库姆塔格沙漠北部三垄沙地区砾波纹形态和表面流场

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00005

摘要/Abstract

摘要：

砾波纹是独特的微风沙地貌形态，气流是沙粒起动及输移的直接动力来源，对砾波纹形态塑造至关重要。探讨砾波纹形态如何影响气流结构及气流反过来如何重新塑造波纹形态，有助于揭示砾波纹形态动力学的内在机理和理解横向沙脊的形成发育过程。由于地貌尺度问题和技术手段的限制，目前缺乏砾波纹表面流场结构的精确测量。对三垄沙地区典型砾波纹的形态和表面气流进行了实地测量，分析了砾波纹的形态特征和表面气流结构，初步探讨了气流与地形之间的互馈机制。结果表明：（1）三垄沙地区砾波纹大致平行排列，两侧坡面明显不对称，波长和波高分别为3.37 m和0.18 m，RI值（波长/波高）为18.76。（2）迎风坡面气流速度逐渐增大，湍流强度依次减小，气流方向向西偏转，至波峰处与脊线接近垂直；背风坡风速较低、风向变化大且湍流强度高，气流分离，出现涡流。（3）与较高层（0.22 m）相比，贴近地表处（0.05 m）迎风坡面气流加速更剧烈，向西偏转角度更大。（4）砾波纹波长越大，波峰处风速越大，有助于粗颗粒被搬运至波峰，促进砾波纹发育，形成更大更高的波纹。

关键词: 砾波纹, 形态, 气流结构, 三垄沙

Abstract:

Granule ripples are a type of small aeolian bedform， and airflow serves as the direct source of power for the initiation and transportation of sand particles， playing a crucial role in the morphological development. Owing to the challenges of landform scale and the constraints of available technology， there is currently a lack of accurate measurements regarding the airflow structure on the surface of these dunes. This study conducted field measurements of the morphology and surface airflow of typical granule ripples in the Sanlongsha area， analyzed the morphological characteristics and surface airflow structure， and preliminarily explored the feedback mechanism between airflow and terrain. The results indicate：（1） The granule ripples are generally aligned in parallel， featuring markedly asymmetrical slopes on both sides， with a wavelength and height measuring 3.37 m and 0.18 m， respectively， and a ripple Index （RI， wavelength/height） of 18.76. （2） On the windward slope， the airflow velocity gradually increases， the turbulence intensity decreases sequentially， the airflow direction deflects to the west， and at the crest， it is nearly perpendicular to the crest line； on the leeward slope， the wind speed is lower， the wind direction changes significantly， and the turbulence intensity is high， with airflow separation and the appearance of vortices. （3） Compared to the upper level （0.22 m）， the airflow on the windward slope accelerates more violently and deflects to a greater angle to the west at a closer distance near the ground （0.05 m）. （4） The larger the wavelength， the greater the wind speed at the crest， which helps to transport coarser particles to the crest， promoting the development of granule ripples and the formation of larger and higher ripples. This exploration of how morphology affects airflow structure and how airflow， in turn， reshapes the granule ripple morphology， helps to reveal the intrinsic mechanisms of granule ripple morphological dynamics and understand the formation and development process of transverse ridges on Mars.

Key words: granule ripple, morphology, airflow structure, Sanlongsha

中图分类号:

P931.3

杨转玲, 钱广强, 邢学刚, 董治宝, 郭酉元. 库姆塔格沙漠北部三垄沙地区砾波纹形态和表面流场[J]. 中国沙漠, 2025, 45(2): 225-235.

Zhuanling Yang, Guangqiang Qian, Xuegang Xing, Zhibao Dong, Youyuan Guo. Morphology and surface flow patterns of granule ripples in the Sanlongsha dune field of the northern Kumtagh Sand Sea[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(2): 225-235.

图/表 9

图1 研究区概况（A.哨兵2号卫星影像；B.高分1号卫星影像，五角星和圆分别为戈壁参考点和砾波纹表面风速仪布设位置；C.无人机航拍正射影像，线条为砾波纹表面风速仪布设的剖面线；D.风速仪布设照片）

Fig.1 Location of the study area. A. The Sentinel-2 Satellite image. B. The Gaofen-1 （GF-1） satellite image. Star and circle indicate experiment location of gobi and granule ripples. C. The aerial photograph of granule ripples by unmanned aerial vehicle （UAV）. The line indicates the profile line of experiment area. D. Photos of Anemometer placement

