在國家火星探測任務的驅動下,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的過程與機制,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,更在其長期氣候演化中扮演著核心角色。其中,“隨機”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動力。
為填補我國在火星大氣數(shù)值模擬領域長期存在的自主模式空白,中國科學院大氣物理研究所在國家自然科學基金、大氣所“十四五”基礎科研項目、“天問三號”關鍵技術攻關項目和國家重大科技基礎設施地球系統(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,通過進一步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,完成了長達50個火星年(1個火星年約等于2個地球年)的沙塵循環(huán)模擬,系統(tǒng)探究了其多時間尺度變率特征。GoMars完整描述了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。

圖1. GoMars中沙塵相關過程的計算流程
研究發(fā)現(xiàn),GoMars在多個關鍵方面再現(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)與強度,結果經(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)的相關機制
未來,GoMars將引入更貼近實際觀測的動態(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,構建先進的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng),為火星天氣預報提供科學支持。
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.