記者從中國科學院大氣物理研究所獲悉，近期該所科研人員成功研發火星大氣環流模式GoMars。基于該模式，研究團隊對火星沙塵循環開展了系統性模擬研究，全面模擬了火星沙塵循環，重點展示了沙塵循環的多時間尺度變率，并成功模擬了其中最具挑戰的年際變率，這是火星大氣模擬公認的難點之一。此外，該研究有效評估了GoMars的模擬性能，為未來實現可靠的火星天氣預報與氣候預測奠定了關鍵基礎。相關研究成果已在學術期刊《大氣科學進展》發表。
火星，這顆與地球最為相似的“太陽系姊妹星”，始終以其神秘面貌召喚著人類的探索。荒漠之下，或許隱藏著生命起源的線索，也孕育著人類拓展生存邊界的希望。然而，火星也潛藏著致命威脅——稀薄的大氣、強烈的輻射，以及最令人畏懼的、足以席卷整個星球的巨型沙塵暴。一場突如其來的劇烈沙塵暴，足以讓火星探測設備、太陽能電池板和通信系統等設備失靈，令人類的探索任務陷入絕境。從廣義上看，火星的沙塵循環系統涵蓋了所有與沙塵相關的過程與機制，其中包含各種尺度的沙塵暴。這一系統在塑造火星日常天氣的同時，更在其長期氣候演化中扮演著核心角色。其中，“隨機”爆發的全球性沙塵暴（Global Dust Storm，簡稱GDS），是典型的極端天氣事件，也是引發火星氣候出現顯著年際變率的主要驅動力。
盡管火星是人類迄今觀測數據最豐富的地外行星，但現有數據在時間連續性、空間覆蓋度和時空分辨率方面仍存在明顯局限。要看清火星沙塵循環的全貌，大氣數值模式，顯得尤為重要。它基于火星大氣物理理論構建數學模型，依托超級計算機求解復雜的控制方程組，從而實現對火星氣候系統的全面模擬與預測。
隨著“天問一號”任務的成功實施與“天問三號”采樣返回任務的穩步籌備，中國火星探測已邁入全新階段，對火星氣象環境，尤其是對沙塵循環的認知需求日益迫切。為填補我國在火星數值模擬領域長期存在的自主模式空白，首個中國自主研發的火星大氣環流模式GoMars（Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars）應運而生。
本研究基于GoMars，通過在邊界層中引入沙塵湍流混合過程，并結合對地表起沙通量的合理約束，完成了長達50個火星年（1個火星年約2個地球年）的沙塵循環模擬，系統探究了其多時間尺度變率特征。GoMars完整模擬了沙塵在大氣中的運動過程，包括塵卷風和風應力沙塵抬升、沙塵的平流和沉降等。
研究發現，GoMars在多個關鍵方面再現出沙塵循環的日循環、季節變化和年際變率特征。在非全球性沙塵暴年份中，沙塵的日變化與季節變化具有顯著的重復性。模擬所得的“氣候平均態”（即所有非全球性沙塵暴年份的集合平均）成功再現了沙塵在垂直-緯向方向上的季節性分布形態與強度，結果經火星氣候分析數據集與“火星氣候探測儀”觀測資料的驗證一致。在缺乏直接觀測數據的情況下，研究進一步將GoMars模擬的近地表風應力起沙通量與國際上先進的MarsWRF等火星大氣環流模式進行對比，結果顯示二者在季節變化與空間分布上具有良好一致性。
在日循環尺度上，模擬的塵卷風起沙通量峰值出現在當地時間12:00至13:00之間，與“火星探路者”火星車的實測記錄相符。
GoMars能夠自然模擬出全球性沙塵暴事件，再現其發生時間、位置及沙塵傳輸路徑，并與特定火星年的實際觀測吻合。此外，該模式還模擬出顯著的年際變率，包括不規則的全球性沙塵暴爆發間隔以及合理的沙塵–大氣間的相互反饋。
研究團隊計劃在現有基礎上引入更貼近實際觀測的動態下墊面特性，以深入探究目前尚不明確的火星沙塵循環年際變率機制；同時，將集成火星水循環過程，研究其與沙塵循環的相互作用。此外，團隊還將為GoMars構建先進的數據同化系統。團隊的最終目的是將GoMars構建為具備火星天氣預報能力的系統，利用未來“天問三號”的實測數據，進行實時火星天氣預報。
△在GoMars的50年模擬中爆發的11次全球性沙塵暴，以及沙塵循環的相關機制。
（總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉）
責任編輯：王振華
