过程中受下伏地形起伏影响,其形态反作用局部气流场所致。沙山尾部和丘间带表沙常有多峰态的粒度分布特征,各峰指示了不同的风沙运移方式。     

金字塔沙丘形成的动力条件分析

金字塔沙丘(或星状沙丘)形成的动力条件主要有三个方面:一是在非沙质床面的气流场辐合区,一般具有三个以上近似均布的主风向,各主风向的风力强度、出现频率及持续时间不尽相同,但年总输沙能力较为接近,而且月输沙能力具有明显的季节变化;二是不太充裕的沙源和高浓度不饱和风沙流;三是不同尺度地形条件的动力作用,和沙漠与戈壁下垫面的热力影响。在沙质床面,往往由于高浓度饱和或过饱和风沙流的作用,导致新月形沙丘或新月形沙丘链的变态,或重新组合成金字塔状的沙丘形态,但不可能发育为典型的金字塔沙丘。     

Geomorphological hierarchies for complex mega-dunes and their implications for mega-dune evolution in the Badain Jaran Desert

The evolution of mega-dunes is sometimes attributed to factors other than the wind but evidence for this is lacking. It is assumed that the dominance of wind in maintaining the evolution of mega-dunes should be characterized by regular height–spacing relationships that have been found for simple dunes or wind ripples which are dominantly formed by the wind. In this context, we studied the height–spacing relationship for the complex reversing mega-dunes in the Badain Jaran Desert, which features the tallest mega-dunes in the world. The complex mega-dunes were divided into three hierarchical orders according to the cumulative probability plots of dune height and spacing measurements, and the coefficients of variability of dune heights and spacings were in accordance with values reported for other deserts. The relationship between dune spacing and height for all the three orders of dunes could be expressed reasonably well by a uniform linear function that was also applied to the height–wavelength relationship for wind ripples in other deserts. This relationship was found to be similar to those for several other deserts and subaqueous bedforms. This implies that there should be few unique factors in maintaining the evolution of complex mega-dunes in the Badain Jaran Desert compared with the superimposed simple dunes and dunes in other deserts, dune fields and subaqueous bedforms, and that the tallest mega-dunes on the earth can be maintained by the wind.     

敦煌鸣沙山-月牙泉近地表风沙输移路径及强度

利用鸣沙山-月牙泉景区多点同步风况和输沙通量资料,探讨了近地表流场特征、风沙活动强度及输移路径;基于1985和2009年两期遥感影像,揭示高大沙山动态变化及其对月牙泉的影响。月牙泉主要受南北沙山夹击,尤其是北沙山南移更为突出,直接威胁月牙泉存在。近年来,受地形、周边建筑物和外围树木的影响,月牙泉景区近地表流场改变,导致区域输沙动态平衡破坏。因此,月牙泉风沙防治应从恢复近地表风沙流场角度考虑,遵循风沙动态平衡原则,打通月牙泉景区东风通道,恢复均衡环流结构,这是维系高大沙山与月牙泉共存的关键。     

民勤绿洲边缘带灌丛沙丘防风作用研究

对民勤天然绿洲边缘带的固定、半固定及半流动风速灌丛沙丘实地观测表明,气流通过单个固定灌丛沙丘时,近地面平均风速降低4.4%,在965 m观测样线内降低57%,且风是连续降低的,愈靠近内侧降低得愈多,到绿洲内部农田边缘处时,平均风速仅有对照点的21%。深入了解灌丛沙丘对绿洲的防护机理,对于合理保护和恢复绿洲边缘带灌丛沙丘,避免绿洲遭受风沙侵袭具有重要意义。     

