在國家火星探測任務(wù)的驅(qū)動下,對火星天氣氣候系統(tǒng)有重要影響的沙塵活動成為中國行星大氣科學(xué)家研究的重要議題之一。從廣義上看,火星的沙塵循環(huán)系統(tǒng)涵蓋了所有與沙塵相關(guān)的過程與機(jī)制,其中包含各種尺度的沙塵暴。這一系統(tǒng)在塑造火星日常天氣的同時(shí),更在其長期氣候演化中扮演著核心角色。其中,“隨機(jī)”爆發(fā)的全球性沙塵暴(Global Dust Storm,簡稱GDS),是典型的極端天氣事件,也是引發(fā)火星氣候出現(xiàn)顯著年際變率的主要驅(qū)動力。
為填補(bǔ)我國在火星大氣數(shù)值模擬領(lǐng)域長期存在的自主模式空白,中國科學(xué)院大氣物理研究所在國家自然科學(xué)基金、大氣所“十四五”基礎(chǔ)科研項(xiàng)目、“天問三號”關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目和國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置(EarthLab)的聯(lián)合資助下,發(fā)展了火星大氣環(huán)流模式GoMars。
本研究基于GoMars,通過進(jìn)一步在邊界層中引入沙塵湍流混合過程,并結(jié)合對地表起沙通量的合理約束,完成了長達(dá)50個(gè)火星年(1個(gè)火星年約等于2個(gè)地球年)的沙塵循環(huán)模擬,系統(tǒng)探究了其多時(shí)間尺度變率特征。GoMars完整描述了沙塵在大氣中的運(yùn)動過程,包括塵卷風(fēng)和風(fēng)應(yīng)力沙塵抬升、沙塵的平流和沉降等。

圖1. GoMars中沙塵相關(guān)過程的計(jì)算流程
研究發(fā)現(xiàn),GoMars在多個(gè)關(guān)鍵方面再現(xiàn)出沙塵循環(huán)的日循環(huán)、季節(jié)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(jié)變化具有顯著的重復(fù)性。模擬所得的“氣候平均態(tài)”(即所有非全球性沙塵暴年份的集合平均)成功再現(xiàn)了沙塵在垂直-緯向方向上的季節(jié)性分布形態(tài)與強(qiáng)度,結(jié)果經(jīng)火星氣候分析數(shù)據(jù)集與“火星氣候探測儀”觀測資料的驗(yàn)證一致。并且,GoMars能夠自然模擬出全球性沙塵暴事件,再現(xiàn)其發(fā)生時(shí)間、位置及沙塵傳輸路徑,并與特定火星年的實(shí)際觀測吻合。此外,該模式還模擬出顯著的年際變率,包括不規(guī)則的全球性沙塵暴爆發(fā)間隔以及合理的沙塵–大氣間的相互反饋。

圖2. 在GoMars的50年模擬中爆發(fā)的11次全球性沙塵暴,以及沙塵循環(huán)的相關(guān)機(jī)制
未來,GoMars將引入更貼近實(shí)際觀測的動態(tài)下墊面特性,以深入探究目前尚不明確的火星沙塵循環(huán)年際變率機(jī)制,集成火星水循環(huán)過程,研究其與沙塵循環(huán)的相互作用,構(gòu)建先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng),為火星天氣預(yù)報(bào)提供科學(xué)支持。
Liu,S.,and Coauthors,2025: The fully interactive Martian dust cycle simulations by the GoMars model. Adv. Atmos. Sci.,https://doi.org/10.1007/s00376-025-5190-2.