巴丹吉林沙漠横向风成床面系统的尺度效应

As a complex system, aeolian bedform occurs on multiple temporal and spatial scales. Aeolian researchers have been puzzled by its formative and dynamical mechanism for a long time. Scale effect is the key to solve this problem. The Badain Jaran desert having the highest dune on Earth is an ideal natural ``laboratory'' to study such a system. The proposed project will select the typical transverse aeolian bedforms in this desert as subject investigated firstly, perform the field measurement and sampling related with geomorphology, wind-blown sand transport, sedimentological structures, chronology etc. secondly, and make theoretical analysis about the dynamical process finally. The aim of this study is to reveal the physical mechanism of the formation and interaction of different aeolian bedform grades, to obtain the quantitative expression of scale effect, and to provide an experimental and theoretical basis for establishing the multi-scale dynamic model of aeolian bedform.

风成床面形态是跨越多个时间和空间尺度的复杂系统，其形成演化过程与动力机制长期困扰着国际风沙学界。弄清尺度效应是解决这一难题的关键。巴丹吉林沙漠广泛分布高大沙山，是风成床面研究的天然实验室。本项目以该沙漠的典型横向风成床面系统为研究对象，利用几何特征测量、形态-动力学观测、沉积结构探测、年代序列重建、动力学理论分析等手段，研究床面失稳、气流变化、波长选择、沉积模式等基本过程，揭示不同等级风成床面形态形成和相互作用的物理机制，给出尺度效应的定量表达，为建立风成床面系统的多尺度动力学模型奠定实验和理论基础。

同时发生在多个时间和空间尺度上风成床面形态是风沙地貌研究的难点问题。本项目以巴丹吉林沙漠横向风成床面为研究对象，重点探讨其形态特征、形态-动力学过程以及演化规律等。研究团队通过四年多的艰苦工作，主要取得以下实质性进展：1)在沙漠边缘地区发现了普遍存在的盐风化现象。利用固体力学理论进行的初步分析表明，岩石表面的盐层热膨胀作用对岩石的破坏作用甚微，裂隙内部的盐分则可能导致岩石内部发生损伤。2)按湖盆成因分类，高大沙丘区内的湖泊属于风蚀湖。沉积物测年数据、近地表气流场特征和地表物质组成均证实，高大沙丘的存在造成丘间地风蚀成湖，而不是现代湖泊维系着高大沙丘的生长发育。3)沙丘高度、间距、波长等几何参数服从正态、对数正态、Weibull等概率统计分布规律，高度、间距、与到沙漠中心的距离两两之间为线性关系。4)系综经验模态完全分解和小波相干是分析风沙流高频观测数据的强大工具。风和沙相对应模态间相互作用的典型时间尺度从十几到数百秒不等。输沙率密度和风速二者趋势项之间符合传统的低阶多项式关系，低阶脉动项之间近似呈现正比例关系，高阶脉动项之间的小波相关系数较小。5)以迎风坡坡脚来流中的输沙率、风速、时间等风沙物理学常用物理量为自变量，建立了二维风成床面系统的动力学模型。在定常情况下，各个尺度的横向风成床面都随时间的二分之一次方生长，移动速度与高度成反比。6)以动力学模型和野外观测为基础，完善了沙丘场斑图年代学研究方法。脊线年代数据显示，巴丹吉林沙漠的现代流动沙丘开始发育于20-75ka以前，年龄在10-75ka的占到75%，在空间上大体呈现从西北到东南逐渐变老的趋势。