近日，西安交通大学能动学院流体机械及工程系张洋课题组联合英国伦敦国王学院团队，设计并建立了高分辨率实地同步测量系统，通过自主研发的图像处理算法，首次在自然大气边界层条件下量化了沙蛇的关键几何尺度与近地表湍流风场之间的定量耦合关系。研究成果发表在《地球物理研究快报》上。

荒漠化是当前全球性生态环境热点问题。我国作为受荒漠化影响严重的国家之一，植被恢复虽已初步遏制沙化土地扩张，但在广袤的沙戈荒地区，风沙运动的微观机理仍存在诸多未知，使得传统防沙工程的设计与效能评估缺少精细的微观机理支撑。尤其是在近床面区域，输沙过程呈现出神奇的自组织特性：气流并没有均匀地驱动沙粒运动，而是将它们组织成一条条蜿蜒行进的狭长“沙蛇”。这些特异性结构宽仅十几厘米，长度可达数米，是地表风沙运动的基本形式，其时空特征直接影响沙尘暴的物质输运总量。然而，沙蛇如何形成、其几何形态随风速驱动如何变化，长期以来缺乏精确的定量测量及机理研究。

沙蛇的实地采集与图像识别。西安交通大学供图

研究团队发现三个关键现象：沙蛇总是优先出现在高风速的湍流“走廊”中，且输沙浓度与风速呈正相关，证明它们是大尺度大气相干结构（coherent structure）映射于床面的视觉足迹；无论风速和湍动能如何变化，沙蛇的宽度始终稳定在15厘米左右，呈现出惊人的稳定性；沙蛇之间的横向距离会随风速的增大而增加，这一现象此前从未得到定量报道。

为此，研究进一步分析了近床面的湍流结构谱，并基于壁湍流“自上而下调制”的理论框架给出统一的物理解释：沙蛇宽度不随风速改变，可归因于大尺度相干结构作用于近床面区域的能量足迹本身的尺度稳定性；而沙蛇间距随风速增大，则源于驱动涡旋的横向扩张以及流场对沙蛇空间数密度的自适应调整机制。

该研究揭示了大气湍流与地表沙粒间的复杂耦合规律，为完善壁湍流条件下的风沙通量预测模型提供了新的理论依据，从而助力沙漠光伏电站等人类工程设施的合理规划与布局。

相关论文信息：https://doi.org/10.1029/2025GL121555Digital Object Identifier