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记者从中国科学院大气物理研究所获悉,近期该所科研人员成功研发火星大气环流模式GoMars。基于该模式,研究团队对火星沙尘循环开展了系统性模拟研究,全面模拟了火星沙尘循环,重点展示了沙尘循环的多时间尺度变率,并成功模拟了其中最具挑战的年际变率,这是火星大气模拟公认的难点之一。此外,该研究有效评估了GoMars的模拟性能,为未来实现可靠的火星天气预报与气候预测奠定了关键基础。相关研究成果已在学术期刊《大气科学进展》发表。
火星,这颗与地球最为相似的“太阳系姊妹星”,始终以其神秘面貌召唤着人类的探索。荒漠之下,或许隐藏着生命起源的线索,也孕育着人类拓展生存边界的希望。然而,火星也潜藏着致命威胁——稀薄的大气、强烈的辐射,以及最令人畏惧的、足以席卷整个星球的巨型沙尘暴。一场突如其来的剧烈沙尘暴,足以让火星探测设备、太阳能电池板和通信系统等设备失灵,令人类的探索任务陷入绝境。从广义上看,火星的沙尘循环系统涵盖了所有与沙尘相关的过程与机制,其中包含各种尺度的沙尘暴。这一系统在塑造火星日常天气的同时,更在其长期气候演化中扮演着核心角色。其中,“随机”爆发的全球性沙尘暴(Global Dust Storm,简称GDS),是典型的极端天气事件,也是引发火星气候出现显著年际变率的主要驱动力。
尽管火星是人类迄今观测数据最丰富的地外行星,但现有数据在时间连续性、空间覆盖度和时空分辨率方面仍存在明显局限。要看清火星沙尘循环的全貌,大气数值模式,显得尤为重要。它基于火星大气物理理论构建数学模型,依托超级计算机求解复杂的控制方程组,从而实现对火星气候系统的全面模拟与预测。
随着“天问一号”任务的成功实施与“天问三号”采样返回任务的稳步筹备,中国火星探测已迈入全新阶段,对火星气象环境,尤其是对沙尘循环的认知需求日益迫切。为填补我国在火星数值模拟领域长期存在的自主模式空白,首个中国自主研发的火星大气环流模式GoMars(Global Open Planetary Atmospheric Model for Mars)应运而生。
本研究基于GoMars,通过在边界层中引入沙尘湍流混合过程,并结合对地表起沙通量的合理约束,完成了长达50个火星年(1个火星年约2个地球年)的沙尘循环模拟,系统探究了其多时间尺度变率特征。GoMars完整模拟了沙尘在大气中的运动过程,包括尘卷风和风应力沙尘抬升、沙尘的平流和沉降等。
研究发现,GoMars在多个关键方面再现出沙尘循环的日循环、季节变化和年际变率特征。在非全球性沙尘暴年份中,沙尘的日变化与季节变化具有显著的重复性。模拟所得的“气候平均态”(即所有非全球性沙尘暴年份的集合平均)成功再现了沙尘在垂直-纬向方向上的季节性分布形态与强度,结果经火星气候分析数据集与“火星气候探测仪”观测资料的验证一致。在缺乏直接观测数据的情况下,研究进一步将GoMars模拟的近地表风应力起沙通量与国际上先进的MarsWRF等火星大气环流模式进行对比,结果显示二者在季节变化与空间分布上具有良好一致性。
在日循环尺度上,模拟的尘卷风起沙通量峰值出现在当地时间12:00至13:00之间,与“火星探路者”火星车的实测记录相符。
GoMars能够自然模拟出全球性沙尘暴事件,再现其发生时间、位置及沙尘传输路径,并与特定火星年的实际观测吻合。此外,该模式还模拟出显著的年际变率,包括不规则的全球性沙尘暴爆发间隔以及合理的沙尘–大气间的相互反馈。
研究团队计划在现有基础上引入更贴近实际观测的动态下垫面特性,以深入探究目前尚不明确的火星沙尘循环年际变率机制;同时,将集成火星水循环过程,研究其与沙尘循环的相互作用。此外,团队还将为GoMars构建先进的数据同化系统。团队的最终目的是将GoMars构建为具备火星天气预报能力的系统,利用未来“天问三号”的实测数据,进行实时火星天气预报。
(来源:央视新闻)
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