库布齐沙漠西缘格状沙丘动态特征及其成因

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00172

摘要/Abstract

摘要：

利用高分辨率影像，分析了库布齐沙漠西缘地区格状沙丘及沙丘场的迁移与形态变化，并结合区域气象数据探讨其动力机制及演变过程。结果表明：2003—2012年格状沙丘的主梁由顺直变为向东凸出，部分位置出现断裂形成缺口，同时主梁局部弯曲较大与相邻副梁相连形成“长沙脊”；2012—2020年，主梁变形幅度减小，部分位置变为顺直，但沙丘表面出现了新的小型副梁。迁移速率上，主梁从2003—2012年的4.66 m·a^-1下降到2012—2020年的3.74 m·a^-1，而副梁从2003—2012年的5.00 m·a^-1上升到2012—2020年的5.70 m·a^-1。2003—2012年副梁整体向东延伸， 2012—2020年副梁向东延伸的同时向南摆动。这种形态变化和迁移特征的原因主要在于区域风况的变化，即2003—2020年研究区风况逐渐由西风为主的单一风况过渡到北风、西风和西南风共存的多风向风况。次风向的增强使得沙丘的发育模式由横向沙丘转为主副梁共同发育，这使得主梁迎风坡发育新的小型副梁，副梁的出现改变沙丘迎风坡的气流结构，进而改变主梁的形态。从1970年至今，库布齐沙漠西缘格状沙丘迁移与形态变化主要原因在于风况的转变，即区域风况由中风能-钝双峰型（1970—1979年）变为低风能-锐双峰型或低风能-宽单峰型（1980—2009年），再变为中风能-锐双峰型（2010—2020年）。风况的变化改变了格状沙丘的发育模式，进而影响其迁移和形变特征，这说明格状沙丘主副梁的发育需要多风向作用来维持，区域风况是格状沙丘形变的主要因素。

关键词: 格状沙丘, 库布齐沙漠, 沙丘形态参数

Abstract:

Based on high-resolution images of the western fringe of the Hobq Desert， the migration and morphological changes of the reticulate dunes and dune fields in the region were analyzed， and their dynamic mechanism and evolutionary process were explored in combination with regional meteorological data. The study showed that from 2003 to 2012， the primary ridges of the reticulate dunes rose straight eastward， and some parts of them fractured to form gaps. At the same time， the primary ridges were locally curved and connected to adjacent secondary ridges to form a "long sand ridge". From 2012 to 2020， the primary ridges deformation decreased with some positions becoming straight， but new small secondary ridges appeared on the surface. In terms of migration rate， the primary ridges decreased from 4.66 m·a^-1 between 2003-2012 to 3.74 m·a^-1 between 2012-2020， and the secondary ridges increased from 5 m·a^-1 between 2003-2012 to 5.70 m·a^-1 between 2012-2020. In addition， from 2003 to 2012， the secondary ridges extended eastward as a whole， and during 2012-2020， the secondary uplift extended eastward and southward. The morphological changes and migration characteristics were mainly affected by regional wind condition changes. That is， the wind regime in the study area gradually transitioned from a single wind regime dominated by westerly winds from 2003 to 2020 to a multi-wind regime with the coexistence of northerly， westerly and southwesterly winds. The enhancement of the secondary wind direction has caused the development pattern of the sand dunes to shift from transverse dunes to the co-development of primary and secondary ridges with new small secondary ridges developing on the stoss slope of the primary ridges. The development of secondary ridges changes the airflow structure of the stoss slope of the sand dunes， thus altering the morphology of the primary ridges. Wind regime changes were the main reason for the migration and morphological changes in the west fringe of the Hobq Desert， that is， the regional wind condition changed from moderate wind energy from 1970 to 1979 with the wind direction concentrating in two or more obtuse angles to low wind energy from 1980 to 2009 with the wind direction concentrating in two or more acute angles or distributing in one wide direction. From 2012 to 2020， the regional wind condition becomes a medium wind energy with the wind direction concentrated in two or more acute angles. Changes in wind conditions altered development mode of the reticulate dunes， which in turn affect their migration and deformation characteristics， indicating that the development of the reticulate dunes requires the maintenance of multiple wind directions. The regional condition are the main factors in the formation of the reticulate dunes.

Key words: reticulate dune, the Hobq Desert, dune morphology parameter

中图分类号:

P931.3

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.

