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于间隔地球2亿千米的火星外貌，一场足以笼罩整个星球的沙尘暴正于酝酿。对于在于这颗红色星球上事情的火星探测装备而言，如许的极度气候无异在一场保存挑战。

跟着“天问一号”使命的乐成实行与“天问三号”采样返回使命的稳步筹办，中国火星探测已经迈入全新阶段，对于火星景象形象情况，特别是对于沙尘轮回的认知需求日趋火急。

近日，首个中国自立研发的火星年夜气环流模式GoMars应运而生。这项冲破，不仅弥补了我国于火星数值模仿范畴持久存于的自立模式空缺，更为将来中国的火星探测使命提供了要害的“景象形象保障”。相干研究发表在《年夜气科学进展》。

搭建一颗“数字火星”

当1971年人类首个火星探测器“水手9号”达到火星轨道后，发明火星上正于上演全世界性沙尘暴。火星沙尘暴可以从一个区域最先，于数周内伸张至整个星球，将火星外貌彻底覆盖于沙尘中，连续数月之久。

于火星探测中，每一一次着陆、每个火星车的挪动，都极端依靠对于本地情况的正确研判。火星的沙尘轮回体系于塑造火星一样平常气候的同时，更于持久天气演化中饰演着焦点脚色。此中，“随机”发作的全世界性沙尘暴，是典型的极度气候事务，也是激发火星天气呈现显著年际变率的重要驱动力。

持久以来，火星年夜气数值模仿范畴险些是泰西国度的“主场”。2021年5月，“天问一号”携带的回禄号火星车乐成着陆在火星乌托邦平原，我国对于火星景象形象情况，特别是对于沙尘轮回的认知需求日趋火急，却始终缺少自立的火星年夜气模式。

2021年起，于国度天然科学基金、国度庞大科技基础举措措施“地球体系数值模仿装配”、中国科学院年夜气物理研究所（年夜气所）“十四五”基础科研项目和深空试验室“天问三号”要害技能攻关项目等结合资助下，年夜气所研究员王斌、董理、李艺苑、普业、刘娟娟、刘鸿波等科研职员，接下了这项从零最先的使命。

“构建一个行星标准的年夜气环流模式，繁杂性不亚在于虚拟空间中创造一颗星球。最最先面对的问题是无从下手，火星年夜气淡薄，重力情况非凡，地球年夜气模式的框架没法直接套用。”董理说。

最初的几个月里，董理及博士生刘帅险些成天泡于办公室里，从最基本的物理方程出发，一行代码一个模块地搭建模子雏形，于小我私家电脑长进行低分辩率的道理性验证。

事实上，年夜气环流模仿是高机能计较的典型运用。当模子繁杂度晋升，对于算力的需求急剧增加。

“以1度分辩率为例，今朝利用240个国产CPU焦点，模仿一个火星年需要约8个小时，是以开展火星沙尘轮回模仿需要足够的计较资源支撑。”董理回忆道。经由过程连续争夺，团队于国度庞大科技基础举措措施“地球模仿装配”上得到了专属计较资源，并以“GoMars”定名计较行列步队。

王斌说：“这标记着项目从小我私家摸索正式迈入了年夜范围科学计较的阶段，为后续深度模仿奠基了基石。”

于模子中“孕育”沙尘暴

于火星天气模仿范畴，有一个公认的世界难题：怎样模仿出火星沙尘轮回的年际变率？

“模仿火星的平均天气状况相对于轻易，但要让它‘自觉地’孕育发生全世界性沙尘暴，特别因此合理的频率及强度孕育发生，这是国际学界几十年来一直未能彻底解决的难题。”刘帅注释道。以前的很多模子要末没法孕育发生全世界性沙尘暴，要末孕育发生的频率及强度与不雅测不符。

为此，刘帅举行了两方面的要害立异。起首，经由过程借鉴地球沙尘模仿经验并联合火星不雅测理论，对于地表起沙通量施加了物理上合理的约束，设计了一套合适火星非凡情况的起沙参数化方案，防止模仿瓦解或者掉真。

其次，于模式的界限层物理历程中，刘帅增长了沙尘的湍流混淆历程。“这一改良至关主要，使患上沙尘不仅能被程度风运送，还有能经由过程湍流垂直互换更有用地抬升，这是实际中沙尘成长至高耸尘卷、并可能触发年夜范围反馈的要害。”XX说。

接下来是漫长的调试与等候，他们举行了海量的敏感性实验，调解各类参数组合。GoMars已经经于超等计较机上持续运行了数月，模仿了跨越100个火星年的天气变化。然而，模子中的火星年复一年地安静，没有呈现期待的沙尘暴。

“那时咱们险些要抛却了，思疑本身的物理方案是否存于底子性缺陷。”刘帅回忆道。2024年10月的一个深夜，刘帅像往常同样查抄模子运行成果，起色呈现了。

GoMars的沙尘指数最先急剧飙升，模仿出的火星地面气压年轮回曲线，与上世纪70年月“维京号”探测器于火星外貌实测的数据曲线险些完善堆叠。“当两条曲线严丝合缝地对于上时，心中的年夜石头终究落了地。”刘帅说。

以此为契机，团队睁开了更邃密的优化。终极，于长达 50个火星年（约100个地球年） 的超持久模仿中，GoMars不仅不变再现了沙尘的日轮回及季候迁徙，更乐成模仿出了全世界性沙尘暴的天然发作。

GoMars模仿的火星沙PA集团官网尘轮回的年际变率、起沙历程及全世界性沙尘暴快速发作的正反馈机制。年夜气所供图

于日轮回标准上，模仿的尘卷风起沙通量峰值呈现于本地时间12:00至13:00之间，与“火星探路者”火星车的实测记载相符。此外，GoMars正确模仿出亚马逊地域作为尘卷风勾当热门的强烈起沙征象，与不雅测辨认成果一致。

于缺少直接不雅测数据的环境下，研究进一步将GoMars模仿的近地表风应力起沙通量与国际上进步前辈的MarsWRF等火星年夜气环流模式举行对于比，成果显示两者于季候变化与空间漫衍上具备优良一致性。

打造“火星气候预告体系”

研究火星，终极也是为了更好地舆解地球。火星，这颗曾经经拥有厚庞大气层及液态水海洋的星球，怎样于数十亿年间酿成今天的严寒荒原？GoMars的研究提供了一些线索。

模仿显示，全世界性沙尘暴于火星年夜气逃逸历程中可能饰演了“加快器”的脚色。当沙尘布满年夜气时，它们接收太阳辐射，致使高层年夜气温度升高，从而加快气体份子的热逃逸。

“这一发明对于地球天气研究具备主要启迪。虽然地球今朝不会履历火星那样的全世界性沙尘暴，但火星的天气变迁提示咱们，行星天气体系是繁杂且懦弱的，一旦越过某个临界点，就可能发生不成逆转的变化。”王斌说。

跟着GoMars焦点模子的乐成验证，团队已经经最先计划下一步成长线路。“将来的火星气候预告可能需要切确到小时级别，预告内容包括风速、风向、温度、沙尘浓度、辐射程度等多个要素。”董理瞻望道，“科学没有国界，行星摸索更是全人类的事业。咱们但愿GoMars不仅能为中国的火星摸索办事，也能为国际行星科学界做出孝敬。”

相干论文信息：https://doi.org/10.1007/s00376-025-5190-2.