地球科学进展

地球科学进展, 2019, 34(10): 1028-1037 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1028

综述与评述

海岸沙地风蚀坑形态—动力学研究进展

张绍云,1, 董玉祥,1,2

1. 中山大学地理科学与规划学院/广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东 广州 510275

2. 中山大学新华学院，广东 广州 510520

Research Progress on Morphodynamics of Coastal Sandy Blowout

Zhang Shaoyun,1, Dong Yuxiang,1,2

1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Urbanization and Geo-simulation, School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

2. Xinhua College of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510520, China

通讯作者: 董玉祥（1964-），男，河南西平人，教授，主要从事海岸风沙地貌和土地退化研究. E-mail：eesdyx@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2019-08-24   修回日期: 2019-09-29   网络出版日期: 2019-11-29

基金资助: 国家自然科学基金项目“中国海岸风蚀地貌的发育与演变”.  41871006

Corresponding authors: Dong Yuxiang (1964), male, Xiping County, Henan Province, Professor. Research areas include coastal aeolian landform and land degradation. E-mail:eesdyx@mail.sysu.edu.cn

Received: 2019-08-24   Revised: 2019-09-29   Online: 2019-11-29

作者简介 About authors

张绍云（1992-），男，云南曲靖人，博士研究生，主要从事海岸风沙地貌研究.E-mail:yunshan0901@foxmail.com

摘要

风蚀坑作为一种沙地负地形一直是风沙地貌学的主要研究对象之一，尤其是国际上对海岸沙地风蚀坑进行了基本形态、发育过程、动力机制的多方位长期研究。基于对海岸沙地风蚀坑研究的系统回顾，概括了海岸沙地风蚀坑在形态发育演化、形态—动力学过程、研究方法等方面的主要进展，并针对海岸沙地风蚀坑研究之不足，提出目前我国海岸沙地风蚀坑研究中应加强在不同类型风蚀坑形态演化机制、形态—物质—动力过程以及数值模拟方面开展深入研究，并重视风蚀坑对海滩—沙丘动态环境系统及前丘治理的影响。

关键词： 海岸沙地风蚀坑 ; 形态 ; 动力学 ; 演化过程

Abstract

As a type of negative topography in sand land, blowout has always been one of the main research object of aeolian geomorphology. Especially, multi-directions and long-term research has been conducted internationally on basic morphology, development process and dynamic mechanism of coastal sandy blowout. Based on the systematic review of research on coastal sandy blowout, the main progress of research on coastal sandy blowout in morphological evolution, morpho-dynamic process, and research methods was summarized. In consideration of the disadvantages of research on coastal sandy blowout, it was proposed that, at present, the research on coastal sandy blowout in China should strengthen the further research on the evolution mechanism, morphology-material-dynamic process and numerical simulation of different types of blowouts, and attach importance to the influence of blowout on the beach-dune dynamic environment and foredune restoration.

Keywords： Coastal sandy blowout ; Morphology ; Dynamics ; Evolution process.

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本文引用格式

张绍云, 董玉祥. 海岸沙地风蚀坑形态—动力学研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(10): 1028-1037 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1028

Zhang Shaoyun, Dong Yuxiang. Research Progress on Morphodynamics of Coastal Sandy Blowout. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(10): 1028-1037 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1028

