中國科學院大氣物理研究所的科研團隊近日取得重要突破，成功研發(fā)出我國首個自主火星大氣環(huán)流模式GoMars（Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars），并利用該模式對火星沙塵循環(huán)進行了系統(tǒng)性模擬研究。相關成果已在國際學術期刊《大氣科學進展》發(fā)表，標志著我國在火星氣象研究領域邁出關鍵一步。

火星作為地球的"太陽系姊妹星"，其表面覆蓋著廣袤的荒漠，隱藏著生命起源的線索，也承載著人類拓展生存邊界的希望。然而，這顆紅色星球的環(huán)境異常嚴苛：稀薄的大氣、強烈的宇宙輻射，以及足以席卷全球的巨型沙塵暴，構成了火星探測的主要挑戰(zhàn)。這些沙塵暴不僅會損壞探測設備，還會干擾太陽能供電和通信系統(tǒng)，甚至導致任務失敗。火星沙塵循環(huán)系統(tǒng)包含從局部塵卷風到全球性沙塵暴的各種尺度現(xiàn)象，其中全球性沙塵暴（GDS）是塑造火星氣候年際變化的核心因素。

盡管人類已積累大量火星觀測數(shù)據(jù)，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)在時間連續(xù)性、空間覆蓋度和分辨率方面仍存在明顯不足。要全面理解火星沙塵循環(huán)機制，大氣數(shù)值模擬成為關鍵手段。該模式通過構建數(shù)學模型并依托超級計算機求解復雜方程組，能夠模擬火星氣候系統(tǒng)的動態(tài)演變過程。隨著"天問一號"任務成功實施和"天問三號"采樣返回任務籌備推進，我國對火星氣象環(huán)境的認知需求日益迫切，自主研發(fā)火星大氣模式成為重要戰(zhàn)略需求。

研究團隊在GoMars模式中創(chuàng)新性地引入沙塵湍流混合過程，并結合地表起沙通量約束，完成了長達50個火星年（約合100個地球年）的連續(xù)模擬。該模式完整再現(xiàn)了沙塵從塵卷風抬升、大氣平流到沉降的全過程，系統(tǒng)揭示了沙塵循環(huán)的日變化、季節(jié)變化和年際變化特征。模擬結果顯示，在非全球性沙塵暴年份，沙塵活動呈現(xiàn)出顯著的日周期性，塵卷風起沙通量峰值出現(xiàn)在當?shù)貢r間12:00至13:00，與"火星探路者"實測數(shù)據(jù)高度吻合。

在季節(jié)尺度上，模式成功模擬出沙塵在垂直-緯向方向上的季節(jié)性分布特征。通過與火星氣候分析數(shù)據(jù)集和"火星氣候探測儀"觀測資料對比驗證，模擬結果準確再現(xiàn)了沙塵的季節(jié)性遷移規(guī)律。在缺乏直接觀測的年際尺度上，研究團隊將GoMars模擬的近地表風應力起沙通量與國際先進模式MarsWRF進行對比，發(fā)現(xiàn)二者在季節(jié)變化和空間分布上具有良好一致性。

該模式最突出的成就是成功模擬出全球性沙塵暴事件。在50年模擬期間共出現(xiàn)11次全球性沙塵暴，其發(fā)生時間、爆發(fā)位置和沙塵傳輸路徑均與歷史觀測記錄相符。模式還捕捉到沙塵暴爆發(fā)間隔的不規(guī)則性，以及沙塵與大氣之間的復雜反饋機制，這些特征此前因觀測數(shù)據(jù)限制而難以研究。特別是在模擬年際變率方面，GoMars展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為理解火星氣候突變機制提供了新工具。

研究團隊計劃進一步優(yōu)化模式性能，通過引入動態(tài)下墊面特性參數(shù)，深入探究火星沙塵循環(huán)年際變率的驅動機制。同時將集成火星水循環(huán)過程，研究水-沙塵相互作用對氣候的影響。團隊正在開發(fā)先進的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，旨在將GoMars升級為具備實時火星天氣預報能力的綜合平臺。未來結合"天問三號"的實測數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)有望實現(xiàn)火星天氣的精準預報，為我國火星探測任務提供關鍵氣象保障。