Chao Guan, Zifeng Wu, Hasi Eerdun. Dynamic characteristics and genesis of reticulate dunes on the western fringe of the Hobq Desert[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(2): 239-253.

图/表 14

图1 研究区位置（A）及临河1957—2020年降水量、风速和气温月平均变化（B）、1970—2020年合成输沙势玫瑰图（C）

Fig.1 The location of the study area （A）； the monthly average changes in precipitation， wind speed and temperature in Linhe from 1957 to 2020 （B）； the rose diagram of resultant drift potential in Linhe from 1970 to 2020 （C）

图2 格状沙丘链（A、C）、单体格状沙丘和沙丘链混合（B）以及格状沙丘场（D）

Fig.2 The reticulate dune chains （A， C）， single reticulate dunes and dune chain mixtures （B）， and reticulate dune fields （D）

表1 格状沙丘影像信息

Table 1 The image information of the reticulate dunes

名称（中心坐标）	影像时间	数据来源	分辨率/m
格状沙丘A（40°35′40″N，107°32′50″E）	2003-08-15	Google Earth历史影像下载	0.54
	2012-10-19	GeoEye-01(Image ID: 105041000035BA00)	0.50
	2020-02-10	WorldView-2(Image ID: 10300100A2BA0800)	0.55
格状沙丘B（40°36′37″N，107°28′30″E）	2003-08-15	Google Earth历史影像下载	0.54
	2012-10-19	GeoEye-01(Image ID: 105041000035BA00)	0.50
	2020-02-10	WorldView-2(Image ID: 10300100A2BA0800)	0.55
格状沙丘C（40°36′02″N，107°28′45″E）	2003-08-15	Google Earth历史影像下载	0.54
	2012-10-19	GeoEye-01(Image ID: 105041000035BA00)	0.50
	2020-02-12	WorldView-2	0.55
库布齐沙漠西缘格状沙丘场（40°35′40″N，107°33′10″E）	1970-12-02	KeyHole	1.91
	2003-08-15	Google Earth历史影像下载	0.54
	2012-10-19	GeoEye-01(Image ID: 105041000035BA00)	0.50
	2020-02-10	WorldView-2(Image ID: 10300100A2BA0800)	0.55

表2 风向变率与对应的风况类型

Table 2 Wind direction variable rate and corresponding wind condition types

风向变率RDP/DP	类型	风况
<0.3	高变率(低比率)	高变率一般对应于复杂或钝双峰型风况，且变率越接近0，风向越复杂（复杂风况：风向的集中分布方向多于两个，或没有明显的集中方向；钝双峰型风况：风向分布集中在两个方向上，这两个风向的夹角为钝角）
0.3~0.8	中等变率（中等比率）	中等变率对应于钝双峰型或锐双峰型风况（锐双峰型风况：风向分布集中在两个方向上，这两个风向的夹角为锐角或90°角）
>0.8	低变率（高比率）	低变率对应于窄单峰型或宽单峰型风况且变率越接近1，风向越集中于一个方向（窄单峰型风况：90%或以上输沙势分布于两个相近的方向范围之内，即分布于45°夹角范围内；宽单峰型风况：窄单峰型之外的其他单峰型风向分布）

图3 2003—2020年格状沙丘A主副梁矢量化及形态变化

Fig.3 Vectorization and morphological changes of the primary ridges and secondary ridges of reticulate dune A from 2003 to 2020

图4 2003—2012年和2012—2020年格状沙丘A主副梁移动过程

Fig.4 Migration process of the primary ridges and secondary ridges of the reticulate dune A from 2003 to 2012 and 2012 to 2020

图5 2003—2020年格状沙丘B主副梁矢量化及形态变化

Fig.5 Vectorization and morphological changes of the primary ridges and secondary ridges of reticulate dune B from 2003 to 2020

图6 2003—2012年和2012—2020年格状沙丘B主副梁移动过程

Fig.6 Migration process of the primary ridges and secondary ridges of the reticulate dune B from 2003 to 2012 and 2012 to 2020

图7 2003—2020年格状沙丘C主副梁矢量化及形态变化

Fig.7 Vectorization and morphological changes of the primary ridges and secondary ridges of reticulate dune C from 2003 to 2020

图8 2003—2012年和2012—2020年格状沙丘C主副梁移动过程

Fig.8 Migration process of the primary ridges and secondary ridges of the reticulate dune C from 2003 to 2012 and 2012 to 2020