1 引 言

风蚀坑概念自提出后不断完善[1,2,3]，目前基本认为其是沙质沉积物因风蚀而形成的碟形、杯形、槽形的凹地，风蚀搬运的风成沙堆积于坑后组成不同的地貌形态也属于风蚀坑的一部分[4,5]。风蚀坑形成发育过程中，当气流接近和进入风蚀坑后因地形变化引起流体压力变化，气流速度和方向变化导致输沙过程和蚀积格局的变化，从而又反作用于近地表气流产生风蚀坑的形态—动力反馈效应[6,7,8]，该形态—动力学过程一直是风蚀坑研究的核心和主体内容。总体而言，风蚀坑研究始于20世纪40年代，主要就风蚀坑的形态划分、蚀积格局及其演化等进行了研究[9,10,11,12]，其中对风蚀坑的治理也较为关注[13,14,15]。20世纪末，尤其是从1994年举办第三届国际风沙科学大会(International Conference on Aeolian Research, ICAR)以来，风蚀坑的研究也得到了不断深入，借助现代技术手段对风蚀坑形态—动力学的研究日益得到重视，并在荷兰、西班牙、英国、爱尔兰、丹麦、意大利、美国、加拿大、澳大利亚、新西兰、南非和中国等国家40多个地区开展了一系列海岸和内陆风蚀坑的研究工作，其中海岸风蚀坑研究主要以欧洲、北美洲和大洋洲为主的30多个地区，并就风蚀坑形态[16,17]、气流[18,19,20,21,22,23,24]、蚀积速率[4,16,25,26]和演化过程[17,27,28,29]等进行了大量研究并取得了重要进展。但风蚀坑作为一种内陆干旱半干旱沙质地区和沙质海岸广泛分布的风成地貌形态，限于形成环境、物质基础、动力条件与发育过程的不同，海岸沙地风蚀坑与内陆风蚀坑在形态及动力方面存在一定的差异[5,30,31]，如沿海地区风蚀坑主要受风蚀坑外部沉积物供应的影响，内陆沙质草地风蚀坑的供沙则主要源自风蚀坑本身，二者对风力、形态及沉积物供应（如植被）的响应程度不一[16,28]。就形态而言，虽然沿海与内陆风蚀坑二维形态差异较小，但沿海地区槽形风蚀坑集中发育于海岸前丘之上往往开口较大且侵蚀盆坡度大多在13°~29°[32]，相比而言，主要发育于平坦沙质草地上的内陆风蚀坑形态受植被控制明显往往侵蚀盆相对较平坦且开口较小。尤其是与国外相比，国内对海岸沙地风蚀坑的研究极为薄弱[32]。为此，主要基于国外海岸沙地风蚀坑研究进展，从海岸沙地风蚀坑的形态发育与演化、动力学过程、技术方法等方面进行系统总结，概括研究中存在的不足及未来发展趋势，为我国海岸沙地风蚀坑研究提供科学借鉴。

2 海岸沙地风蚀坑形态的发育与演化

2.1　海岸沙地风蚀坑形态特征

海岸沙地风蚀坑形态类型多样，早期分为碟形和槽形两类[5,9,33]，近期划分为碟形、碗形和槽形风蚀坑3类[18,19,27]（表1）。碟形风蚀坑多发育于地势较开阔的岸前沙丘底部，一般坑较浅、呈半圆形碟形状（长/宽为1.67~2.27），具有短而陡峭的侵蚀内部斜坡和陡坡（长/深为7.69~16.95、宽/深为4.62~7.45），积沙区一般呈扁圆形（积长/宽为2.00~3.00），且在风力进一步侵蚀下可演变为杯状或碗状[18]。碗状风蚀坑通常较深（长/深为3.67~5.00、宽/深为3.83~5.00），呈半圆到圆形状（长/宽为0.96~1.00），一般只有单个积沙区，但在双向或多向风条件下可能存在2个或多个积沙区[18]。槽型风蚀坑往往具有一个称之为风蚀坑“喉咙”的狭窄开口，整体呈长槽形（长/宽为2.00~4.00），且细长、陡峭的侵蚀壁位于相对较深的侵蚀盆两侧（长/深为5.00~10.00、宽/深为2.50~3.10）[4,5,35,36]，积沙区（积长/宽为4）位于顺风向末端[4,5]。

表1   不同类型风蚀坑形态特征

Table 1  Morphological characteristics of different types of blowouts

类型长度/m宽度/m深度/m长/宽长/深宽/深积长/宽
碟形[21,30]33.90~100.0014.90~60.002.00~13.001.67~2.277.69~16.954.62~7.452.00~3.00[5]
碗形[18,34]22.00~30.0023.00~30.006.000.96~1.003.67~5.003.83~5.00—
槽形[4,25,35]40.00~100.0020.00~25.007.50~8.502.00~4.005.00~10.002.50~3.104.00[5]

注：—表示无数据，积长表示积沙区长度

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风蚀坑形态参数之间存在较强的相关性[5]，其中风蚀坑侵蚀盆长和积沙区长度呈强相关性，相关系数为0.81，说明随着侵蚀盆延伸，积沙区也不断向下方向延伸；而风蚀坑中部侵蚀盆深度与积沙区长度则显示不相关；风蚀坑中部侵蚀盆宽与积沙区长也具有相关性（碟形相关系数为0.98、槽形相关系数为0.74），整体上随着宽度增加积沙区长度增加约1︰2，其中槽型风蚀坑为1︰4，碟形风蚀坑为1∶2~1∶3。

2.2　海岸沙地风蚀坑形态演化

海岸沙地风蚀坑的演化过程大致可以划分为侵蚀缺口的产生、槽口扩大和加深并发展为初期风蚀坑、风蚀坑内侵蚀通道不断侵蚀至后岸高度且风蚀坑侧壁不断拓宽、侵蚀停止开始堆积以至消亡4个阶段[28,37]。其中，也有认为当风蚀缺口形成且不断加深形成碟形风蚀坑后，随着时间的推移，受深度与形态的限制分别发育为槽形与碗形风蚀坑[38]。此外，也有将生物与非生物地貌联系起来，认为风蚀坑的演化可分为地貌阶段（产生）、生物地貌阶段（发展）、生态阶段（停止）[39]。从形态动力学角度出发，海岸沙地风蚀坑的形态变化大致可以划分为产生、发展和稳定3个阶段。

