PNAS | 蘭州大學(xué)陳發(fā)虎院士團(tuán)隊(duì)解密為何全球巨型沙丘偏愛(ài)山地與盆地？

在地球干旱區(qū)，連綿起伏的沙丘構(gòu)成了獨(dú)特的荒漠景觀。其中，高度超過(guò)100米的“巨型沙丘”更是引人注目。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界對(duì)于何種因素決定了沙丘的終極尺寸爭(zhēng)論不休。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，大氣邊界層厚度、基巖類型或泥沙供應(yīng)量是主要控制因素。然而，這些理論似乎難以完全解釋為何在某些區(qū)域，沙丘能夠“瘋長(zhǎng)”至數(shù)百米之巨，而在鄰近地區(qū)卻相對(duì)低矮。沙丘從微小形態(tài)起步，通過(guò)自組織過(guò)程逐漸生長(zhǎng)，但其突破尺度瓶頸、躍升為“巨人”的幕后推手，始終是未解之謎。

2026年3月3日，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）發(fā)表了由蘭州大學(xué)陳發(fā)虎院士、浙江大學(xué)張德國(guó)、加州大學(xué)洛杉磯分校盛永偉團(tuán)隊(duì)共同通訊完成的研究論文，題為《地形影響巨型沙丘分布與形態(tài)》。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建全球巨型沙丘數(shù)據(jù)庫(kù)并結(jié)合數(shù)值模擬，揭示了地形在巨型沙丘形成中的關(guān)鍵作用。中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院趙暉副研究員為第一作者，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院為第一單位。

研究團(tuán)隊(duì)利用全球數(shù)字高程模型，識(shí)別并建立了包含全球超過(guò)55,000座巨型沙丘（高度>100米）的數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)果顯示，超過(guò)97%的巨型沙丘集中分布在撒哈拉沙漠和亞洲干旱區(qū)。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，沙丘高度與密度的關(guān)系呈現(xiàn)出清晰的模式：隨著沙丘平均高度的增加，單位面積內(nèi)的沙丘數(shù)量顯著減少，表明沙丘的增長(zhǎng)過(guò)程伴隨著數(shù)量的減少，即“粗化”過(guò)程。進(jìn)一步對(duì)沙丘高度分布的概率密度函數(shù)分析顯示，巨型沙丘的高度分布趨于正態(tài)分布，這與較小沙丘遵循的冪律分布形成鮮明對(duì)比，暗示了其背后不同的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

研究發(fā)現(xiàn)，巨型沙丘的分布與山脈和盆地地形密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)量每一座沙丘到最近山脈的距離，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)約77%的巨型沙丘分布在距離山脈150公里以內(nèi)的區(qū)域，且?guī)缀跛谐^(guò)250米的沙丘都位于距山脈100公里范圍內(nèi)。更重要的是，靠近山脈的沙丘不僅更高，其間距也更小，形態(tài)上呈現(xiàn)出更高的高寬比。這一現(xiàn)象在全球多個(gè)沙漠，如巴丹吉林沙漠、魯卜哈利沙漠等地均得到印證，表明山脈作為正地形障礙，顯著改變了局地風(fēng)場(chǎng)與沙通量，促進(jìn)了沙丘的快速生長(zhǎng)。

除了山脈，負(fù)地形——盆地同樣是巨型沙丘的“溫床”。以魯卜哈利沙漠為例，一處深達(dá)78米的洼地僅占全球巨型沙丘區(qū)總面積不到10%，卻孕育了全球近20%的巨型沙丘，以及超過(guò)30%的300米以上超高超大沙丘。在這些盆地內(nèi)部，風(fēng)場(chǎng)在從堅(jiān)硬基底進(jìn)入松軟沙地時(shí)流速降低，引發(fā)沙粒沉降并啟動(dòng)沙丘發(fā)育；而當(dāng)風(fēng)攜帶沙子爬出盆地時(shí)，地形抬升再次加速氣流，增強(qiáng)侵蝕與沙粒再分配，使得沙丘在盆地邊緣也能持續(xù)增高。

為驗(yàn)證地形的作用，研究團(tuán)隊(duì)利用ReSCAL元胞自動(dòng)機(jī)模型，在相同風(fēng)況和沙源供給條件下，分別模擬了平坦地面、山體（正地形）和盆地（負(fù)地形）三種基底上的沙丘演化過(guò)程。結(jié)果顯示，平坦地面上沙丘遷移速度一致，剪切應(yīng)力均勻，沙丘發(fā)育穩(wěn)定但緩慢。而在山體附近，剪切應(yīng)力梯度急劇變化，導(dǎo)致沙丘遷移速度不均，加速了沙丘之間的碰撞與合并，使得沙丘數(shù)量快速減少、高度迅速增加。盆地內(nèi)部則通過(guò)入口處的應(yīng)力下降促進(jìn)沙粒堆積，出口處的應(yīng)力回升與地形阻擋共同作用，進(jìn)一步提高了沙丘的高寬比。

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