中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)近日宣布，成功研發(fā)出首個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的火星大氣環(huán)流模式GoMars（Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars），并在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《大氣科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了相關(guān)研究成果。這一突破填補(bǔ)了我國(guó)在火星數(shù)值模擬領(lǐng)域的空白，為未來(lái)火星天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)奠定了重要基礎(chǔ)。

火星作為地球的“太陽(yáng)系姊妹星”，其表面荒漠之下可能隱藏著生命起源的線索，也承載著人類(lèi)拓展生存邊界的希望。然而，火星稀薄的大氣、強(qiáng)烈的輻射以及頻繁爆發(fā)的全球性沙塵暴，對(duì)探測(cè)設(shè)備和人類(lèi)任務(wù)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。尤其是全球性沙塵暴（Global Dust Storm，簡(jiǎn)稱GDS），作為火星極端天氣事件的典型代表，是引發(fā)火星氣候年際變率的主要因素。由于現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間連續(xù)性、空間覆蓋度和分辨率上存在局限，大氣數(shù)值模式成為揭示火星沙塵循環(huán)全貌的關(guān)鍵工具。

隨著“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)的成功和“天問(wèn)三號(hào)”采樣返回任務(wù)的籌備，中國(guó)火星探測(cè)進(jìn)入新階段，對(duì)火星氣象環(huán)境，尤其是沙塵循環(huán)的認(rèn)知需求愈發(fā)迫切。GoMars模式應(yīng)運(yùn)而生，其基于火星大氣物理理論構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，依托超級(jí)計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜方程組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火星氣候系統(tǒng)的全面模擬。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在邊界層中引入沙塵湍流混合過(guò)程，并結(jié)合地表起沙通量的合理約束，完成了長(zhǎng)達(dá)50個(gè)火星年（約合100個(gè)地球年）的沙塵循環(huán)模擬。模擬結(jié)果系統(tǒng)展示了沙塵循環(huán)的多時(shí)間尺度變率特征，包括日循環(huán)、季節(jié)變化和年際變率。在非全球性沙塵暴年份中，沙塵的日變化和季節(jié)變化呈現(xiàn)顯著重復(fù)性，模擬的“氣候平均態(tài)”與火星氣候分析數(shù)據(jù)集及“火星氣候探測(cè)儀”觀測(cè)資料高度一致。GoMars模擬的近地表風(fēng)應(yīng)力起沙通量與國(guó)際先進(jìn)模式MarsWRF的結(jié)果在季節(jié)變化和空間分布上吻合良好。

在日循環(huán)尺度上，模擬顯示塵卷風(fēng)起沙通量峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00至13:00之間，與“火星探路者”火星車(chē)的實(shí)測(cè)記錄相符。GoMars還成功再現(xiàn)了全球性沙塵暴事件的發(fā)生時(shí)間、位置及沙塵傳輸路徑，并與特定火星年的實(shí)際觀測(cè)吻合。尤為重要的是，該模式模擬出顯著的年際變率，包括全球性沙塵暴爆發(fā)間隔的不規(guī)則性以及沙塵與大氣間的相互反饋機(jī)制。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃引入更貼近實(shí)際觀測(cè)的動(dòng)態(tài)下墊面特性，以深入探究火星沙塵循環(huán)年際變率的機(jī)制。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)將集成火星水循環(huán)過(guò)程，研究其與沙塵循環(huán)的相互作用，并構(gòu)建先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。最終目標(biāo)是將GoMars發(fā)展為具備火星天氣預(yù)報(bào)能力的系統(tǒng)，利用“天問(wèn)三號(hào)”的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，為人類(lèi)火星探測(cè)任務(wù)提供關(guān)鍵支持。