2.2.1　海岸沙地风蚀坑的产生

海岸沙地风蚀坑一般是发端于沙地（前丘）的风蚀缺口，风蚀缺口的产生受气候变化引起沙地植被减少、植物密度或分布局部下降、地形不规则加强局部气流、风速加强或输沙率上升、人类干扰活动（火灾、放牧、行人和驾驶）、自然营养物质消耗和土壤表面崩解等多种因素的影响[5,18]，其中波浪（或风暴）和风是海岸风蚀坑产生的主要动力因素[18,22,40,41]。首先，波浪（或风暴）造成第一个沙丘侵蚀产生陡坡（或缺口）[42]，进而导致海岸沙丘线的不稳定和植被的消失[4]；其次，风力作用下侵蚀增强促进了风蚀坑的形成[41]。如在风暴期间由于海岸沙丘侵蚀程度不同[43]，可能形成海岸前丘前部的非连续，导致沙丘顶部气流的局部加强，产生风蚀缺口[44,45,46]。而细长的槽形风蚀坑是气流加速通过沙丘斜坡上形成的缺口或海岸前丘的越浪、冲蚀形成的，由此产生的风蚀坑具有较浅的侵蚀盆和长而陡峭的侧向侵蚀壁，并在一个陡峭的陆地坡面积沙区停止[4,5,34]。此外，风力强度尤其是在强风季节风蚀坑更容易产生[17,47]，在风蚀坑初始阶段如无主导风向侵蚀，往往导致风蚀坑在多个位置和方向上径向发生，形成复杂的初始形状，如有主导风向则风蚀坑更倾向于主导风向延伸或收缩以及形成更加细长的形状[48,49]。

一般风暴形成的“越浪模式”破坏沿岸植被所成的风蚀坑，初始缺口位置难于确定[50]，且没有明显边界，后期部分初始缺口也会重新稳定[28]。故风蚀坑的存在时间较短[51,52]，其产生往往有很大的随机性而难以预测[53]。不过，依据风暴潮沿岸的变化状况，海岸沙地前丘风蚀坑发育的位置也具有一定的可预测性[40]。

2.2.2　海岸沙地风蚀坑的发展

随着海岸沙地侵蚀缺口的形成，尤其是沿着侵蚀凹陷区域，导致进入的气流速度增加，侵蚀力加强，侵蚀凹陷区域的尺寸增大，形成具有明显的侵蚀盆、侵蚀壁和积沙区的风蚀坑[54]。风蚀坑一旦形成，由于地形转向和强迫效应，风蚀坑的演变可能由多个风向维持，在风蚀坑内产生复杂的气流运动[4,35,55,56,57]，形成多向侵蚀沉积模式，促使风蚀坑形态不断扩大和加深，在区域盛行风（大多数情况下是向岸风）下形成主要积沙区并向陆生长和延伸[5,58]。随着风蚀坑的不断发展，风蚀坑面积沿着盛行风向不断扩大、体积增加[59]，但风蚀坑的大小有一个明确的长度等级，受原始沙丘特定尺寸限制[16]。

在槽形风蚀坑内，与槽形风蚀坑轴向倾斜50°的风可重新转向[60]，并可将沙物质输移速度提高到比海滩高出2个数量级[4]，由此导致地形演化和风场之间的正反馈，促进槽型风蚀坑的侵蚀。随着侵蚀盆的加深，风蚀坑通过侧壁的崩塌和坍塌而扩大，风速也在积沙区的侧壁和斜坡侧（即迎风）加速通过并优先侵蚀，侧壁顶部的气流分离和减速，导致沿着风蚀坑边缘沙粒堆积形成边缘沙丘，促使风蚀坑形态更加明显[34]。同时，积沙区下风向气流分离和减速导致堆积，使积沙区逐渐向陆迁移[61,62]。

碟形风蚀坑侵蚀发生在侵蚀盆和上风向风蚀坑边缘，在顺风向边缘形成积沙区。碟形风蚀坑随着盛行风向增长[59]，多向风时侵蚀和沉积的位置并不固定[56,63]，更有可能通过侵蚀壁周围的反向气流而逆风向扩展，从而导致侵蚀壁破坏、坍塌和后退[5]。随着坍塌块、斜坡碎屑、植被残枝和倒塌乔木的出现，促使风蚀坑的形态和气流的复杂性增加。