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。     

影响生物土壤结皮在沙丘不同地貌部位分布的风因子讨论

 生物土壤结皮广泛分布于干旱和半干旱区,它的形成和发育对荒漠生态系统修复过程产生重要的影响。采用野外观测的方法,测定了固定沙丘纵断面表面气流和生物土壤结皮的发育特征。结果发现,近地表气流在迎风坡坡脚部位最低,丘顶最高,从坡脚到丘顶呈增加的趋势。近地表气流在背风坡中上部急剧下降,中下部位有所增加,到坡脚部位又呈减少的趋势,但后者均远低于丘顶的风速。各观测点不同高度风速放大率不尽相同。生物土壤结皮发育特征的测定结果显示,其厚度、抗剪强度和细颗粒物含量均从沙丘底部向中上部呈减少的趋势,表现出风速较高区域生物土壤结皮的发育程度较低,风速较低区域生物土壤结皮的发育程度较高的特点,说明生物土壤结皮在沙丘不同地貌部位的分布与由地形差异导致的气流变化之间具有密切的关系。     

塔克拉玛干沙漠沙垄区公路防护带内风场特征研究

塔克拉玛干沙漠公路是世界上穿越流沙区最长的公路,公路两侧防沙治沙工程体系是公路正常运行的关键因素。以塔克拉玛干沙漠沙垄区的公路防护林带为研究对象,结合野外地形测量、防护工程调查以及风沙数据观测,分析沙垄不同地貌部位防护林带内气流特征,揭示防护林带内风场变化规律,探讨不同地貌部位防护林带的防护效果。主要结论是:①垂直于公路的防护林带断面风场存在3个区(防护林带前部风速迅速降低区、防护林带中部风速低值区、防护林带工程后部风速恢复区),气流穿过公路路面时风速呈增大趋势,利于公路防护;②现有防护林带具有较好的防护效果,相对于防护林带上风向流沙区的风速,防护林带中部风速降低幅度在80%以上,多数断面在林带前缘10H后（H为植株平均高度）风速降低至最小;③沙垄不同地貌部位的工程防护效益存在显著差异,迎风坡底部防护效果最好,迎风坡中部防护最差。其研究结果可为塔克拉玛干沙漠公路防沙治沙工程体系优化提供科学依据。     

Threshold wind velocity in the lee of two-dimensional transverse dunes

Secondary flow plays an important role in the development of dunes. To investigate this phenomenon, we simulated models of transverse dunes with different stoss slopes in a wind tunnel. We measured the threshold wind velocity at different locations in the lee of the dunes, and observed the corresponding particle movement characteristics under threshold conditions to assess the sedi-mentological significance of secondary airflow. Threshold wind velocity changed with both horizontal distance and stoss slope. Its variation with horizontal distance is characterized by a region in which a rapid reduction occurs, a region with a minimum value, and a region with high value. We confirmed the presence of reversal cells, irrespective of the stoss slope. Neither the variation in threshold wind velocity nor the variation in reattachment distance as a function of stoss slope followed a monotonic function. The 15° stoss slope had the greatest threshold wind velocity and reattachment distance.     

塔克拉玛干沙漠简单线形沙丘形态动力学过程研究

采样分析、风沙观测以及计算结果表明,在不同风向作用以及沙丘形态参数改变等因素的控制下,简单线形沙丘表面起动剪切速度有明显的差异。表面的气流强度随风向的改变而有所不同。气流与沙丘正交时迎风一侧的输沙率远大于背风一侧同地貌部位的输沙率,但当气流与沙丘走向斜交时,沙丘两侧同地貌部位的输沙率差异不是太大,这是线形沙丘在动力学过程中能保持其形态的最主要原因之一。风向的多变以及沙丘形态的变化使风沙流内边界层内随高度的风速与所观测的输沙率虽也表现为幂函数关系,但相关性较低。沙丘表面被输移的沙物质的粒度分布与下垫面物质组成有一定的差异,在中低强度的起沙风范围内,被输移的沙物质的平均粒径小于下垫面沙物质的平均粒径,且随风速或输沙率的增大,粒度组成也趋于统一。总体上,地表沙物质的输移仍是一随机过程。