中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所科研團(tuán)隊(duì)近日宣布，成功研發(fā)出我國(guó)首個(gè)自主火星大氣環(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》發(fā)表相關(guān)研究成果。該模式通過(guò)系統(tǒng)模擬火星沙塵循環(huán)過(guò)程，首次完整再現(xiàn)了沙塵運(yùn)動(dòng)的多時(shí)間尺度特征，為火星天氣預(yù)報(bào)與氣候研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

火星作為太陽(yáng)系中與地球最為相似的行星，其表面覆蓋著廣袤的荒漠，但稀薄的大氣層和頻繁的沙塵暴卻構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。全球性沙塵暴（GDS）作為極端天氣事件，不僅會(huì)覆蓋整個(gè)星球表面，更會(huì)引發(fā)火星氣候的顯著年際波動(dòng)。由于火星探測(cè)設(shè)備易受沙塵影響，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沙塵活動(dòng)成為保障探測(cè)任務(wù)安全的核心需求。然而，現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)空連續(xù)性上存在明顯局限，大氣數(shù)值模擬成為破解火星氣候謎題的重要工具。

針對(duì)我國(guó)火星數(shù)值模擬領(lǐng)域長(zhǎng)期依賴(lài)國(guó)外模式的現(xiàn)狀，科研團(tuán)隊(duì)基于火星大氣物理理論構(gòu)建了GoMars模式。該模式通過(guò)引入沙塵湍流混合機(jī)制，結(jié)合地表起沙通量約束，完成了長(zhǎng)達(dá)50個(gè)火星年（約合100個(gè)地球年）的連續(xù)模擬。模擬結(jié)果全面覆蓋了塵卷風(fēng)抬升、風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)、平流傳輸及沉降等沙塵運(yùn)動(dòng)全鏈條過(guò)程，首次在單一模式中實(shí)現(xiàn)了從日變化到年際波動(dòng)的多尺度再現(xiàn)。

驗(yàn)證數(shù)據(jù)顯示，GoMars在多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在非全球性沙塵暴年份，模式成功復(fù)現(xiàn)了沙塵日變化峰值出現(xiàn)在火星當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00-13:00的規(guī)律，與"火星探路者"實(shí)測(cè)記錄高度吻合。季節(jié)尺度上，模擬的垂直-緯向沙塵分布形態(tài)與強(qiáng)度，經(jīng)火星氣候分析數(shù)據(jù)集及"火星氣候探測(cè)儀"觀測(cè)資料驗(yàn)證，誤差控制在可接受范圍內(nèi)。年際尺度方面，模式自然模擬出全球性沙塵暴的爆發(fā)間隔、傳輸路徑等特征，其與MarsWRF等國(guó)際主流模式的季節(jié)-空間分布對(duì)比顯示，關(guān)鍵參數(shù)一致性達(dá)85%以上。

特別值得關(guān)注的是，GoMars突破性地再現(xiàn)了火星氣候的年際變率特征。模擬結(jié)果顯示，全球性沙塵暴的爆發(fā)間隔存在顯著不規(guī)則性，沙塵與大氣間的反饋機(jī)制呈現(xiàn)復(fù)雜非線性關(guān)系。這種年際波動(dòng)正是導(dǎo)致火星氣候系統(tǒng)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)困難的核心因素，此前國(guó)際模式普遍存在20%以上的模擬偏差。

據(jù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)介紹，GoMars的構(gòu)建融合了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)：采用動(dòng)態(tài)下墊面參數(shù)化方案，使地表特性隨氣候狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整；開(kāi)發(fā)沙塵-大氣耦合模塊，精準(zhǔn)刻畫(huà)兩者相互作用；建立多尺度數(shù)據(jù)同化框架，為未來(lái)接入"天問(wèn)三號(hào)"實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。目前模式已實(shí)現(xiàn)10公里級(jí)空間分辨率，較國(guó)際同類(lèi)模式提升近一個(gè)量級(jí)。

隨著"天問(wèn)"系列探測(cè)任務(wù)的深入推進(jìn)，我國(guó)火星研究正從探測(cè)階段邁向科學(xué)認(rèn)知階段。GoMars模式的問(wèn)世，不僅填補(bǔ)了我國(guó)在行星大氣模擬領(lǐng)域的技術(shù)空白，更為后續(xù)火星車(chē)路徑規(guī)劃、能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)透露，下一步將重點(diǎn)優(yōu)化沙塵年際變率機(jī)制描述，并集成水循環(huán)過(guò)程模擬功能，最終構(gòu)建具備實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)能力的火星天氣系統(tǒng)。