2.2.3　海岸沙地风蚀坑的稳定

随着风蚀坑进一步发展，风蚀坑受深度和形态控制越来越明显。当风蚀坑达到侵蚀基准面或形态限制风蚀时，风蚀坑趋向稳定[64]。其中，深度受限的风蚀坑，由于侵蚀盆侵蚀到一定深度后，受下覆基岩、难于侵蚀沉积层以及沙粒粗滞现象等影响，如达到滞后面（卵石、贝壳、浮石或人工制品残留物）、地下水位边缘、残积物、古土壤、钙质层等[16,18,41]，阻止了风蚀坑向下扩展，进而促使风蚀坑沿一定深度纵向延伸，随着风蚀坑积沙区不断向后移动，最终可能形成抛物线沙丘[4]。受形态限制的风蚀坑，由于在向下侵蚀过程中未出现基底层限制，促使风蚀坑在深度上持续加深而不会顺风推进，直到形态限制风侵蚀底部的侵蚀能力[16,65]。

风蚀坑在深度、长度和宽度达到临界尺寸时，槽形、碟形和碗形风蚀坑的加深和气流加速度之间的正反馈减小并变为负值[28]，甚至在槽口中的气流减速，其形态无法支撑沿着侵蚀盆的风沙搬运，侵蚀盆中沙子积聚以及最终导致风蚀坑稳定。简言之，当风蚀坑变得太宽而不能产生促进沉积物运输和持续侵蚀的加速流时，或其面积达到一定程度后受底土层和周边植被的阻力以及坑内局部气流影响时，风蚀坑的扩张可能会降低或停止[5,34,66]，风蚀坑将进入固定或稳定阶段，稳定阶段的风蚀坑表面将被植被固定[17,67]。此外，植被也可能在风蚀坑口生长[5]，进而导致初始前丘发育，阻止海滩沙进入风蚀坑，以促使风蚀坑达到稳定。

总之，风蚀坑通过风力侵蚀沉积物扩展到某个临界尺度，取决于风力状况和沉积物供应、延迟滞后或湿层以及气候因素等[5,16]，或通过一定深度去除沉积物搬运能力。超过这个尺度，可能会发生沉积物的入侵，风蚀坑被植被固定，或发展为迁移的抛物线沙丘[34,41]。例如，Pye[68]从一些大陆和海岸环境沙丘中发现，风蚀坑发育的最终结果可能转变成抛物线沙丘，并以风蚀坑发育为基础，提出了澳大利亚海岸地区抛物线沙丘形成的多阶段模型。

总体而言，沿海沙地风蚀坑的产生、发展和稳定受有效风的强度和方向，植被的类型和丰度，海洋风暴的复发和强度或者第一线沙丘的保护状态等的共同作用影响，促使沿海沙地风蚀坑的演化模式更加复杂化，风蚀坑的发展将呈现不同的方式。如Mir-Gual等[38]发现沿着前丘分布的最大破碎区域中不仅可以区分出简单和枝状形态风蚀坑，而且形态的演化和融合导致高度退化的区域初始形态很简单，但随着时间的推移已经与初始不同的形态进行合并，据此建立了相关演化模型。Abhar等[17]、Hesp等[7]和Smith等[27]也对海岸沙地风蚀坑形态演化从几年到几十年的尺度进行了研究，认为风蚀坑在时空演化过程中存在不同类型联合、合并与移动的扩展模式。此外，Ruessink等[69]也发现处于同一阶段的紧密间隔的前丘掏蚀槽口，如果继续扩大，则可能开始影响彼此的发展。单个槽口的扩大可能导致它们最终合并，产生一个或多个大型侵蚀盆，进而产生更大的侵蚀区域，促使沙丘系统的脆弱性加强。

3 海岸沙地风蚀坑的动力学过程

风蚀坑常见于海滩和前丘之间被侵蚀或后退的区域，也发生在高能的风和波浪稳定或加积的环境之中[5]。其形成也可能是侵蚀性阵风的累积效应[66]，如风蚀坑侵蚀壁就体现了由多个不同风向进入的多重事件引起的净侵蚀，但这种净侵蚀也会是短期复杂过程的长期结果[70]。海岸前丘风蚀坑的形成与演变过程是侵蚀力（风速、风向、脉动风频率、波浪（或风暴）发生率[18]）和沙地表面抗侵蚀力（地表植被、土壤水分和沙质粒度）之间相互作用达到平衡的结果[71,72]（图1）。

图1

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图1   海岸风蚀坑动力概念模型（据参考文献[72]修改）

