沙丘是沙粒在风力作用下的堆积体，沙丘的形成是风和沙相互作用的产物。穹状沙丘和新月形沙丘都是典型的风积地貌类型，穹状沙丘通常被定义为无落沙坡、平面形态呈圆形或椭圆的沙丘，尽管分布面积仅占全球沙漠总面积的0.9%^［1-2］，但分布范围广，沙丘形态多样，既有宽几十米、高仅几米、形态呈圆形的小穹状沙丘，也有高度可达几十米、形态稳定的巨型穹状沙丘^［3］，通常发育于沙漠上风向边缘附近^［4］。新月形沙丘形似新月，沙丘迎风坡平缓、背风坡陡而凹，分布范围也极广。

经典风沙地貌形态动力学理论认为，每种类型沙丘均有其特有的风况特征和发育环境，一般新月形沙丘与单风向风况相联系，线形沙丘多形成于双向风况下，而多风向风况下通常发育星状沙丘^［5-6］。也就是说，每种沙丘类型均有其独特的发育环境，在几乎相同风况下，不同类型沙丘不应该在同一区域共存。然而，随着遥感技术的发展，利用遥感影像结合野外考察，研究者发现新月形沙丘和穹状沙丘不仅能单独发育，也能够在局地共存，这种现象不仅仅在地球上十分普遍，在火星上也同样存在^［5-8］。目前关于新月形沙丘和穹状沙丘的形成研究有很多^{［2，6，9-18］}。穹状沙丘可形成于强单向风、充足的沙源条件下，也可在低风速、双向风下发育，与风在两个主导方向之间的振动频率有关^［2，15］；新月形沙丘多发育于沙源有限的单向风况下^［6，12］。但是这些研究多聚焦于其中某一种类型沙丘的形态特征和形成机制，而对这两种沙丘共存的形态特征和发育环境研究还较少。

本文以柴达木盆地新月形和穹状沙丘共存区域为研究区，详细统计共存区新月形和穹状沙丘沙丘形态特征，依据遥感影像分析两种类型沙丘的移动特征和形态变化，分析共存区的发育环境，最后尝试探究影响新月形和穹状沙丘共存的因素，期望能够加深对穹状沙丘和新月形沙丘形成演化形态动力学过程的理解，同时也能为火星等地外星体沙丘共存地貌形成机制探究提供理论依据。

柴达木盆地位于青藏高原东北部，平均海拔约3 000 m。南邻昆仑山，北接阿尔金山和祁连山。气候极端干旱，年降水量小于30 mm，年潜在蒸发量大于3 000 mm^［19］。受蜿蜒的西风急流控制，主导风向为西北风。研究区一（CDM1， 36°57′16″N，92°29′30″E）位于柴达木盆地西南缘，沙丘位于昆仑山山前冲洪积平原，呈狭长带状延伸，区域新月形和穹状沙丘共存于沙漠边缘区域，周围分布有格状沙丘和新月形沙丘链，简单新月形沙丘和穹状沙丘数量不多，新月形沙丘和穹状沙丘相间分布。研究区二（CDM2， 38°49′56″N，94°42′31″E）位于盆地东北部哈勒腾河流域，是东西长南北短的椭圆形山间封闭盆地，哈勒腾河下游形成宽广的冲积扇平原^［20］。流域西部沙丘类型简单，主要为穹状沙丘和新月形沙丘，二者共存区域多位于干涸河床附近，穹状沙丘多位于新月形沙丘下风向沙漠边缘（图1）。

沙丘形态是风沙塑造的产物，对沙丘形态学进行分析是认识风沙地貌的基础。以往研究多注重单一类型沙丘形态特征^［10］，而对新月形沙丘和穹状沙丘共存区域沙丘形态研究还较少。对共存区域沙丘形态学特征进行统计分析，能够为认识共存区域沙丘特征提供基础。为测量沙丘的形态学参数，首先下载研究区域Google Earth遥感影像的18级影像，像素分辨率为0.5 m，将其导入至ArcGIS10.2软件中，使用矢量化工具对沙丘形态参数进行矢量化，结合空间分析和统计工具，测量各沙丘形态学参数。穹状沙丘测量了沙丘底面积（S_d）、长轴长（L_c）、短轴长（L_d）、长轴走向（D_d）、长短轴之比（L_c /L_d）。新月形沙丘测量沙丘底面积（S_b）、迎风坡水平长度（L_s）、背风坡水平长度（L_l）、宽度（W_b）、高度（H_b）、脊线走向（D_b）、长宽比（L_s /W_b）。沙丘形态参数示意如图2所示。沙丘高度是沙丘规模的反映，在无法获取高分辨率地形数据的情况下，沙丘高度仅能通过测量落沙坡水平长度或沙丘宽度近似估算：