图2 砾波纹表面风速仪布设位置

Fig.2 Granule ripples anemometer positions

表1 砾波纹形态参数统计

Table 1 Statistical results of granule ripple morphological parameters

形态参数	样本量	平均值	标准差	最小值	中位数	最大值
迎风坡下部坡度/(°)	120	6.71	1.77	3.47	6.58	11.56
迎风坡上部坡度/(°)	120	8.71	1.95	5.45	8.63	14.04
背风坡上部坡度/(°)	120	16.19	3.11	10.26	16.09	24.62
背风坡下部坡度/(°)	120	12.22	3.65	7.25	11.31	21.80
脊线长度/m	340	7.93	7.16	0.89	5.55	38.67
弯曲度	340	1.11	0.07	1.00	1.10	1.36
走向/(°)	340	119.56	17.09	56.24	121.01	155.75
波长/m	120	3.37	0.97	1.14	3.40	5.28
波高/m	120	0.18	0.06	0.04	0.18	0.32
RI值	120	18.76	3.19	13.35	18.81	25.93

图3 砾波纹波长与波高之间的关系对比

Fig.3 The relationship between wavelength and height of granule ripples

图4 戈壁参考点T1和T2时段平均风速和风向

Fig.4 T1 and T2 periods average wind speed and direction at the gobi reference points

图5 砾波纹表面不同部位和戈壁参考点T1和T2时段平均风速

Fig.5 T1 and T2 periods average wind speed at different positions of the granule ripple surface and gobi reference point

图6 砾波纹表面不同部位T1和T2时段风向统计（备注：西偏为负值，东偏为正值）

Fig.6 T1 and T2 periods wind direction statistics at different positions of the granule ripple surface. Notes： A deflection to the west is considered negative， while a deflection to the east is positive

图7 砾波纹表面不同部位与戈壁参考点T1和T2时段湍流强度

Fig.7 T1 and T2 periods turbulence intensity changes at different positions of the granule ripple and gobi reference point

图8 砾波纹表面气流结构简图

Fig.8 Schematic diagram of airflow structure over the surface of the granule ripple

