火星作為人類星際移民的首選目標(biāo)，其大氣環(huán)境尤其是巨型沙塵暴的研究一直備受關(guān)注。中國科學(xué)院大氣物理研究所科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的新一代火星大氣環(huán)流模式GoMars，在近日成功實(shí)施了首次全面模擬火星沙塵循環(huán)，解密了火星沙塵行為，并通過評(píng)估GoMars的模擬性能，為未來實(shí)現(xiàn)可靠的火星天氣預(yù)報(bào)與氣候預(yù)測(cè)奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

在50年的模擬中，GoMars爆發(fā)了11次全球性沙塵暴，揭示了沙塵循環(huán)的相關(guān)機(jī)制。這項(xiàng)研究由中國科學(xué)院大氣所研究員王斌、正高級(jí)工程師董理和博士研究生劉帥等合作完成，成果發(fā)表在《大氣科學(xué)進(jìn)展》期刊上。

火星作為地球的“姊妹星”，雖然充滿神秘，但也潛藏著致命威脅，如稀薄的大氣、強(qiáng)烈的輻射和巨型沙塵暴。電影《火星救援》中的場(chǎng)景展示了沙塵暴對(duì)設(shè)備和任務(wù)的巨大影響。從廣義上看，火星的沙塵循環(huán)系統(tǒng)包括各種尺度的沙塵暴，不僅塑造了火星的日常天氣，還在其長期氣候演化中扮演著核心角色?；鹦巧系娜蛐陨硥m暴是典型的極端天氣事件，也是引發(fā)火星氣候顯著年際變率的主要驅(qū)動(dòng)力。

盡管火星觀測(cè)數(shù)據(jù)豐富，但現(xiàn)有數(shù)據(jù)在時(shí)間連續(xù)性、空間覆蓋度和時(shí)空分辨率方面仍有局限。因此，大氣數(shù)值模式顯得尤為重要，它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)雜的控制方程組，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星氣候系統(tǒng)的全面模擬與預(yù)測(cè)。隨著“天問”系列任務(wù)的成功實(shí)施，中國對(duì)火星大氣環(huán)境的認(rèn)知需求日益迫切，首個(gè)中國自主研發(fā)的火星大氣環(huán)流模式應(yīng)運(yùn)而生。

在本項(xiàng)研究中，科研團(tuán)隊(duì)基于GoMars對(duì)火星沙塵循環(huán)進(jìn)行了系統(tǒng)性模擬，重點(diǎn)展示了沙塵循環(huán)的多時(shí)間尺度變率，并成功模擬出其中最具挑戰(zhàn)的年際變率。他們通過引入沙塵湍流混合過程和合理約束地表起沙通量，完成了長達(dá)50個(gè)火星年的沙塵循環(huán)模擬，探究其多時(shí)間尺度變率特征。GoMars完整模擬了火星沙塵在大氣中的運(yùn)動(dòng)過程，包括塵卷風(fēng)、風(fēng)應(yīng)力沙塵抬升、沙塵的平流和沉降等。

研究發(fā)現(xiàn)，GoMars在多個(gè)關(guān)鍵方面再現(xiàn)了沙塵循環(huán)的日循環(huán)、季節(jié)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(jié)變化具有顯著的重復(fù)性。模擬所得的“氣候平均態(tài)”成功再現(xiàn)了沙塵在垂直-緯向方向上的季節(jié)性分布形態(tài)與強(qiáng)度，結(jié)果經(jīng)火星氣候分析數(shù)據(jù)集與“火星氣候探測(cè)儀”觀測(cè)資料驗(yàn)證一致。此外，GoMars模擬的近地表風(fēng)應(yīng)力起沙通量與國際上先進(jìn)的MarsWRF等火星大氣環(huán)流模式在季節(jié)變化與空間分布上具有良好一致性。

在日循環(huán)尺度上，GoMars模擬的塵卷風(fēng)起沙通量峰值出現(xiàn)在火星當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00至13:00之間，與“火星探路者”火星車的實(shí)測(cè)記錄相符。GoMars還準(zhǔn)確模擬了火星亞馬遜地區(qū)作為塵卷風(fēng)活動(dòng)熱點(diǎn)的強(qiáng)烈起沙現(xiàn)象，與觀測(cè)識(shí)別結(jié)果一致。

科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來進(jìn)一步研究中引入更貼近實(shí)際觀測(cè)的動(dòng)態(tài)下墊面特性，深入探究火星沙塵循環(huán)年際變率機(jī)制。同時(shí)，他們還將集成火星水循環(huán)過程，研究其與沙塵循環(huán)的相互作用，并為GoMars構(gòu)建先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，最終目標(biāo)是將GoMars構(gòu)建為具備火星天氣預(yù)報(bào)能力的系統(tǒng)，利用未來“天問三號(hào)”的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)火星天氣預(yù)報(bào)。