一般沙丘落沙坡坡度28°~34°^［21］，文中取落沙坡坡度α为31°进行计算。

风是沙丘发育的动力因素，风况特征的分析是风沙地貌学中沙丘动力机制研究的基础^［22-24］。ERA5-Land再分析数据是使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）综合预报系统（IFS）的同化和模型预测数据（https：//www.ecmwf.int/），其提供小时尺度10 m高度风的矢量数据，水平分辨率0.1°×0.1°，水平距离约9 km^［25-28］。本研究选取各研究区附近1981—2020年共40年每小时的ERA5-Land再分析数据用于风况特征计算，该数据已被广泛应用于沙丘地貌动力学机制分析和数值模拟中，数据可靠性得到了验证^{［25-26，29-33］}。风况特征分析采用最经典的Fryberger等^［1］提出的分析方法：

式中：DP为输沙势，反映某一方位起沙风在观测时段内搬运输沙的潜在能力，使用矢量单位VU表示；U和U_t 分别为10 m高度起沙风风速和临界起沙风速，本文使用10 m高度临界起沙风速6 m·s^{-1［10，34-35］}；t为起沙风时间，一般为观测时段内所观测的起沙风时间数与总观测时间数的百分比。RDP为各方向输沙势的矢量合成；RDD为合成输沙势方向，代表沙粒的运移方向；RDP/DP是合成输沙势与总输沙势的比值，为起沙风风向变率，代表风向的复杂程度，RDP/DP的值越接近1，代表风向更加单一方向的风沙输送，反之，该值越接近0，代表多风向风况，沙粒运移具有多个显著的输移方向。Fryberger等^［1］依据风向变率的值将风况划分为高变率（RDP/DP<0.3）、中等变率（0.3<RDP/DP<0.8）和低变率（RDP/DP>0.8）。

移动性是流动沙丘最显著的特征，沙丘移动可以反映区域风沙运移和地貌演化过程。本文利用Google Earth提供的历史影像，选取柴达木盆地西南部区域（CDM1）2009年8月30日和2012年12月9日两期影像、东北部区域（CDM2）2014年10月23日和2018年10月12日两期影像，分别分析两处共存区域沙丘移动特征和动态变化。首先选择地表参照物对两期影像进行配准，消除历史影像的偏移。其次对沙丘形态进行目视解译并结合ArcGIS10.2进行矢量化。对沙丘移动特征测量分别选择新月形沙丘落沙坡坡脚点和穹状沙丘背风坡坡脚点作为特征点，测量两期影像间相同沙丘的移动距离和移动方向，沙丘移动速率为沙丘移动距离与间隔时间之比。

柴达木盆地西南部（CDM1）区域，穹状沙丘形态多数呈圆形或近圆形，长短轴之比平均值为1.2；长轴平均长度仅22 m，短轴长度略短，约19 m；沙丘底面积仅300 m²左右，长轴走向为NE53°。新月形沙丘平均高度不足2 m，底面积明显大于穹状沙丘，约为后者的2倍。迎风坡水平长度平均值约15 m，背风坡水平长度约3 m，平均宽度可达33 m，脊线走向和穹状沙丘长轴走向近似，与主风向垂直，长短轴之比平均为0.7，依据Long等^［36］的分类，沙丘形态为矮胖型。柴达木盆地东北部（CDM2）区域，穹状沙丘形态呈近圆形，长短轴之比为1.3，长短轴长度平均值分别为31 m和23 m，长轴走向NE49°，与主风向垂直。新月形沙丘形态也为矮胖型，长短轴之比为0.6，平均高度可达4 m，脊线走向与主风向垂直（表1）。

