記者從中國科學(xué)院大氣物理研究所獲悉，近期該所科研人員成功研發(fā)火星大氣環(huán)流模式GoMars?；谠撃Ｊ?，研究團隊對火星沙塵循環(huán)開(kāi)展了系統性模擬研究，全面模擬了火星沙塵循環(huán)，重點(diǎn)展示了沙塵循環(huán)的多時(shí)間尺度變率，并成功模擬了其中最具挑戰的年際變率，這是火星大氣模擬公認的難點(diǎn)之一。此外，該研究有效評估了GoMars的模擬性能，為未來(lái)實(shí)現可靠的火星天氣預報與氣候預測奠定了關(guān)鍵基礎。相關(guān)研究成果已在學(xué)術(shù)期刊《大氣科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表。
火星，這顆與地球最為相似的“太陽(yáng)系姊妹星”，始終以其神秘面貌召喚著(zhù)人類(lèi)的探索?；哪?，或許隱藏著(zhù)生命起源的線(xiàn)索，也孕育著(zhù)人類(lèi)拓展生存邊界的希望。然而，火星也潛藏著(zhù)致命威脅——稀薄的大氣、強烈的輻射，以及最令人畏懼的、足以席卷整個(gè)星球的巨型沙塵暴。一場(chǎng)突如其來(lái)的劇烈沙塵暴，足以讓火星探測設備、太陽(yáng)能電池板和通信系統等設備失靈，令人類(lèi)的探索任務(wù)陷入絕境。從廣義上看，火星的沙塵循環(huán)系統涵蓋了所有與沙塵相關(guān)的過(guò)程與機制，其中包含各種尺度的沙塵暴。這一系統在塑造火星日常天氣的同時(shí)，更在其長(cháng)期氣候演化中扮演著(zhù)核心角色。其中，“隨機”爆發(fā)的全球性沙塵暴(Global Dust Storm，簡(jiǎn)稱(chēng)GDS)，是典型的極端天氣事件，也是引發(fā)火星氣候出現顯著(zhù)年際變率的主要驅動(dòng)力。
盡管火星是人類(lèi)迄今觀(guān)測數據最豐富的地外行星，但現有數據在時(shí)間連續性、空間覆蓋度和時(shí)空分辨率方面仍存在明顯局限。要看清火星沙塵循環(huán)的全貌，大氣數值模式，顯得尤為重要。它基于火星大氣物理理論構建數學(xué)模型，依托超級計算機求解復雜的控制方程組，從而實(shí)現對火星氣候系統的全面模擬與預測。
隨著(zhù)“天問(wèn)一號”任務(wù)的成功實(shí)施與“天問(wèn)三號”采樣返回任務(wù)的穩步籌備，中國火星探測已邁入全新階段，對火星氣象環(huán)境，尤其是對沙塵循環(huán)的認知需求日益迫切。為填補我國在火星數值模擬領(lǐng)域長(cháng)期存在的自主模式空白，首個(gè)中國自主研發(fā)的火星大氣環(huán)流模式GoMars(Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars)應運而生。
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，并結合對地表起沙通量的合理約束，完成了長(cháng)達50個(gè)火星年(1個(gè)火星年約2個(gè)地球年)的沙塵循環(huán)模擬，系統探究了其多時(shí)間尺度變率特征。GoMars完整模擬了沙塵在大氣中的運動(dòng)過(guò)程，包括塵卷風(fēng)和風(fēng)應力沙塵抬升、沙塵的平流和沉降等。
研究發(fā)現，GoMars在多個(gè)關(guān)鍵方面再現出沙塵循環(huán)的日循環(huán)、季節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變化具有顯著(zhù)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)成功再現了沙塵在垂直-緯向方向上的季節性分布形態(tài)與強度，結果經(jīng)火星氣候分析數據集與“火星氣候探測儀”觀(guān)測資料的驗證一致。在缺乏直接觀(guān)測數據的情況下，研究進(jìn)一步將GoMars模擬的近地表風(fēng)應力起沙通量與國際上先進(jìn)的MarsWRF等火星大氣環(huán)流模式進(jìn)行對比，結果顯示二者在季節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)起沙通量峰值出現在當地時(shí)間12:00至13:00之間，與“火星探路者”火星車(chē)的實(shí)測記錄相符。
GoMars能夠自然模擬出全球性沙塵暴事件，再現其發(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(guān)測吻合。此外，該模式還模擬出顯著(zhù)的年際變率，包括不規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。
研究團隊計劃在現有基礎上引入更貼近實(shí)際觀(guān)測的動(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，團隊還將為GoMars構建先進(jìn)的數據同化系統。團隊的最終目的是將GoMars構建為具備火星天氣預報能力的系統，利用未來(lái)“天問(wèn)三號”的實(shí)測數據，進(jìn)行實(shí)時(shí)火星天氣預報。
(總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉)
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