参考文献 45

1	Yizhaq H， Katra I， Isenberg O，et al.Evolution of megaripples from a flat bed［J］.Aeolian Research，2012，6：1-12.
2	Qian G， Dong Z， Zhang Z，et al.Granule ripples in the Kumtagh Desert，China：morphology，grain size and influencing factors［J］.Sedimentology，2012，59（6）：1888-1901.
3	Fryberger S G， Hesp P， Hastings K.Aeolian granule ripple deposits，Namibia［J］.Sedimentology，1992，39（2）：319-331.
4	Sharp R P.Wind ripples［J］.Journal of Geology，1963，71：617-636.
5	Bagnold R A.The Physics of Blown Sand and Desert Dunes［M］.London，UK：Methuen，1941：265.
6	Ellwood J M， Evans P D， Wilson I G.Small scale aeolian bedforms［J］.Journal of Sedimentary Petrology，1975，45（2）：554-561.
7	Sakamoto-Arnold C M.Eolian features produced by the December 1977 windstorm，southern San Joaquin Valley，California［J］.The Journal of Geology，1981，89（1）：129-137.
8	杨根生，丛自立.鉴别风力的一种地貌标志：砾浪［J］.新疆环境保护，1984（4）：33-37.
9	Jerolmack D J， Mohrig D， Grotzinger J P，et al.Spatial grain size sorting in eolian ripples and estimation of wind conditions on planetary surfaces：application to Meridiani Planum，Mars［J］.Journal of Geophysical Research：Planets，2006，111：E12S.
10	Isenberg O， Yizhaq H， Tsoar H，et al.Megaripple flattening due to strong winds［J］.Geomorphology，2011，131：69-84.
11	Wang L， Xiao F， Dong Z，et al.Megaripple stripes in the Qaidam Basin，China：morphology，grain size and sedimentary characteristics［J］.Geomorphology，2024，461：109301.
12	董治宝，吕萍，李超，等.火星大沙波纹特征及其形成机制［J］.地球科学进展，2020，35（10）：1006-1015.
13	钱广强，杨转玲，邢学刚，等.砾波纹地表风沙颗粒蠕移特征及其地貌学意义［J］.中国沙漠，2024，44（6）：1-12.
14	Qian G， Yang Z， Xing X，et al.Seasonal morphological evolution and migration of granule ripples in the Sanlongsha Dune Field，northern Kumtagh Sand Sea，China［J］.Geomorphology，2024，444：108951.
15	Yizhaq H， Katra I.Longevity of aeolian megaripples［J］.Earth and Planetary Science Letters，2015，422：28-32.
16	Milana J P.Largest wind ripples on Earth？［J］.Geology，2009，37（4）：343-346.
17	Foroutan M， Steinmetz G， Zimbelman J R，et al.Megaripples at Wau-an-Namus，Libya：a new analog for similar features on Mars［J］.Icarus，2019，319：840-851.
18	Yizhaq H， Isenberg O， Wenkart R，et al.Morphology and dynamics of aeolian mega-ripples in Nahal Kasuy，southern Israel［J］.Israel Journal of Earth Sciences，2009，57（3）：149-165.
19	Gough T R， Hugenholtz C H.Statistical perspectives on the ripple index from a case study of aeolian megaripples［J］.Geomorphology，2024，447：109025.
20	Tholen K， Phtz T， Yizhaq H，et al.Megaripple mechanics：bimodal transport ingrained in bimodal sands［J］.Nature Communications，2022，13（1）：1-11.
21	Qian G， Yang Z， Tian M，et al.From dome dune to barchan dune：airflow structure changes measured with particle image velocimetry in a wind tunnel［J］.Geomorphology，2021，382：107681.
22	Hesp P A， Smyth T A， Nielsen P，et al.Flow deflection over a foredune［J］.Geomorphology，2015，230：64-74.
23	Qian G， Dong Z， Luo W，et al.Airflow patterns upwind of obstacles and their significance for echo dune formation：a field measurement of the effects of the windward slope angle［J］.Science China Earth Sciences，2012，55（4）：545-553.
24	Dong Z， Qinan G， Lu P，et al.Turbulence fields in the lee of two-dimensional transverse dunes simulated in a wind tunnel［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2009，34（2）：204-216.
25	Davidson S G， Hesp P A， Dasilva M，et al.Flow dynamics over a high，steep，erosional coastal dune slope［J］.Geomorphology，2022，402：108111.
26	Zhang Z， Dong Z.Field measurements of crestal flow direction and turbulent flow over two transverse dune ridges［J］.Geomorphology，2021，383：107699.
27	潘凯佳，张正偲，梁爱民.反向沙丘近地层气流变化及其对沙丘形态的影响［J］.中国沙漠，2021，41（2）：1-8.
28	Weaver C M， Wiggs G F S.Field measurements of mean and turbulent airflow over a barchan sand dune［J］.Geomorphology，2011，128：32-41.
29	罗霖炎，高鑫，赵永成.新月形沙丘表面流场特征［J］.中国沙漠，2023，43（4）：41-54.
30	Baddock M C， Wiggs G F， Livingstone I.A field study of mean and turbulent flow characteristics upwind，over and downwind of barchan dunes［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2011，36（11）：1435-1448.
31	钱广强，董治宝，罗万银，等.横向沙丘背风侧气流重附风洞模拟［J］.中国沙漠，2008，28（1）：16-20.
32	Wang P， Zhang J， Huang N.A theoretical model for aeolian polydisperse-sand ripples［J］.Geomorphology，2019，335：28-36.
33	Manukyan E， Prigozhin L.Formation of aeolian ripples and sand sorting［J］.Physical Review E：Statistical，Nonlinear，and Soft Matter Physics，2009，79（3）：31303.
34	Yizhaq H.A simple model of aeolian megaripples［J］.Physica A：Statistical Mechanics and its Applications，2004，338（1/2）：211-217.
35	Yang Z， Qian G， Dong Z，et al.Migration of barchan dunes and factors that influence migration in the Sanlongsha dune field of the northern Kumtagh Sand Sea，China［J］.Geomorphology，2021，378：107615.
36	郭酉元，钱广强，杨转玲，等.库姆塔格沙漠三垄沙地区砾波纹形态、粒度及环境风况［J］.中国沙漠，2024，44（4）：37-45.
37	钱广强，杨转玲，董治宝，等.基于多旋翼无人机倾斜摄影测量的沙丘三维形态研究［J］.中国沙漠，2019，39（1）：18-25.
38	Solazzo D， Sankey J B， Sankey T T，et al.Mapping and measuring aeolian sand dunes with photogrammetry and LiDAR from unmanned aerial vehicles （UAV） and multispectral satellite imagery on the Paria Plateau，AZ，USA［J］.Geomorphology，2018，319：174-185.
39	Sullivan R， Baker M， Newman C，et al.The aeolian environment in Glen Torridon，Gale crater，Mars［J］.Journal of Geophysical Research：Planets，2022，127（8）：e2021JE007174.
40	邹桐，杨转玲，韦锦芝，等.柴达木盆地西南缘新月形沙丘移动特征及其影响因素［J］.中国沙漠，2023，43（1）：212-221.
41	Landry W， Werner B T.Computer simulations of self-organized wind ripple patterns［J］.Physica D：Nonlinear Phenomena，1994，77（1/3）：238-260.
42	Frank A J， Kocurek G.Airflow up the stoss slope of sand dunes：limitations of current understanding［J］.Geomorphology，1996，17：47-54.
43	Smyth T A G， Jackson D， Cooper A.Airflow and aeolian sediment transport patterns within a coastal trough blowout during lateral wind conditions［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2014，39（14）：1847-1854.
44	Bauer B O， Davidson Arnott R G， Walker I J，et al.Wind direction and complex sediment transport response across a beach-dune system［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2012，37（15）：1661-1677.
45	Walker I J， Hesp P A， Davidson-Arnott R G，et al.Responses of three-dimensional flow to variations in the angle of incident wind and profile form of dunes：Greenwich Dunes，Prince Edward Island，Canada［J］.Geomorphology，2009，105：127-138.