柴达木盆地新月形沙丘和穹状沙丘共存区穹状沙丘90%的底面积小于1 000 m²，其中底面积200~800 m²占比70%；长轴长度小于35 m的沙丘占比86%，以20~30 m范围居多，占比可达58.4%；短轴长度小于35 m的沙丘占比94%，主要为15~25 m，占比62.4%。新月形沙丘底面积多数小于2 000 m²，其中以底面积600~1 000 m²为最多，占比约30%，其次为底面积200~600 m²和1 000~1 400 m²，分别占比24%和20%。新月形沙丘宽度多数20~70 m，其中以20~50 m最多，占比可达77%。新月形沙丘高度多数小于5 m，且以1~2 m最多，占比约30%（图3）。

总体来看，柴达木盆地共存区域的新月形沙丘和穹状沙丘形态均较小且高度低，呈现圆形或近圆形穹状沙丘与矮胖型新月形沙丘共存。新月形沙丘底面积明显大于穹状沙丘，沙丘宽度略大于穹状沙丘长轴长度，新月形沙丘走向与穹状沙丘长轴走向基本一致。

柴达木盆地西南部（CDM1）区域2009—2012年新月形沙丘移动速率0.5~5.2 m·a^-1，平均为3.1 m·a^-1。穹状沙丘移动速率3.5~8.1 m·a^-1，平均5.4 m·a^-1，穹状沙丘移动速率快于新月形沙丘，这与穹状沙丘形态较小有关（表2）。新月形沙丘移动方向平均值与穹状沙丘几乎相同，约为143°，这也与区域年合成输沙方向139°基本一致，沙丘沿合成输沙方向横向迁移。东北部（CDM2）区域2014—2018年，新月形沙丘移动速率5.5~13.6 m·a^-1，平均为8.0 m·a^-1。穹状沙丘移动速率8.1~15.7 m·a^-1，平均12.4 m·a^-1，沙丘移动强度为快速型和特别快速型，穹状沙丘移动速率也明显大于新月形沙丘。新月形沙丘（167.5°）和穹状沙丘（155.1°）移动方向与区域年合成输沙方向157.7°基本一致，沙丘也沿合成输沙方向横向迁移。

柴达木盆地两处共存区域新月形沙丘和穹状沙丘的移动速率和底面积的关系符合相同的幂函数分布（图4），说明共存区域新月形沙丘和穹状沙丘具有相同的动力机制。对比两处区域沙丘移动速率可以发现，相同底面积条件下柴达木盆地东北部区域沙丘移动速率比西南部区域快，相关研究表明沙丘移动速率与输沙率或输沙量成正比^［4，37］，但两处区域年输沙量DP值几乎相同，造成二者移动速率差异的原因还有待进一步研究。

柴达木盆地西南部和东北部两处新月形沙丘和穹状沙丘共存区域大部分沙丘形态在观测期间保持稳定，形态变化较小（图5~6）。CDM1区域在2009—2012年新月形沙丘和穹状沙丘均呈减小的趋势，新月形沙丘底面积平均缩小约131 m²，周长也平均减小9 m。穹状沙丘底面积平均减小约32 m²，周长也平均减小4 m，部分新月形沙丘退化为穹状沙丘（图5虚线方框黑色箭头示意）。CDM2区域在2014—2018年，新月形沙丘形态基本稳定，未观测到由新月形向穹状沙丘形态变化的现象。但穹状沙丘底面积呈增加趋势，平均增加51 m²，部分穹状沙丘落沙坡发育，形态向新月形沙丘演化（图6虚线方框黑色箭头示意）。