Fig.1   Dynamic conceptual model of coastal blowout（modified after reference [72]）


（1）单次风反馈循环。当侵蚀力大于抗侵蚀力时，风蚀坑表面沙粒被风力侵蚀搬运形成风沙流，被搬运至周边堆积或在风蚀坑内部表面发生移动，引起风蚀坑内部蚀积格局的改变[5,55,73]，进而迅速反馈给风蚀坑内部气流，导致气流垂直结构和水平格局发生变异，形成独特的气流场结构[18,22,74]，对风蚀坑形态持续进行改造，直至该单次起沙风事件结束。其中，由于近地表风蚀坑内部形态造成风速的空间差异，导致风蚀坑内不同部位输沙率和蚀积速率的差异[25,36]，最终使风蚀坑形态发生不均衡变化。

（2）多次风叠加反馈循环。随着时间的推移，风蚀坑受重复单次起沙风事件的持续累积，蚀积格局发生显著变化，当达到一定程度时其形态发生演变，以适应进一步的侵蚀/堆积。如Abhar等[17]将风蚀坑演变与高强度风暴（如飓风）的发生联系起来，进而将风暴期间风蚀坑内沙子的积累视为适应更高能量水平的第一步，其形态发生明显变化。以此类推，直至地表抗侵蚀力大于侵蚀力，风蚀坑达到稳定或消失。

3.1　海岸沙地风蚀坑气流模式

海岸沙地风蚀坑气流模式研究发现，当气流接近障碍物或地形（风蚀坑）变化时，由于地形引起的气流压力变化而改变边界层，产生二次流，导致风在速度和方向上发生偏离，产生复杂的流变[6,7]。在风蚀坑中，近地表气流的复杂模式通常发生在地形明显突变处、沿着侵蚀盆相邻的侵蚀壁上方以及在倾斜风事件期间的侵蚀盆之上[4,18,19,28,35,55]，最终导致风蚀坑形成独特的气流场结构。

当来流风向与风蚀坑长轴呈不同角度进入时，风蚀坑内气流运动模式受风蚀坑形态控制明显。如当来流风向与风蚀坑入口成直角时，碟形风蚀坑内的气流形成了一个大的逆转[12]，槽形风蚀坑会发生明显的地形转向和形成气流与风向相反的反向流[4]。当来流风向倾斜进入风蚀坑时，观察到碟形与槽形风蚀坑地貌侵蚀地面的最高风速和气流沿地形转向[12,54]，其转向的程度及其复杂度取决于风蚀坑的地形，同时槽形风蚀坑内部出现明显的气流分离，并在风蚀坑内出现湍流和螺旋流[4,60]。当来流风向与长轴向平行时，气流进入槽形风蚀坑发生分离并形成螺旋流[54]，在侵蚀盆和沿侵蚀壁都会出现射流，在积沙区上气流相对减速和扩散，积沙区顶部出现射流并沿着积沙区背风侧顺风向气流分离，同时在侵蚀壁顶部也会出现气流分离和螺旋流的形成[4]。但通过流体动力学计算模型（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟发现[23]，在平行或倾斜风进入风蚀坑中，螺旋形和螺旋形涡流的存在可能不像以前研究中采用实验数据或概念流动模型所指的那样较为常见。

当来流风向与长轴向在一定阈值范围内时，风蚀坑中的气流变化不敏感。在内陆一个由碟形正转变为槽形的风蚀坑内观测发现，当来流风向与风蚀坑轴线夹角小于17.5°时，部分侵蚀壁发生湍流，并形成显著的地形转向；当风向倾斜超过17.5°时，气流扩散边界发生移动，部分侵蚀壁湍流消失，而风蚀坑内“S形”气流和底部气流转向增强，但气流地形转向减少[30]。在槽形风蚀坑中，当阈值小于50°时，地形转向占主导地位，气流通过槽形地貌重新组合；当阈值等于50°时，气流被迫进行更强烈的重新组合，转向强度稳定地上升；当阈值大于50°时，风不再以相当大的数量进入槽口，而是在垂直于轴线的风蚀坑中穿过风蚀坑，并且随着角度范围的逐渐增大，槽形风蚀坑中的二次流对风蚀坑的形态控制越来越明显[60]。也有人认为气流变化敏感阈值远小于200°[35]或100°[25]，造成上述差异可能是由于风蚀坑深度影响。

