横向风成床面形态波高-波长之比的上限

【作者】 王振亭； 张钱华； 董治宝； 王涛；

【机构】 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化实验室； 兰州大学物理科学与技术学院；

【摘要】 风成床面形态专指由沙粒组成的地表在气流作用下而形成的有规则的重现形态横向则指沙丘基线与主风方向垂直。最小空间尺度的沙波纹波高约0.05cm,波长约0.5cm。最大尺度的巨型沙丘波高大于400m,波长则超过5km。地貌学家们普遍认为不同尺度的风成床面形态遵循着完全不同的形成演化机制。例如,1)沙粒跃移长度控制着沙波纹波长;2)小型沙丘形成初期的几何尺寸由所谓的风沙流饱和长度决定;3)巨型沙丘波高则受大气边界层厚度制约。然而,在没有比例尺的图片中,人们实际上是很难区分沙波纹和沙丘的。对全球沙漠中横向风成床面形态几何参数的统计分析表明,波高和波长之间具有简单的线性关系。一个很容易想到的问题是,不同尺度的风成床面形态是否遵循相同的动力学机制?空气和沙粒在风积地貌塑造过程中扮演着至关重要的角色。当气流与沙粒处于动平衡状态时,床面演化成不同的形态。我们提出"最小作用力"假说如下:给定沙粒和气流特征,床面必将趋近于使空气和床面之间的作用力达到最小值的形态。利用流体力学理论不难得到横向风成床面附近的流场特征,当床面与流线重合时,作用力达到最小值。进一步考虑休止角的作用,就可以确定波高和波长比值的上限。更多还原