我国首次全面模拟火星沙尘循环-墙外头条

被视为人类星际移民首选的火星，其巨型沙尘暴等大气环境研究一直备受关注。

记者12月1日从中国科学院大气物理研究所(大气所)获悉，该所科研团队自主研发出新一代火星大气环流模式(GoMars)，基于该模式，近日成功实施首次全面模拟火星沙尘循环，科学解密了火星沙尘行为，并通过有效评估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关键基础。

本次研究在GoMars的50年模拟中爆发的11次全球性沙尘暴，以及沙尘循环相关机制的示意图。中国科学院大气所供图

这项火星大气模式研发及模拟研究的重要进展，由中国科学院大气所研究员王斌、正高级工程师董理、博士研究生刘帅等与合作者完成，相关成果论文在最新一期专业学术期刊《大气科学进展》(AAS)发表。

为何研发火星大气环流模式

科研团队介绍说，作为一颗与地球最为相似的太阳系“姊妹星”，火星始终以其神秘面貌召唤着人类的探索。不过，火星也潜藏着致命威胁，包括稀薄的大气、强烈的辐射、巨型的沙尘暴等。正如电影《火星救援》所展现的，一场突如其来的剧烈沙尘暴，足以让设备失灵，令人类的探索任务陷入绝境。

从广义上看，火星的沙尘循环系统涵盖所有与沙尘相关的过程与机制，包含各种尺度的沙尘暴。这一系统在塑造火星日常天气的同时，更在其长期气候演化中扮演着核心角色。其中，火星上随机爆发的全球性沙尘暴，是典型的极端天气事件，也是引发火星气候出现显著年际变率的主要驱动力。

尽管火星是人类迄今观测数据最丰富的地外行星，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存在明显局限。因此，要看清火星沙尘循环的全貌，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，从而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与稳步筹备，中国火星探测已迈入全新阶段，对火星大气环境尤其是对沙尘循环的认知需求日益迫切。为填补中国在火星数值模拟领域长期存在的自主模式空白，首个中国自主研发的火星大气环流模式应运而生。

如何系统模拟火星沙尘循环

在本项研究中，科研团队基于中国研发的新一代火星大气环流模式，对火星沙尘循环开展系统性模拟研究，重点展示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、也是火星大气模拟公认难点之一的年际变率。

他们通过在边界层中引入沙尘湍流混合过程，并结合对地表起沙通量的合理约束，完成长达50个火星年(1个火星年约合2个地球年)的沙尘循环模拟，系统探究其多时间尺度变率特征。其中，GoMars完整模拟出火星沙尘在大气中的运动过程，包括尘卷风和风应力沙尘抬升、沙尘的平流和沉降等。

本次研究的GoMars中沙尘相关过程的计算流程。中国科学院大气所供图

对火星沙尘循环的模拟方面，研究发现，GoMars在多个关键方面再现出沙尘循环的日循环、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”(即所有非全球性沙尘暴年份的集合平均)成功再现沙尘在垂直-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”观测资料的验证一致。

在缺乏直接观测数据的情况下，研究进一步将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进行对比，结果显示二者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。此外，GoMars准确模拟出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。

科研团队指出，GoMars能自然模拟出火星全球性沙尘暴事件，再现其发生时间、位置及沙尘传输路径，并与特定火星年的实际观测吻合。此外，该模式还模拟出显著的年际变率，包括火星不规则的全球性沙尘暴爆发间隔以及合理的沙尘–大气间的相互反馈。

未来进一步研究有何计划

中国科学院大气所科研团队透露，在成功研发GoMars和全面模拟火星沙尘循环的基础上，他们计划引入更贴近实际观测的动态下垫面特性，以深入探究目前尚不明确的火星沙尘循环年际变率机制。

同时，该团队将集成火星水循环过程，研究其与沙尘循环的相互作用，还将为GoMars构建先进的数据同化系统。