柴达木西南部新月形沙丘和穹状沙丘共存区域（CDM1），年平均风速3.2 m·s^-1，最大风速可达12.8 m·s^-1，年起沙风占全年的4.5%，主风向为N和WNW，两者占全年起沙风的43.3%，输沙强度占比49%，其次为SW，占全年起沙风的26%，输沙强度占比16.8%。年输沙势DP为27.34 VU，RDP和RDD分别为16.66 VU和139°，RDP/DP为0.61，主次风夹角为钝角，强度比为2.9∶1，区域风况特征为低风能环境、中等风向变率、钝双峰风况（图7A）。柴达木东北部新月形沙丘和穹状沙丘共存区域（CDM2）年平均风速2.39 m·s^-1，最大风速12.95 m·s^-1，年起沙风占全年的4.9%，主风向为北风，占全年起沙风的53.7%，输沙强度占比57%，次风向为西风，占全年起沙风的13%，输沙强度占比15.6%。年输沙势DP为25.36 VU，RDP和RDD分别为17.6 VU和157.7°，RDP/DP为0.69，主次风风向垂直，强度比为3.7∶1，区域风况特征为低风能环境、中等风向变率、直角双峰风况（图7B）。

柴达木西南部新月形沙丘和穹状沙丘共存区域（CDM1）输沙强度和输沙方向季节变化明显（图8A），春季为主要风季，为钝双峰风况，主风向为偏北，次风向为西风，输沙方向为东南。夏季风向较单一，主风向为偏北，输沙方向为南。秋冬季节风向逐渐转为西南，北向风逐渐减弱，秋季主风向为西南，次风向为北，输沙方向为东，冬季北风消失，输沙方向偏东北，季节输沙存在78°的方向变化（61°~139°）。柴达木盆地东北部新月形沙丘和穹状沙丘共存区域（CDM2）输沙强度和输沙方向也随季节变化（图8B），春季主风向为北，次风向为西，输沙方向为东南；夏季西风减弱，风况转为单一的北风，输沙方向为南；秋季西风强度增加，但主风向仍然为北，风况转变为近乎垂直的不对称双峰风况；冬季北风消失，主风向转为单一西风，输沙方向转为向东输沙，季节输沙存在95.1°的方向变化（82.9°~178°）。

新月形沙丘和穹状沙丘共存区域风况的季节特征明显，柴达木盆地两处共存区域主风向或输沙方向均存在明显的季节变化，输沙方向存在78°~95°的季节变化，主风向或输沙方向的季节变化为新月形沙丘和穹状沙丘的共存和沙丘形态的改造提供动力。

穹状沙丘和新月形沙丘都是典型的风积地貌类型，穹状沙丘通常发育于沙漠上风向边缘附近^［37］，发育风况较为复杂，在单向、双向或无主导风向区域均能发育^{［2，15，38］}，而新月形沙丘通常发育于单一风况区域。由此来看，二者似乎共同的风况特征为单向风。但对柴达木盆地两处新月形沙丘和穹状沙丘共存区域风况分析发现，柴达木西南部共存区域风况为低风能环境、中等风向变率、钝双峰风况，主次风夹角为钝角，强度比为2.9∶1，而东北部共存区域为低风能环境、中等风向变率、直角双峰风况，主次风风向垂直，强度比为3.7∶1。也就是说新月形沙丘和穹状沙丘也可以在双向风况下共存，但具有明显的主风向，主次风强度差异较大。从输沙玫瑰各方向风所占比例来看，两处区域均具有明显的主导风向，主风向控制新月形沙丘的形成。同时共存区域风向变率主要为中等风向变率，也就是说风向存在一定的季节变化，风向的季节变化能够为新月形沙丘形态的改造提供风动力，在次风向风作用时，主风向新月形沙丘的落沙坡被侵蚀填充，落沙坡退化，形态逐渐向穹状沙丘转变。Gao等^［11］通过数值模拟研究新月形沙丘和穹状沙丘的动力学过程，使用输沙量标准差（S_d）作为指标，研究结果表明，当S_d接近40°时，此时风向变率RDP/DP接近0.8，存在新月形向穹状沙丘的过渡。对于窄单峰风况，S_d <30°（RDP/DP>0.8）时，通常发育脊线垂直于合成输沙方向的新月形沙丘，在S_d为30°~50°（约0.6<RDP/DP<0.8）时，新月形沙丘逐渐转变为穹状沙丘，落沙坡逐渐退缩。S_d>30°（RDP/DP<0.6）时，沙丘发育的稳定形态为圆形或椭圆形穹状沙丘。本研究区域RDP/DP分别为0.61和0.69，与模型预测结果基本一致，此时新月形沙丘和穹状沙丘可以共存，沙丘形态不稳定。对比两处共存区域沙丘形态的变化发现，柴达木盆地西南部区域（CDM1），存在新月形沙丘向穹状沙丘演化的过程（图5），其形成与风向变化后新月形沙丘沉积物损失有关，风向调整后，先前风形成的新月形沙丘的翼角在新的风向作用下可能会迅速侵蚀^［11］。柴达木盆地东北部区域（CDM2）穹状沙丘形态变化以穹状向新月形演化为主（图6），未观测到类似柴达木西南区域的新月形沙丘向穹状沙丘演化的现象，可能与柴达木东北部区域风向变率和主次风夹角较小有关，同时主次风强度比也明显大于柴达木西南部区域。

