我国科学家全面模拟火星沙尘循环

来源：央视新闻客户端

记者从中国科学院大气物理研究所获悉，国科近期该所科研人员成功研发火星大气环流模式GoMars。学家循环基于该模式，全面大同市某某化品制造厂研究团队对火星沙尘循环开展了系统性模拟研究，模拟全面模拟了火星沙尘循环，火星重点展示了沙尘循环的沙尘多时间尺度变率，并成功模拟了其中最具挑战的国科年际变率，这是学家循环火星大气模拟公认的难点之一。此外，全面该研究有效评估了GoMars的模拟模拟性能，为未来实现可靠的火星大同市某某化品制造厂火星天气预报与气候预测奠定了关键基础。相关研究成果已在学术期刊《大气科学进展》发表。沙尘

火星，国科这颗与地球最为相似的学家循环“太阳系姊妹星”，始终以其神秘面貌召唤着人类的全面探索。荒漠之下，或许隐藏着生命起源的线索，也孕育着人类拓展生存边界的希望。然而，火星也潜藏着致命威胁——稀薄的大气、强烈的辐射，以及最令人畏惧的、足以席卷整个星球的巨型沙尘暴。一场突如其来的剧烈沙尘暴，足以让火星探测设备、太阳能电池板和通信系统等设备失灵，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了所有与沙尘相关的过程与机制，其中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，“随机”爆发的全球性沙尘暴（Global Dust Storm，简称GDS），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。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“天问一号”任务的成功实施与“天问三号”采样返回任务的稳步筹备，中国火星探测已迈入全新阶段，对火星气象环境，尤其是对沙尘循环的认知需求日益迫切。为填补我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GoMars（Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars）应运而生。

本研究基于GoMars，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，完成了长达50个火星年（1个火星年约2个地球年）的沙尘循环模拟，系统探究了其多时间尺度变率特征。GoMars完整模拟了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。

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）成功再现了沙尘在垂直-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，模拟的尘卷风起沙通量峰值出现在当地时间12:00至13:00之间，与“火星探路者”火星车的实测记录相符。

GoMars能够自然模拟出全球性沙尘暴事件，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。

研究团队计划在现有基础上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，将集成火星水循环过程，研究其与沙尘循环的相互作用。此外，团队还将为GoMars构建先进的数据同化系统。团队的最终目的是将GoMars构建为具备火星天气预报能力的系统，利用未来“天问三号”的实测数据，进行实时火星天气预报。

△在GoMars的50年模拟中爆发的11次全球性沙尘暴，以及沙尘循环的相关机制。

（总台央视记者 帅俊全 褚尔嘉）

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