[1]	杨奕颖, 苏思霖, 曹恩志, 李红有, 迟洪明, 蔺凯, 吴旭东, 何文强, 杨昊天. 沙漠大型光伏电站对固沙植物表型及生物量分配的影响[J]. 中国沙漠, 2025, 45(1): 162-172.
[2]	梁依茹, 吕萍, 曹敏, 马芳, 夏子书, 余军林, 吴婧妍. 沙粒级配对沙波纹形态影响的风洞实验研究[J]. 中国沙漠, 2025, 45(1): 20-31.
[3]	隋文舒, 陈颢, 肖锋军, 胡光印, 董治宝. 河西走廊流水型遗迹沙丘的辨识特征与形成模式[J]. 中国沙漠, 2025, 45(1): 75-84.
[4]	褚佳琦, 严平, 苏志珠, 袁文杰, 王晓旭, 张潇, 赵华刚. 雅鲁藏布江米林段爬坡沙丘形态演变及移动规律[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 220-230.
[5]	钱广强, 杨转玲, 邢学刚, 董治宝, 潘凯佳, 孟雨萱, 郭酉元. 砾波纹地表风沙颗粒蠕移特征及其地貌学意义[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 287-298.
[6]	郭酉元, 钱广强, 杨转玲, 邢学刚. 库姆塔格沙漠三垄沙地区砾波纹形态、粒度及环境风况[J]. 中国沙漠, 2024, 44(4): 37-45.
[7]	万雨晨, 刘彦平, 吴永胜, 贾鸿飞, 张甜, 高艳红, 杨昊天, 尤万学, 杜军, 贾荣亮. 腾格里沙漠人工固沙植被区藓类植物形态演变特征[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 298-307.
[8]	王录仓, 屈艳琦, 武潼. 城市群空间结构对城市群空间扩张模式与形态的影响[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 63-74.
[9]	韩敏, 高永, 贺明辉, 燕如, 白芳, 杨文源, 李小乐, 袁晓满, 杨娟. 藏锦鸡儿（ *Caragana tibetica* ）灌丛沙堆的形态与沉积物特征[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 185-195.
[10]	管超, 武子丰, 哈斯额尔敦. 库布齐沙漠西缘格状沙丘动态特征及其成因[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 239-253.
[11]	许瑞聪, 董治宝, 南维鸽, 陈国祥, 杨馥宁, 孔玲玲. 柴达木盆地南缘死亡蛛丝蓬（ *Halogeton arachnoideus* ）风影沙丘形态和沉积特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 55-63.
[12]	黄日辉, 张立婷, 冯淼彦, 刘铮瑶, 李健熙, 陈韵琪, 张志浩, 王璟. 广东省东海岛大岭剖面沉积物粒度、微形态特征与沉积环境[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 121-129.
[13]	杨馥宁, 吕萍, 马芳, 曹敏, 肖南, 顾立霞, 杨迎. 腾格里沙漠南部格状沙丘的形态演变及移动特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 107-115.
[14]	翟军团, 陈向向, 李秀, 张山河, 韩晓莉, 李志军. 胡杨（ *Populus euphratica* ）枝叶异速生长关系随发育阶段及冠层高度变化的性别差异[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 116-127.
[15]	邹桐, 杨转玲, 韦锦芝, 廖应英, 邢学刚, 钱广强, 梁晓磊. 柴达木盆地西南缘新月形沙丘移动特征及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 212-221.