PNAS | 蘭州大學陳發虎院士團隊解密為何全球巨型沙丘偏愛山地與盆地？

在地球干旱區，連綿起伏的沙丘構成了獨特的荒漠景觀。其中，高度超過100米的“巨型沙丘”更是引人注目。長期以來，科學界對于何種因素決定了沙丘的終極尺寸爭論不休。傳統觀點認為，大氣邊界層厚度、基巖類型或泥沙供應量是主要控制因素。然而，這些理論似乎難以完全解釋為何在某些區域，沙丘能夠“瘋長”至數百米之巨，而在鄰近地區卻相對低矮。沙丘從微小形態起步，通過自組織過程逐漸生長，但其突破尺度瓶頸、躍升為“巨人”的幕后推手，始終是未解之謎。

2026年3月3日，《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表了由蘭州大學陳發虎院士、浙江大學張德國、加州大學洛杉磯分校盛永偉團隊共同通訊完成的研究論文，題為《地形影響巨型沙丘分布與形態》。研究團隊通過構建全球巨型沙丘數據庫并結合數值模擬，揭示了地形在巨型沙丘形成中的關鍵作用。中國科學院西北生態環境資源研究院趙暉副研究員為第一作者，中國科學院西北生態環境資源研究院為第一單位。

研究團隊利用全球數字高程模型，識別并建立了包含全球超過55,000座巨型沙丘（高度>100米）的數據庫。結果顯示，超過97%的巨型沙丘集中分布在撒哈拉沙漠和亞洲干旱區。統計分析發現，沙丘高度與密度的關系呈現出清晰的模式：隨著沙丘平均高度的增加，單位面積內的沙丘數量顯著減少，表明沙丘的增長過程伴隨著數量的減少，即“粗化”過程。進一步對沙丘高度分布的概率密度函數分析顯示，巨型沙丘的高度分布趨于正態分布，這與較小沙丘遵循的冪律分布形成鮮明對比，暗示了其背后不同的動力學機制。

研究發現，巨型沙丘的分布與山脈和盆地地形密切相關。通過測量每一座沙丘到最近山脈的距離，團隊發現約77%的巨型沙丘分布在距離山脈150公里以內的區域，且幾乎所有超過250米的沙丘都位于距山脈100公里范圍內。更重要的是，靠近山脈的沙丘不僅更高，其間距也更小，形態上呈現出更高的高寬比。這一現象在全球多個沙漠，如巴丹吉林沙漠、魯卜哈利沙漠等地均得到印證，表明山脈作為正地形障礙，顯著改變了局地風場與沙通量，促進了沙丘的快速生長。

除了山脈，負地形——盆地同樣是巨型沙丘的“溫床”。以魯卜哈利沙漠為例，一處深達78米的洼地僅占全球巨型沙丘區總面積不到10%，卻孕育了全球近20%的巨型沙丘，以及超過30%的300米以上超高超大沙丘。在這些盆地內部，風場在從堅硬基底進入松軟沙地時流速降低，引發沙粒沉降并啟動沙丘發育；而當風攜帶沙子爬出盆地時，地形抬升再次加速氣流，增強侵蝕與沙粒再分配，使得沙丘在盆地邊緣也能持續增高。

為驗證地形的作用，研究團隊利用ReSCAL元胞自動機模型，在相同風況和沙源供給條件下，分別模擬了平坦地面、山體（正地形）和盆地（負地形）三種基底上的沙丘演化過程。結果顯示，平坦地面上沙丘遷移速度一致，剪切應力均勻，沙丘發育穩定但緩慢。而在山體附近，剪切應力梯度急劇變化，導致沙丘遷移速度不均，加速了沙丘之間的碰撞與合并，使得沙丘數量快速減少、高度迅速增加。盆地內部則通過入口處的應力下降促進沙粒堆積，出口處的應力回升與地形阻擋共同作用，進一步提高了沙丘的高寬比。

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