中国GoMars系统突破火星沙尘循环模拟难题

中国科学院大气物理研究所科研团队近日宣布，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），相关研究成果发表于国际学术期刊《大气科学进展》。该模式通过系统模拟火星沙尘循环过程，首次完整再现了沙尘运动的多时间尺度特征，为火星天气预报与气候研究提供了关键技术支撑。

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火星作为太阳系中与地球最为相似的行星，其表面覆盖着广阔的荒漠，但稀薄的大气层和频繁的沙尘暴却构成严峻挑战。全球性沙尘暴（GDS）作为极端天气事件，不仅会覆盖整个星球表面，更会引发火星气候的显著年际波动。由于火星探测设备易受沙尘影响，准确预测沙尘活动成为保障探测任务安全的核心需求。然而，现有观测数据在时空连续性上存在明显局限，大气数值模拟成为破解火星气候谜题的重要工具。

针对我国火星数值模拟领域长期依赖国外模式的现状，科研团队基于火星大气物理理论构建了GoMars模式。该模式通过引入沙尘湍流混合机制，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。模拟结果全面覆盖了尘卷风抬升、风应力驱动、平流传输及沉降等沙尘运动全链过程，首次在单一模式中实现了从日变化到年际波动的多尺度再现。

验证数据显示，GoMars在多个关键指标上达到国际先进水平。在非全球性沙尘暴年份，模式成功再现了沙尘日变化峰值出现在火星当地时间12:00-13:00的规律，与"火星探路者"实测记录高度吻合。季节尺度上，模拟的垂直-纵向沙尘分布形态与强度，经火星气候分析数据集及"火星气候探测仪"观测资料验证，误差控制在可接受范围内。年际尺度方面，模式自然模拟出全球性沙尘暴的爆发间隔、传输路径等特征，其与MarsWRF等国际主流模式的季节-空间分布对比显示，关键参数一致性达85%以上。

特别值得关注的是，GoMars突破性地再现了火星气候的年际变率特征。模拟结果显示，全球性沙尘暴的爆发间隔存在显著不规则性，沙尘与大气间的反馈机制呈现复杂非线性关系。这种年际波动正是导致火星气候系统长期预测困难的核心因素，此前国际模式普遍存在20%以上的模拟偏差。

据研发团队介绍，GoMars的构建融合了多项创新技术：采用动态下垫面参数化方案，使地表特性随气候状态自适应调整；开发沙尘-大气耦合模块，精准刻画二者相互作用；建立多尺度数据同化框架，为未来接入"天问三号"实测数据奠定基础。目前模式已实现10公里级空间分辨率，较国际同类模式提升近一个量级。

随着"天问"系列探测任务的深入推进，我国火星研究正从探测阶段迈向科学认知阶段。GoMars模式的面世，不仅填补了我国在行星大气模拟领域的技术空白，更为后续火星车路径规划、能源系统设计等工程应用提供了科学依据。研究团队透露，下一步将重点优化沙尘年际变率机制描述，并集成水循环过程模拟功能，最终构建具备实时预报能力的火星天气系统。