近日，我校地理科学与旅游学院董治宝教授团队的论文“Direct validation of dune instability theory”在国际顶尖期刊PNAS上发表，是继团队2014年Nature Geoscience（2014, DOI:10.1038/ngeo2047）和2017年Nature Communications（2017, DOI: 10.1038/ncomms14239）论文之后的又一篇高水平论文。

论文第一作者及通讯作者吕萍教授为陕西省创新长期项目入选者，为地理科学与旅游学院风沙物理过程创新团队学术带头人，近年来在风沙物理过程方面作出了突出贡献，对地理科学与旅游学院的学科建设、团队建设作出了卓越贡献，发挥了高层次人才的示范领军作用。吕萍教授主持和完成了国家自然科学基金委面上项目4项、中国科学院“西部之光”人才项目1项，参与国家自然科学基金委项目多项，发表学术论文60余篇，包括以第一作者发表在Nature Geoscience、Nature Communications的期刊论文。

沙丘是风力作用下沙粒的堆积体，是沙漠或沙地的主要风沙地貌类型，也是火星表面最广泛和最活跃的地貌过程，其形成演变过程是一种多时空尺度非线性系统。最初的沙表面受到扰动，形成具有不同波长大小的微地形起伏，随时间演变，沙丘之间发生碰撞、合并、分离、重新排列等物理过程，最终发育演变成具有不同格局、不同规模大小的高大成熟沙丘。由于沙丘形成演变的时间和空间尺度问题不可克服，导致数值模拟的沙丘时空尺度不能代表野外沙丘发育的真实时空尺度，模拟结果虽然能达到近乎完美的“形似”，却不能精确分析风沙地貌格局参数的时空变化规律，成为限制风沙地貌学发展的瓶颈问题。

为了解决此问题，考虑到沙丘地貌的实验室模拟研究所能发挥的作用十分有限，团队成员于2014年在腾格里沙漠建立了沙丘地貌野外实验场，推平200 m×200 m的沙丘地，用3D激光扫描仪监测沙丘从无到有的形态演化过程。通过数值模拟分析3年多的高精度地形测量序列，研究发现：沙丘的时空尺度是由其顶部沙通量变化所控制，即尺度选择机制。对于小沙丘，顶部是侵蚀带，导致其很快消失。在某个尺度以上，沙丘顶部形成沉积带，沙丘不稳定，高度增大。较大沙丘增长非常缓慢，中等大小规模的沙丘不稳定性最强，增长最快。数值分析结果为波长为15m的沙丘增长最快，是试验区最先发育的沙丘，此过程约需要6个月时间，这一结论与描述沙丘发育的不稳定性理论推演出的结果高度一致。

此研究成果实现了理论物理和自然地理学之间的融合研究，为多个科学领域的交叉研究提供了新的思路。事实上，在许多自然系统中，特别在流体塑造行星景观的系统中都存在着尺度选择机制。这项研究表明，野外观测与物理理论模型相结合，可以对行星景观的形成演变动力学过程做出很好的解释和预测。

论文链接：https://www.pnas.org/content/118/17/e2024105118