当来流进入碟形或碗形风蚀坑内，在迎风边缘发生扩散减速、分离，产生湍流[18,19]。在碗状侵蚀盆中部气流由湍流和分离流向来流风向转变的同时，重新附着地表并加速。在侵蚀盆后部气流重新连接，气流方向靠近来流方向，收敛并加速的同时被迫向上越过侵蚀壁，最高风速出现在前丘脊线及积沙区丘顶[36]。在槽—碗状风蚀坑中，由于槽型风蚀坑的存在导致气流分离区没有出现反向流，气流由槽型风蚀坑汇聚进入碗状侵蚀盆，从碗状侵蚀盆中部到侵蚀壁气流发生偏离，在侵蚀壁加速之前，在脚趾处减速并变得更加混乱[23]。上述碟形或碗形风蚀坑，由于在阵风期间来流风向和重新附着点的变化，其气流重新附着的位置均是瞬态的。

3.2　海岸沙地风蚀坑风沙搬运

综观早期对风蚀坑内风沙搬运的研究，主要集中在风蚀坑地表面变化与区域风力（或观测）结合研究上。其中发现几个较为有意义的结果：风蚀坑通常在盛行风的逆风向生长[59]；区域风或远距离气象数据估算的输沙量可能比实际风蚀坑内部输沙率低2个数量级[4]，也有认为低于3个数量级[70]；通过构建2D计算机模型，对一浅碟形风蚀坑的模拟结果表明,风蚀坑可能是由于侵蚀性阵风的累积效应形成的[66]；Byrne[57]发现了安大略省槽形风蚀坑在冬季和秋季处于一个常规侵蚀模式（植物死亡或休眠），在春季和夏季略有增加，并发现最大的沙子运输发生在积沙区倾斜侵蚀迎风坡上部；Pluis[73]认为冬季（表面水分含量较高）比夏季侵蚀更少，其侵蚀率高于净值，表面的变化取决于降雨冲刷邻近的斜坡沙子的供应。在极端天气下，Abhar等[17]对美国科德角地区高强度的飓风和冬季风暴进行研究发现，飓风期间风沙搬运能力风的百分比频率高于干旱年。同时，部分学者采用了传统的计算剪切应力和预测沉积物的技术来开展上述风蚀坑研究，认为风蚀坑内气流并不符合对数分布[19,54]。此外，通过输沙量方程获得的某位置输沙量并不等同于该区域地表面水平变化，因为这些位置可能起着运输通道的作用，仅将沙子搬运出风蚀坑而非直接从该位置搬运沙粒[73]。同时依据侵蚀性指数与地表面水平变化之间的差异关系，认为可能是由于风蚀坑形态使得某些风向无法将沙粒搬运出风蚀坑，导致在风蚀坑内部发生空间变化[55,73]。

近期在时空变化上将风蚀坑内气流和搬运的经验数据作为风蚀坑运输的结果，发现来流风向与长轴向夹角微小变化，也会导致输沙率时空发生显著的改变[24,75]。平行风蚀坑长轴向的气流将沉积物携带出风蚀坑，堆积在积沙区及其周边区域[55]。倾斜风则对风蚀坑内侧壁及侵蚀盆进行侵蚀，导致沙粒在侵蚀盆内发生空间变化，甚至在短距离内（<0.5 m）也会发生明显变化[25]，但有的风力无法将沙子带出风蚀坑[55,73]，尤其在碗形风蚀坑内可能更为明显。稍高于起沙风阈值的研究，输沙率与风速在最稳定的区域相关性最高，且湍流动能（Turbulent Kinetic Energy,TKE）与输沙量在1 min时相关性最好[25]，认为地形对二次流结构气流动力学和湍流的气流分离带的产生尤为关键[18]。在中等强度风力下，风蚀坑发育形成的抛物线沙丘内输沙率与风速相关性较强，而非湍流或变异系数，并认为沿着侵蚀盆中部的运输是大而连续的[4,70]。在中等至强风下，侵蚀壁在短期内侵蚀和堆积，风速比TKE更好地描述输沙率[70]，促使风蚀坑持续加深，直至可能达到的最大深度，从而降低深度持续下降的可能性[34,55]。

4 风蚀坑形态—动力研究方法

随着科学技术的不断发展，对风蚀坑形态与气流、风沙搬运、蚀积格局及其形成演化方面的研究精度得到显著提高。如风蚀坑形态变化监测手段由传统的卷尺、经纬仪、测速仪[63]，插竿（侵蚀针）[16,73]、剖面测量[28]、航片及遥感影像[40]分析，发展到激光雷达影像[17]（LiDAR）、RTK GPS与三维激光扫描仪（Terrestrial Laser Scanning）[27]等新技术方法，目前已能获得毫米级风蚀坑地表面变化。气流观测由传统的使用沙波纹分析[35]，杯式风速测定法[4]发展到2D风速测定[23,24]、3D风速测定[23,25,70]以及计算机流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟技术[19,21,22,23,36,70]，使风蚀坑内三维气流可视化成为可能，并定量化描述TKE。风沙搬运主要运用侵蚀针[55,73]、集沙器[24,76]和地形重复测量[27,28,36]结果与区域风力记录或实际观测气流结合获取风蚀坑内输沙量，发展到野外直接观测（Wenglor激光粒子计数器）获取[70]。

