沙丘动力学数值模型时间与空间尺度的确定

Dynamical numerical simulation is an important direction of modern aeolian geomorphology to study dune formation and evolution because this method is not restricted by natural harsh condition and wind tunnel similarity conditions. But the time and length scales are not exactly defined in the current numerical models which results in big differences on dune scales between nature and simulation in spite of perfect shape similarity. Therefore, we can’t exactly analyze and reveal the spatial and temporal variation rules of dune patterns, and the genetic relationship between dunes. In order to solve this problem, we design experimental plots, make regular topographic measurements of the surface undulation, and then define the time and length scales. Through field investigations and numerical simulations, we attempt to analyze the dune evolution process at a regional level. This research will provide helpful scientific insights to study the formation age, evolutional relationship between different dunes and rebuild the evolution history of dunes.

沙丘动力学数值模拟方法是现代风沙地貌学研究的重要发展方向，具有不受野外自然条件和风洞相似条件限制的优势。但是，目前的动力学数值模型没有准确确定模型的时间与空间尺度大小，导致模拟的时空尺度不能代表野外沙丘地貌发育的真实尺度，模拟结果虽然能达到近乎完美的“形似”，却不能精确分析风沙地貌格局参数的时空变化规律，不能准确揭示沙丘之间的发生学联系，成为限制风沙地貌学发展的瓶颈问题。本项目通过野外现场试验与数值模拟相结合的手段，解决两种研究方法的时空尺度匹配问题，实现相互支持印证，旨在风沙地貌动力学方面取得突破性进展。建立野外试验场，监测沙丘形成及其形态演变的动力学过程，依据野外监测资料确定沙丘动力学数值模型的时空尺度。进一步进行数值模拟，分析探讨不同类型沙丘之间的联系及其演变规律；模拟风沙地貌格局形成过程，分析格局参数时空变化规律，为判断区域风沙地貌的形成时代，重建演化历史提供佐证。

沙丘动力学数值模拟方法是现代风沙地貌学研究的重要发展方向，具有不受野外自然条件和风洞相似条件限制的优势。但是，目前的动力学数值模型没有准确确定模型的时间与空间尺度大小，导致模拟的时空尺度不能代表野外沙丘地貌发育的真实尺度，模拟结果虽然能达到近乎完美的“形似”，却不能精确分析风沙地貌格局参数的时空变化规律，不能准确揭示沙丘之间的发生学联系，成为限制风沙地貌学发展的瓶颈问题。本项目主要通过野外现场试验与数值分析相结合的手段，解决两种研究方法的时空尺度匹配问题，实现相互支持印证。建立野外试验场，监测沙丘形成及其形态演变的动力学过程，依据野外监测资料确定沙丘动力学数值模型的时空尺度。进一步分析探讨不同类型沙丘之间的联系及其演变规律以及格局参数时空变化规律。.本项目得到以下主要结果：（1）利用在腾格里沙漠建立的风沙科学野外试验场获取的地形资料，发现沙丘的时空尺度是由其顶部沙通量变化所控制，即尺度选择机制。对于小沙丘，顶部是侵蚀带，导致其很快消失。在某个尺度以上，沙丘顶部形成沉积带，沙丘不稳定，高度增大。较大沙丘增长非常缓慢，中等大小规模的沙丘不稳定性最强，增长最快。事实上，在许多自然系统中，特别在流体塑造行星景观的系统中都存在着尺度选择机制。（2）数值分析结果为波长为15m的沙丘增长最快，是试验区最先发育的沙丘，此过程约需要6个月时间。因此，沙丘数值模型的时间和空间尺度为6个月和15米。具体演化过程为：沙丘从最初的从无到有的大约6个月时间，其发育过程服从线性过程，沙表面形成具有不同波长（即不同间距）大小的微小地形起伏，其中存在着某一波长值（约15m），其相应的地形高度在风动力作用下随时间按照指数增长率增长。随后沙丘之间发生碰撞、合并、分离、重新排列等物理过程，沙丘之间的间距即波长值脱离稳定状态，发生大幅度变化，沙丘发育进入非线性过程。. 本项目所取得的成果当中，有两项成果分别发表在PNAS和Geophysical Research Letters期刊上。