中國科學院大氣物理研究所的科研團隊近日取得重要突破，成功研發出我國首個自主火星大氣環流模式GoMars（Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars），并利用該模式對火星沙塵循環進行了系統性模擬研究。相關成果已在國際學術期刊《大氣科學進展》發表，標志著我國在火星氣象研究領域邁出關鍵一步。
火星作為地球的"太陽系姊妹星"，其表面覆蓋著廣袤的荒漠，隱藏著生命起源的線索，也承載著人類拓展生存邊界的希望。然而，這顆紅色星球的環境異常嚴苛：稀薄的大氣、強烈的宇宙輻射，以及足以席卷全球的巨型沙塵暴，構成了火星探測的主要挑戰。這些沙塵暴不僅會損壞探測設備，還會干擾太陽能供電和通信系統，甚至導致任務失敗。火星沙塵循環系統包含從局部塵卷風到全球性沙塵暴的各種尺度現象，其中全球性沙塵暴（GDS）是塑造火星氣候年際變化的核心因素。
盡管人類已積累大量火星觀測數據，但現有數據在時間連續性、空間覆蓋度和分辨率方面仍存在明顯不足。要全面理解火星沙塵循環機制，大氣數值模擬成為關鍵手段。該模式通過構建數學模型并依托超級計算機求解復雜方程組，能夠模擬火星氣候系統的動態演變過程。隨著"天問一號"任務成功實施和"天問三號"采樣返回任務籌備推進，我國對火星氣象環境的認知需求日益迫切，自主研發火星大氣模式成為重要戰略需求。
研究團隊在GoMars模式中創新性地引入沙塵湍流混合過程，并結合地表起沙通量約束，完成了長達50個火星年（約合100個地球年）的連續模擬。該模式完整再現了沙塵從塵卷風抬升、大氣平流到沉降的全過程，系統揭示了沙塵循環的日變化、季節變化和年際變化特征。模擬結果顯示，在非全球性沙塵暴年份，沙塵活動呈現出顯著的日周期性，塵卷風起沙通量峰值出現在當地時間12:00至13:00，與"火星探路者"實測數據高度吻合。
在季節尺度上，模式成功模擬出沙塵在垂直-緯向方向上的季節性分布特征。通過與火星氣候分析數據集和"火星氣候探測儀"觀測資料對比驗證，模擬結果準確再現了沙塵的季節性遷移規律。在缺乏直接觀測的年際尺度上，研究團隊將GoMars模擬的近地表風應力起沙通量與國際先進模式MarsWRF進行對比，發現二者在季節變化和空間分布上具有良好一致性。
該模式最突出的成就是成功模擬出全球性沙塵暴事件。在50年模擬期間共出現11次全球性沙塵暴，其發生時間、爆發位置和沙塵傳輸路徑均與歷史觀測記錄相符。模式還捕捉到沙塵暴爆發間隔的不規則性，以及沙塵與大氣之間的復雜反饋機制，這些特征此前因觀測數據限制而難以研究。特別是在模擬年際變率方面，GoMars展現出顯著優勢，為理解火星氣候突變機制提供了新工具。
研究團隊計劃進一步優化模式性能，通過引入動態下墊面特性參數，深入探究火星沙塵循環年際變率的驅動機制。同時將集成火星水循環過程，研究水-沙塵相互作用對氣候的影響。團隊正在開發先進的數據同化系統，旨在將GoMars升級為具備實時火星天氣預報能力的綜合平臺。未來結合"天問三號"的實測數據，該系統有望實現火星天氣的精準預報，為我國火星探測任務提供關鍵氣象保障。