图9 1970—2020年库布齐沙漠西缘格状沙丘场形态变化及矢量化数据注：A~D为1970—2020年影像，E~H为主梁矢量化线，I~L为副梁矢量化线，M为沙丘场边界线，N~P为丘间地矢量化面

Fig.9 Vectorization and morphological changes of the reticulate dune field from 1970 to 2020 in the western fringe of the Hobq Desert. A-D are the images from 1970 to 2020； E-H are the vectorization lines of the primary ridges； I-L are the vectorization lines of the secondary ridges； M is the dune field boundary line； N-P are the inter-dune vectorization surfaces

图10 库布齐沙漠西缘格状沙丘场形态特征变化

Fig.10 Changes on morphological characteristics of the reticulate dune field in the western fringe of the Hobq Desert

图11 2003—2020年临河逐月合成输沙势、合成输沙方向变化图（左）及年合成输沙势玫瑰图（右）

Fig. 11 Linhe's monthly resultant drift potential， resultant drift direction changes （left） and annual resultant drift rose chart （right） from 2003 to 2020

图12 临河1970—2020年输沙势、方向变率变化图（A）及1970—1979年（B）、1980—2009年（C）和2010—2020年（D）输沙势玫瑰图

Fig.12 Changes in resultant drift potential and wind direction variable rate in Linhe from 1970 to 2020 （A）， the rose diagram of resultant drift potential in Linhe from 1970 to 1979 （B）， 1980 to 2009 （C） and 2010 to 2020 （D）

参考文献 28

1	吴正.风沙地貌学［M］.北京：科学出版社，1987.
2	Cooke R U， Goudie A S， Warren A.Desert Geomorphology［M］.London，UK：UCL Press，1993.
3	Ewing R C， Peyret A P B， Kocurek G，et al.Dune field pattern formation and recent transporting winds in the Olympia Undae Dune Field，north polar region of Mars［J］.Journal of Geophysical Research：Planets，2010，15：509-530.
4	Middlebrook W M， Ewing R C， Bridges N T.Three-dimensional and multi-temporal dune-field pattern analysis in the Olympia Undae Dune Field［C］//Lunar and Planetary Science Conference，2015.
5	Middlebrook W， Ewing R C， Ayoub F，et al.Boundary conditions and the aeolian sediment state of the Olympia Undae Dune Field，Mars［C］//International Planetary Dunes Workshop.Fourth Annual International Planetary Dunes Workshop，2015.
6	杨馥宁，吕萍，马芳，等.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.
7	朱震达，陈治平，吴正，等.塔克拉玛干沙漠风沙地貌研究［M］.北京：科学出版社，1981.
8	董治宝，苏志珠，钱广强，等.库姆塔格沙漠风沙地貌［M］.北京：科学出版社，2011.
9	杨旭艳，董治宝，杨勤科，等.基于DEM的地球与火星格状沙丘对比分析［J］.中国沙漠，2021，41（6）：88-89.
10	朱震达.应用实验方法来研究风沙地貌形成过程的若干特征［M］.北京：科学出版社，1962：49-61.
11	周万福.库布齐沙漠的地貌［M］//治沙研究（第四号）.北京：科学出版社，1962：81-93.
12	陈文瑞.腾格里沙漠东南缘格状沙丘的水分状况［M］//治沙研究（第七号）.北京：科学出版社，1965：120-126.
13	Warren A， Kay S.Dune networks［J］.Geological Society of London Special Publications，1987，35（1）：205-212.
14	哈斯，董光荣，王贵勇.腾格里沙漠东南缘格状沙丘的形态-动力学研究［J］.中国科学：D辑，1999，29（5）：466-471.
15	Fryberger S G， Dean G.Dune forms and wind regime［M］//Mckee E D.A Study of Global Sand Seas.Washington，USA：US Geological Survey，1979：137-169.
16	房彦杰，赵景峰，郭永平，等.FRYBERGER输沙势计算方法及其估算值偏差分析：以塔克拉玛干沙漠为例［J］.干旱区地理，2015，38（1）：95-102.
17	肖南，董治宝，南维鸽，等.1957-2014年库布齐沙漠地面风场特征［J］.中国沙漠，2018，38（3）：628-636.
18	哈斯，王贵勇.沙丘背风侧气流的变化特征及其意义［J］.地理科学，2000，20（6）：573-576.
19	Pye K， Tsoar H.Aeolian Sand and Sand Dunes［M］.Berlin，Germany：Springer，2009.
20	Tsoar H.Dynamic processes acting on a longitudinal （seif） sand dune［J］.Sedimentology，1983，30（4）：567-578.
21	Hardisty J， Whitehouse R J S.Evidence for a new sand transport process from experiments on Saharan dunes［J］.Nature，1988，332（6164）：532-534.
22	Lancaster N.Controls of eolian dune size and spacing［J］.Geology，1988，16（11）：972-975.
23	Frank A J， Kocurek G.Airflow up the stoss slope of sand dunes：limitations of current understanding［J］.Geomorphology，1996，17（1/3）：47-54.
24	Walker I J， Nickling W G.Dynamics of secondary airflow and sediment transport over and in the lee of transverse dunes［J］.Progress in Physical Geography，2002，26（1）：47-75.
25	Fenton L K， Michaels T I， Beyer R A.Inverse maximμm gross bedform-normal transport 1：How to determine a dune-constructing wind regime using only imagery［J］.Icarus，2014，230（4）：5-14.
26	Schatz V， Herrmann H J.Flow separation in the lee side of transverse dunes：a nμmerical investigation［J］.Geomorphology，2006，81（1/2）：207-216.
27	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.
28	张正偲，董治宝.黑河流域中游沙漠风能环境与风沙地貌［J］.中国沙漠，2014，34（2）：332-341.

