我國成功研發新一代火星大氣環流模式 首次全面模擬火星沙塵循環
中新網北京12月1日電(記者孫自法)被視為人類星際移民首選的火星，其巨型沙塵暴等大氣環境研究一直備受關注。
記者12月1日從中國科學院大氣物理研究所(大氣所)獲悉，該所科研團隊自主研發出新一代火星大氣環流模式(GoMars)，基于該模式，近日成功實施首次全面模擬火星沙塵循環，科學解密了火星沙塵行為，并通過有效評估GoMars的模擬性能，為未來實現可靠的火星天氣預報與氣候預測奠定關鍵基礎。
本次研究在GoMars的50年模擬中爆發的11次全球性沙塵暴，以及沙塵循環相關機制的示意圖。中國科學院大氣所 供圖
這項火星大氣模式研發及模擬研究的重要進展，由中國科學院大氣所研究員王斌、正高級工程師董理、博士研究生劉帥等與合作者完成，相關成果論文在最新一期專業學術期刊《大氣科學進展》(AAS)發表。
為何研發火星大氣環流模式
科研團隊介紹說，作為一顆與地球最為相似的太陽系“姊妹星”，火星始終以其神秘面貌召喚著人類的探索。不過，火星也潛藏著致命威脅，包括稀薄的大氣、強烈的輻射、巨型的沙塵暴等。正如電影《火星救援》所展現的，一場突如其來的劇烈沙塵暴，足以讓設備失靈，令人類的探索任務陷入絕境。
從廣義上看，火星的沙塵循環系統涵蓋所有與沙塵相關的過程與機制，包含各種尺度的沙塵暴。這一系統在塑造火星日常天氣的同時，更在其長期氣候演化中扮演著核心角色。其中，火星上隨機爆發的全球性沙塵暴，是典型的極端天氣事件，也是引發火星氣候出現顯著年際變率的主要驅動力。
盡管火星是人類迄今觀測數據最豐富的地外行星，但現有數據在時間連續性、空間覆蓋度和時空分辨率方面仍存在明顯局限。因此，要看清火星沙塵循環的全貌，大氣數值模式顯得尤為重要，它基于火星大氣物理理論構建數學模型，依托超級計算機求解復雜的控制方程組，從而實現對火星氣候系統的全面模擬與預測。
隨著“天問”系列任務的成功實施與穩步籌備，中國火星探測已邁入全新階段，對火星大氣環境尤其是對沙塵循環的認知需求日益迫切。為填補中國在火星數值模擬領域長期存在的自主模式空白，首個中國自主研發的火星大氣環流模式應運而生。
如何系統模擬火星沙塵循環
在本項研究中，科研團隊基于中國研發的新一代火星大氣環流模式，對火星沙塵循環開展系統性模擬研究，重點展示沙塵循環的多時間尺度變率，并成功模擬出其中最具挑戰的、也是火星大氣模擬公認難點之一的年際變率。
他們通過在邊界層中引入沙塵湍流混合過程，并結合對地表起沙通量的合理約束，完成長達50個火星年(1個火星年約合2個地球年)的沙塵循環模擬，系統探究其多時間尺度變率特征。其中，GoMars完整模擬出火星沙塵在大氣中的運動過程，包括塵卷風和風應力沙塵抬升、沙塵的平流和沉降等。
本次研究的GoMars中沙塵相關過程的計算流程。中國科學院大氣所 供圖
對火星沙塵循環的模擬方面，研究發現，GoMars在多個關鍵方面再現出沙塵循環的日循環、季節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變化具有顯著的重復性。模擬所得的“氣候平均態”(即所有非全球性沙塵暴年份的集合平均)成功再現沙塵在垂直-緯向方向上的季節性分布形態與強度，結果經火星氣候分析數據集與“火星氣候探測儀”觀測資料的驗證一致。
在缺乏直接觀測數據的情況下，研究進一步將GoMars模擬的近地表風應力起沙通量與國際上先進的MarsWRF等火星大氣環流模式進行對比，結果顯示二者在季節變化與空間分布上具有良好一致性。
在日循環尺度上，GoMars模擬的塵卷風起沙通量峰值出現在火星當地時間12:00至13:00之間，與“火星探路者”火星車的實測記錄相符。此外，GoMars準確模擬出火星亞馬遜地區作為塵卷風活動熱點的強烈起沙現象，與觀測識別結果一致。
科研團隊指出，GoMars能自然模擬出火星全球性沙塵暴事件，再現其發生時間、位置及沙塵傳輸路徑，并與特定火星年的實際觀測吻合。此外，該模式還模擬出顯著的年際變率，包括火星不規則的全球性沙塵暴爆發間隔以及合理的沙塵–大氣間的相互反饋。
未來進一步研究有何計劃
中國科學院大氣所科研團隊透露，在成功研發GoMars和全面模擬火星沙塵循環的基礎上，他們計劃引入更貼近實際觀測的動態下墊面特性，以深入探究目前尚不明確的火星沙塵循環年際變率機制。
同時，該團隊將集成火星水循環過程，研究其與沙塵循環的相互作用，還將為GoMars構建先進的數據同化系統。
團隊的最終目的是將GoMars構建為具備火星天氣預報能力的系統，利用未來“天問三號”的實測數據，進行實時火星天氣預報。(完)
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