隨著“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)的成功實(shí)施與“天問(wèn)三號(hào)”采樣返回任務(wù)的穩(wěn)步籌備，中國(guó)火星探測(cè)已邁入全新階段，對(duì)火星氣象環(huán)境尤其是沙塵循環(huán)的認(rèn)知需求日益迫切。為填補(bǔ)我國(guó)在火星數(shù)值模擬領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的自主模式空白，首個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的火星大氣環(huán)流模式GoMars應(yīng)運(yùn)而生。

本研究基于GoMars，通過(guò)在邊界層中引入沙塵湍流混合過(guò)程，并結(jié)合對(duì)地表起沙通量的合理約束，完成了長(zhǎng)達(dá)50個(gè)火星年的沙塵循環(huán)模擬，系統(tǒng)探究了其多時(shí)間尺度變率特征。GoMars完整模擬了沙塵在大氣中的運(yùn)動(dòng)過(guò)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。

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)”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(cè)儀”觀測(cè)資料的驗(yàn)證一致。在缺乏直接觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，研究進(jìn)一步將GoMars模擬的近地表風(fēng)應(yīng)力起沙通量與國(guó)際上先進(jìn)的MarsWRF等火星大氣環(huán)流模式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示二者在季節(jié)變化與空間分布上具有良好一致性。

在日循環(huán)尺度上，模擬的塵卷風(fēng)起沙通量峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00至13:00之間，與“火星探路者”火星車的實(shí)測(cè)記錄相符。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(cè)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。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在現(xiàn)有基礎(chǔ)上引入更貼近實(shí)際觀測(cè)的動(dòng)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；同時(shí)，將集成火星水循環(huán)過(guò)程，研究其與沙塵循環(huán)的相互作用。此外，團(tuán)隊(duì)還將為GoMars構(gòu)建先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)的最終目的是將GoMars構(gòu)建為具備火星天氣預(yù)報(bào)能力的系統(tǒng)，利用未來(lái)“天問(wèn)三號(hào)”的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)火星天氣預(yù)報(bào)。