4.1　地面观测

早期对风蚀坑内输沙量的研究主要是通过风速和表面水平变化之间的关系，使用Bagnold的输沙量方程获得[74]，但研究表明区域风速与风向和输沙量之间的相关性很小[73]，采用区域风速、风向获取的潜在输沙量比实际风蚀坑输沙量低2个等级甚至更大[4,70]，同时发现风蚀坑内气流不符合对数分布，由此传统的计算剪切应力和预测沉积物的技术难以适用风蚀坑内气流运动的研究[19,25,54]。此外，也有部分学者通过气流观测结合目视观察[55]或照片来解释海岸风蚀坑的风沙搬运[18]。

目前，宏观上主要利用侵蚀杄测量数据建立风蚀坑活跃指数AI、侵蚀指数EI和沉积指数DI指标参数[16]，来表征风蚀坑蚀积变化强弱特征，并结合Fryberger指数[77][输沙势（Drift Potential，DP)、合成输沙势（Resultant Drift Potential，RDP）、合成输沙方向（Resultant Drift Direction，RDD）、RDP/DP（方向变率）]进行对比分析其侵蚀速率。微观上，通过集沙器和3D风速仪实地观测获取的时空经验数据，发现TKE与风蚀坑内输沙率相关性十分强烈，能更好地预测小尺度输沙率变化，因此TKE被认为是解释输沙率最好的纽带，其TKE计算公式为[25]：

TKE=12SDu2+SDv2+SDw2，

式中：u是水平流向流动；v是水平展向；w是风的垂直分量；SD为标准偏差，采用风速和风向的波动来替代。

4.2　遥感测量

早期主要采用航空照片、遥感影像对风蚀坑长期二维形态演变分析，但无法准确定量化面积或体积的变化量[28,59,78]。随着雷达影像的结合应用，使风蚀坑三维形态演变的研究得到了深入，并运用GIS手段进行大尺度时空遥感影像分析，通过航空照片结合激光雷达影像衍生的数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）研究，为风蚀坑的形态及其长期演变研究提供了机遇[79]。如风蚀坑形态的重复DEM分析，就可以在多时相范围内研究风蚀坑中的二维和三维空间变化模式，以及随着它们的发展而发生相应体积变化。但每个GIS数据层都是单个时间序列的代表，往往无法探讨序列之间的联系，在表示和分析时空模式和变化方面的能力仍然有限[17]。

目前，栅格和多边形数据集时空量化和验证方面的数据和软件都得到了进一步发展[80]。如Abhar等[17]修改和扩展了移动多边形时空分析（Spatial-Temporal Analysis of Moving Polygons, STAMP）方法，更好地描述了风蚀坑变化及其在相关地貌中的类别和测量，提出利用可获取的遥感数据和现有的时空分析方法探索其形态动力学的新方法，运用空间模式检测和STAMP识别分析风蚀坑的变化模式。同时，通过采用三维激光扫描仪、雷达影像与RTK GPS测量结合获取高精度地形数据，以结合GIS空间分析方法对风蚀坑形态演变进行分析[27]。与传统调查方法相比，其地形数据的分辨率和准确性得到了显著提高，时空演化模式正在被用来作为风成地貌演变的检验和监控[17,27,29]。

此外，部分学者从生态和地貌学相结合的角度探索了新的研究方法，对风蚀坑形态及其演化进行了半定量分析。如将植被的存在与风蚀坑类型结合建立了指数方程[38]：Rt-v=Σp/ ΣBOc；其中Rt-v是风蚀坑类型与已识别植物物种之间的关系，Σp是特定植物物种在相同类型的风蚀坑中发生的频率，ΣBOc是相同类型的风蚀坑总数。同时，还将风蚀坑的形态演化与生物—非生物相互作用联系起来划分风蚀坑的发展阶段，即风蚀坑的产生受非生物过程（风沙搬运）控制时开始进入地貌阶段，风蚀坑发展受沉积物运输和植被之间的相互作用控制时表明进入生物地貌阶段，风蚀坑稳定主要受植被重新定植影响时表明进入生态阶段[39]。