[1]	燕宇, 左合君, 闫敏, 席成, 董佳奇, 牛丽梅. 1986—2020年库布齐沙漠湖泊数量和面积[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 151-161.
[2]	孟庆爽, 左合君, 闫敏, 王海兵, 席成. 库布齐沙漠地表沉积物常量元素与粒度的关系[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 107-117.
[3]	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.
[4]	张云枫, 马义娟, 苏志珠, 梁爱民, 张欣, 崔颖颖. 巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠连接带沙丘移动规律[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 82-91.
[5]	贾晓鹏, 马启民, 龙银平, 王海兵. 以中型蒸渗仪监测的库布齐沙漠人工林土壤蒸发量[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 211-222.
[6]	张小梅, 靳鹤龄, 刘冰. 末次盛冰期以来库布齐沙漠环境变化[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 81-93.
[7]	马启民, 王海兵, 贾晓鹏. 库布齐沙漠人工柠条*（Caragana korshinskii）*林地表辐射特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 43-50.
[8]	林龙圳, 郑佳, 林震. 基于条件价值法（CVM）的库布齐沙漠治理支付意愿及影响因素研究[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 190-200.
[9]	汪克奇, 赵晖, 王兴繁, 杨宏宇, 晁倩. 基于DEM数据的巴丹吉林沙漠沙丘分布规律及其形态参数[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 81-94.
[10]	魏巍, 张稳定, 陈焕盛, 任远哲, 皮冬勤, 吴剑斌, 陈婷婷, 肖林鸿, 罗保刚, 晏平仲. 库布齐沙漠治理对京津冀地区空气质量影响:2017年5月3-6日沙尘天气模拟[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 77-87.
[11]	管超, 哈斯额尔敦, 周炎广, 祁兴芬, 李红悦. 库布齐沙漠南缘风水交互特征及其对抛物线形沙丘发育的影响[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 899-908.
[12]	韩致文, 郭彩贇, 钟帅, 李爱敏. 库布齐沙漠HDPE网和植物纤维网沙障防沙试验效应[J]. 中国沙漠, 2018, 38(4): 681-689.
[13]	肖南, 董治宝, 南维鸽, 崔徐甲, 李超, 肖巍强, 李露露. 1957-2014年库布齐沙漠地面风场特征[J]. 中国沙漠, 2018, 38(3): 628-636.
[14]	肖巍强, 董治宝, 陈颢, 邵天杰, 崔徐甲, 李超, 宋绍鹏, 肖南, 李露露. 生物土壤结皮对库布齐沙漠北缘土壤粒度特征的影响[J]. 中国沙漠, 2017, 37(5): 970-977.
[15]	赵敏敏, 周立华, 陈勇, 顾梦鹤, 郭秀丽, 王睿. 禁牧政策对库布齐沙漠农户土地利用行为的影响[J]. 中国沙漠, 2017, 37(4): 802-810.