火星作为人类星际移民的首选目标，其大气环境尤其是巨型沙尘暴的研究一直备受关注。中国科学院大气物理研究所科研团队自主研发的新一代火星大气环流模式GoMars，在近日成功实施了首次全面模拟火星沙尘循环，解密了火星沙尘行为，并通过评估GoMars的模拟性能，为未来实现可靠的火星天气预报与气候预测奠定了关键基础。
在50年的模拟中，GoMars爆发了11次全球性沙尘暴，揭示了沙尘循环的相关机制。这项研究由中国科学院大气所研究员王斌、正高级工程师董理和博士研究生刘帅等合作完成，成果发表在《大气科学进展》期刊上。
火星作为地球的“姊妹星”，虽然充满神秘，但也潜藏着致命威胁，如稀薄的大气、强烈的辐射和巨型沙尘暴。电影《火星救援》中的场景展示了沙尘暴对设备和任务的巨大影响。从广义上看，火星的沙尘循环系统包括各种尺度的沙尘暴，不仅塑造了火星的日常天气，还在其长期气候演化中扮演着核心角色。火星上的全球性沙尘暴是典型的极端天气事件，也是引发火星气候显著年际变率的主要驱动力。
尽管火星观测数据丰富，但现有数据在时间连续性、空间覆盖度和时空分辨率方面仍有局限。因此，大气数值模式显得尤为重要，它基于火星大气物理理论构建数学模型，依托超级计算机求解复杂的控制方程组，实现对火星气候系统的全面模拟与预测。随着“天问”系列任务的成功实施，中国对火星大气环境的认知需求日益迫切，首个中国自主研发的火星大气环流模式应运而生。
在本项研究中，科研团队基于GoMars对火星沙尘循环进行了系统性模拟，重点展示了沙尘循环的多时间尺度变率，并成功模拟出其中最具挑战的年际变率。他们通过引入沙尘湍流混合过程和合理约束地表起沙通量，完成了长达50个火星年的沙尘循环模拟，探究其多时间尺度变率特征。GoMars完整模拟了火星沙尘在大气中的运动过程，包括尘卷风、风应力沙尘抬升、沙尘的平流和沉降等。
研究发现，GoMars在多个关键方面再现了沙尘循环的日循环、季节变化和年际变率特征。在非全球性沙尘暴年份中，沙尘的日变化与季节变化具有显著的重复性。模拟所得的“气候平均态”成功再现了沙尘在垂直-纬向方向上的季节性分布形态与强度，结果经火星气候分析数据集与“火星气候探测仪”观测资料验证一致。此外，GoMars模拟的近地表风应力起沙通量与国际上先进的MarsWRF等火星大气环流模式在季节变化与空间分布上具有良好一致性。
在日循环尺度上，GoMars模拟的尘卷风起沙通量峰值出现在火星当地时间12:00至13:00之间，与“火星探路者”火星车的实测记录相符。GoMars还准确模拟了火星亚马逊地区作为尘卷风活动热点的强烈起沙现象，与观测识别结果一致。
科研团队计划在未来进一步研究中引入更贴近实际观测的动态下垫面特性，深入探究火星沙尘循环年际变率机制。同时，他们还将集成火星水循环过程，研究其与沙尘循环的相互作用，并为GoMars构建先进的数据同化系统，最终目标是将GoMars构建为具备火星天气预报能力的系统，利用未来“天问三号”的实测数据进行实时火星天气预报。
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