PNAS | 兰州大学陈发虎院士团队解密为何全球巨型沙丘偏爱山地与盆地？

在地球干旱区，连绵起伏的沙丘构成了独特的荒漠景观。其中，高度超过100米的“巨型沙丘”更是引人注目。长期以来，科学界对于何种因素决定了沙丘的终极尺寸争论不休。传统观点认为，大气边界层厚度、基岩类型或泥沙供应量是主要控制因素。然而，这些理论似乎难以完全解释为何在某些区域，沙丘能够“疯长”至数百米之巨，而在邻近地区却相对低矮。沙丘从微小形态起步，通过自组织过程逐渐生长，但其突破尺度瓶颈、跃升为“巨人”的幕后推手，始终是未解之谜。

2026年3月3日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了由兰州大学陈发虎院士、浙江大学张德国、加州大学洛杉矶分校盛永伟团队共同通讯完成的研究论文，题为《地形影响巨型沙丘分布与形态》。研究团队通过构建全球巨型沙丘数据库并结合数值模拟，揭示了地形在巨型沙丘形成中的关键作用。中国科学院西北生态环境资源研究院赵晖副研究员为第一作者，中国科学院西北生态环境资源研究院为第一单位。

研究团队利用全球数字高程模型，识别并建立了包含全球超过55,000座巨型沙丘（高度>100米）的数据库。结果显示，超过97%的巨型沙丘集中分布在撒哈拉沙漠和亚洲干旱区。统计分析发现，沙丘高度与密度的关系呈现出清晰的模式：随着沙丘平均高度的增加，单位面积内的沙丘数量显著减少，表明沙丘的增长过程伴随着数量的减少，即“粗化”过程。进一步对沙丘高度分布的概率密度函数分析显示，巨型沙丘的高度分布趋于正态分布，这与较小沙丘遵循的幂律分布形成鲜明对比，暗示了其背后不同的动力学机制。

研究发现，巨型沙丘的分布与山脉和盆地地形密切相关。通过测量每一座沙丘到最近山脉的距离，团队发现约77%的巨型沙丘分布在距离山脉150公里以内的区域，且几乎所有超过250米的沙丘都位于距山脉100公里范围内。更重要的是，靠近山脉的沙丘不仅更高，其间距也更小，形态上呈现出更高的高宽比。这一现象在全球多个沙漠，如巴丹吉林沙漠、鲁卜哈利沙漠等地均得到印证，表明山脉作为正地形障碍，显著改变了局地风场与沙通量，促进了沙丘的快速生长。

除了山脉，负地形——盆地同样是巨型沙丘的“温床”。以鲁卜哈利沙漠为例，一处深达78米的洼地仅占全球巨型沙丘区总面积不到10%，却孕育了全球近20%的巨型沙丘，以及超过30%的300米以上超高超大沙丘。在这些盆地内部，风场在从坚硬基底进入松软沙地时流速降低，引发沙粒沉降并启动沙丘发育；而当风携带沙子爬出盆地时，地形抬升再次加速气流，增强侵蚀与沙粒再分配，使得沙丘在盆地边缘也能持续增高。

为验证地形的作用，研究团队利用ReSCAL元胞自动机模型，在相同风况和沙源供给条件下，分别模拟了平坦地面、山体（正地形）和盆地（负地形）三种基底上的沙丘演化过程。结果显示，平坦地面上沙丘迁移速度一致，剪切应力均匀，沙丘发育稳定但缓慢。而在山体附近，剪切应力梯度急剧变化，导致沙丘迁移速度不均，加速了沙丘之间的碰撞与合并，使得沙丘数量快速减少、高度迅速增加。盆地内部则通过入口处的应力下降促进沙粒堆积，出口处的应力回升与地形阻挡共同作用，进一步提高了沙丘的高宽比。

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