4.3　计算机模拟

为可视化风蚀坑内大规模存在的湍流结构，前期主要采用烟雾弹示踪，因为烟雾弹可以有效识别瞬时气流模式，但是这种方式很难记录和量化。近期运用数值流动模型能计算出地表面上高密度点位数据，丰富的数据可以进行高分辨率的风速和风向绘制，进而进行流线可视化和测量三维湍流结构[7]。

初期通过所构建的二维计算机模型，模拟了大风沿着碟形风蚀坑中心轴线上的影响，认为“风蚀坑可能是由于侵蚀性阵风的累积效应造成的” [66]。之后，应用计算机流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）软件模拟了在低能（3.93 m/s）和中能（8.98 m/s）之间的三维气流，计算出了风蚀坑表面上TKE和应力，并实测及模拟了风蚀坑上方气流的异质图谱[21,22]，模拟和量化了低频率飓风事件（37 m/s）在一定来流方向风速范围内风蚀坑内的风速、转向流和湍流的变化[19]。目前，高分辨率、三维流体动力学模型得到了广泛运用，已成为风蚀坑气流模拟研究的焦点[23,36,70]。

5 海岸沙地风蚀坑研究不足与展望

综上可知，目前海岸沙地风蚀坑研究在形态演化、气流模式和风沙搬运等方面都取得了重大进展，加深了人们对海岸沙地风蚀坑形态—动力过程方面的认知，也为风蚀坑的治理提供了一定的科学依据。但是由于沿海沙地风蚀坑形成环境的差异性、风蚀坑类型的复杂性、风蚀坑动力过程的多变性及其研究方法的局限性等原因，总体而言现有海岸沙地风蚀坑的研究尚有较多进一步深化之处，如受有效风的强度和方向、植被的类型和丰度、海洋风暴的复发和强度或者第一线沙丘保护状态等的共同作用影响，不同类型的风蚀坑演化模式之间的差异；受来流风向与风力大小的不同，不同类型风蚀坑在短时间尺度及长期尺度上气流的响应机制差异；受沉积物供应能力的限制，不同类型风蚀坑蚀积能力强弱与气候环境之间的差异；以及植被对海岸沙地风蚀坑的形成与发展起积极/抑制的作用还有待进一步明确等。同时，以海滩—沙丘为界面的多个不同类型海岸风蚀坑的存在，不仅是海滩与前丘或岸后沙丘之间沉积物转移的重要通道，也是导致海岸线后退、岸后固定沙丘活化的标志，加强对海岸沙地风蚀坑的研究尤其是对发端于海岸第一线沙丘风蚀坑的研究具有重要的社会环境价值。尤其是与国外相比，我国沿海地区发育大量的海岸沙地风蚀坑，但其研究程度相对较低，几近空白[32,37]。

为此，基于目前海岸沙地风蚀坑研究现状，针对我国海岸风蚀地貌研究之不足，应及时深入开展我国海岸风蚀坑研究：

（1）宏观尺度上，通过对我国海岸风沙地貌主要分布区的全面踏勘、典型调查和形态测量等，明确不同类型海岸风蚀坑的形态指征，科学划分我国海岸风蚀坑的基本类型。结合现代测量与遥感技术和空间分析手段，阐明我国海岸沙地风蚀坑的宏观分布特征，辨识其与区域地质、地貌、气候和植被等自然因素关系。采用高精度雷达影像与遥感影像结合分析风蚀坑在长期（几十年）二维、三维形态演变与风蚀坑外部土地利用/土地覆被变化的沙质地表环境关系，并结合区域风速、风向、波浪（或风暴）发生频率，明确典型风蚀坑形态长期演化模式与动力因素。

（2）微观尺度上，通过对风蚀坑多次实地重复形态测量、风沙观测、室内实验、数据分析与数值模拟等，以明确风蚀坑形态—动力学相互作用机制，揭示风蚀坑（季节和年际）时空动态演化模式。探索更先进的多学科技术获取风蚀坑成因与演化的科学证据，深入揭示风蚀坑作用的规律性和机制机理。同时，应高度重视研究风蚀坑的生态过程与格局，海滩—沙丘动态环境系统及其海平面变化对风蚀坑的影响。通过与国际对比研究，弥补研究之不足，以确立我国海岸沙地风蚀坑在国际风沙地貌学界的影响，进而促进海岸沙地风蚀坑的全球普适性规律研究，后期逐步建立中国海岸沙地风蚀坑研究理论体系。

总之，应多角度、全方位深入对风蚀坑宏观与微观、单因素与多因素以及自然过程与人文过程相结合的研究，特别是应大力开展海岸沙地风蚀坑研究的各种控制性实验、实时气流观测、三维形态测绘、生态学调查、环境变化的野外观测与监测等，并结合先进的计算机技术对风蚀坑进行全方位模拟。

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