对于自由沙丘，沙源丰富度也是影响沙丘发育的重要因素，沙源供应越不充分，沙丘形态越简单。以往研究认为新月形沙丘多发育于沙源供应不足的区域^{［6，12，39］}，新月形沙丘和穹状沙丘共存区域也同样如此。从柴达木盆地新月形沙丘和穹状沙丘共存的分布来看，柴达木盆地西南部共存区域分布于沙漠边缘，东北部共存区域分布于河流冲洪积扇干涸河床，这些区域的共同特点是沙源供应不充分。从新月形沙丘和穹状沙丘形态来看，区域沙丘形态小且沙丘形态简单，高度也较低，无复合或复杂型沙丘发育。除此之外，从共存区域的分布上还发现这种共存现象主要分布于沙漠边缘，同时还与河流伴生，沙粒的水分含量或下伏地形是否也对二者的共存产生影响还需要后续通过实地调查采样进一步研究。

穹状沙丘被认为是最小尺度的沙丘类型，Parteli等^［40］认为穹状沙丘小于新月形沙丘的临界尺寸，由此无法发育落沙坡和翼角。从柴达木盆地两处共存区域沙丘形态特征来看，区域新月形沙丘高度仅几米，穹状沙丘短轴长度也仅几十米，也就是说沙丘形态较小。由于沙丘形态较小，沙丘对风向变化敏感，能够快速响应风向的变化^［17］。沙丘底面积也能间接反映沙丘的尺度，通常沙丘底面积与沙丘体积或高度存在明显的正相关关系，沙丘体积随沙丘底面积的增加而线性增加^［10］。总体来看，柴达木盆地两处共存区域穹状沙丘底面积明显小于新月形沙丘，但二者底面积分布并未呈现明显的分离，还存在很大部分的交叉（图9），这可能也表示沙丘形态并未达到稳定形态。随着沙丘底面积的增加，穹状沙丘高度增加，沙丘顶部前移，逐渐演化为新月形沙丘。

柴达木盆地新月形沙丘和穹状沙丘共存于沙漠边缘和河流冲洪积扇区域，沙源供应较少。共存区域新月形沙丘和穹状沙丘形态均较小且高度低，穹状沙丘多数呈圆形或近圆形，新月形沙丘形态呈矮胖型。新月形沙丘底面积平均值明显大于穹状沙丘，但其概率分率存在很大交叉，新月形沙丘走向与穹状沙丘长轴走向基本一致。

同一区域新月形沙丘移动速率小于穹状沙丘，但移动速率和底面积的关系符合相同的幂函数分布，移动方向也均沿合成输沙方向横向迁移，沙丘形态存在由穹状沙丘向新月形沙丘演化和新月形向穹状沙丘转化两种模式。

柴达木盆地共存区域风况特征主要为具有明显主风向和一定强度次风的双向风况，风向变率中等。主风向或输沙方向季节变化明显，输沙方向存在78°~95°的季节变化。主风向或输沙方向的季节变化为新月形和穹状沙丘的共存和沙丘形态的改造提供动力。主风向控制新月形沙丘的形成，在次风向风作用时，主风向形成的新月形沙丘落沙坡被侵蚀填充，落沙坡退化，形态向穹状沙丘转变。同时在强主风向下穹状沙丘随沙丘高度增加，形态向新月形演化。