中国科学院大气物理研究所的科研团队近日取得重要突破，成功研发出我国首个自主火星大气环流模式GoMars（Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars），并利用该模式对火星沙尘循环进行了系统性模拟研究。相关成果已在国际学术期刊《大气科学进展》发表，标志着我国在火星气象研究领域迈出关键一步。
火星作为地球的"太阳系姊妹星"，其表面覆盖着广袤的荒漠，隐藏着生命起源的线索，也承载着人类拓展生存边界的希望。然而，这颗红色星球的环境异常严苛：稀薄的大气、强烈的宇宙辐射，以及足以席卷全球的巨型沙尘暴，构成了火星探测的主要挑战。这些沙尘暴不仅会损坏探测设备，还会干扰太阳能供电和通信系统，甚至导致任务失败。火星沙尘循环系统包含从局部尘卷风到全球性沙尘暴的各种尺度现象，其中全球性沙尘暴（GDS）是塑造火星气候年际变化的核心因素。
尽管人类已积累大量火星观测数据，但现有数据在时间连续性、空间覆盖度和分辨率方面仍存在明显不足。要全面理解火星沙尘循环机制，大气数值模拟成为关键手段。该模式通过构建数学模型并依托超级计算机求解复杂方程组，能够模拟火星气候系统的动态演变过程。随着"天问一号"任务成功实施和"天问三号"采样返回任务筹备推进，我国对火星气象环境的认知需求日益迫切，自主研发火星大气模式成为重要战略需求。
研究团队在GoMars模式中创新性地引入沙尘湍流混合过程，并结合地表起沙通量约束，完成了长达50个火星年（约合100个地球年）的连续模拟。该模式完整再现了沙尘从尘卷风抬升、大气平流到沉降的全过程，系统揭示了沙尘循环的日变化、季节变化和年际变化特征。模拟结果显示，在非全球性沙尘暴年份，沙尘活动呈现出显著的日周期性，尘卷风起沙通量峰值出现在当地时间12:00至13:00，与"火星探路者"实测数据高度吻合。
在季节尺度上，模式成功模拟出沙尘在垂直-纬向方向上的季节性分布特征。通过与火星气候分析数据集和"火星气候探测仪"观测资料对比验证，模拟结果准确再现了沙尘的季节性迁移规律。在缺乏直接观测的年际尺度上，研究团队将GoMars模拟的近地表风应力起沙通量与国际先进模式MarsWRF进行对比，发现二者在季节变化和空间分布上具有良好一致性。
该模式最突出的成就是成功模拟出全球性沙尘暴事件。在50年模拟期间共出现11次全球性沙尘暴，其发生时间、爆发位置和沙尘传输路径均与历史观测记录相符。模式还捕捉到沙尘暴爆发间隔的不规则性，以及沙尘与大气之间的复杂反馈机制，这些特征此前因观测数据限制而难以研究。特别是在模拟年际变率方面，GoMars展现出显著优势，为理解火星气候突变机制提供了新工具。
研究团队计划进一步优化模式性能，通过引入动态下垫面特性参数，深入探究火星沙尘循环年际变率的驱动机制。同时将集成火星水循环过程，研究水-沙尘相互作用对气候的影响。团队正在开发先进的数据同化系统，旨在将GoMars升级为具备实时火星天气预报能力的综合平台。未来结合"天问三号"的实测数据，该系统有望实现火星天气的精准预报，为我国火星探测任务提供关键气象保障。
