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，这片“希望”之地亦如神话中的美杜莎，瑰丽之下潜藏着致命威胁——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。正如电影《火星救援》所展现，一场突如其来的剧烈沙尘暴，足以让设备失灵，令人类的探索任务陷入绝境。沙尘暴对火星探测设备、太阳能电池板和通信系统的影响，在现实中并非“虚构”。
图1 电影《火星救援》中虚构的载人火星探测任务场景。画面背景为铺天盖地的沙尘与典型的尘卷风活动，生动展现了火星表面恶劣、动荡的气象环境。
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。
图2 火星沙尘循环系统中的关键过程（Newman et al., 2022）
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。
GoMars如何“看见“火星沙尘？是否能够模拟出合理的火星沙尘循环？
为此，在国家自然科学基金、大气所“十四五”基础科研项目及“天问三号”关键技术攻关项目等联合资助下，中国科学院大气物理研究所王斌、董理、普业、李艺苑等科研人员成功研发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，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。
Adv. Atmos. Sci. 2026年第3期封面图片
对GoMars的进一步发展
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。
图3 GoMars中沙尘相关过程的计算流程
GoMars对沙尘循环的模拟 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。此外，GoMars准确模拟出亚马逊地区作为尘卷风活动热点的强烈起沙现象，与观测识别结果一致。
图4 在GoMars的50年模拟中爆发的11次全球性沙尘暴，以及沙尘循环的相关机制。
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。
未来计划
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。
引用本文: 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
论文主要作者介绍:
刘帅,博士研究生,中国科学院大气物理研究所，主要从事数值天气模式的发展与评估。
董理,正高级工程师、博士研究生导师。长期从事计算地球流体力学理论与方法研究，以及高性能计算程序设计与实现，主要研究方向为大气环流模式动力框架与平流方案，目前主要从事火星大气模式研发。主持过国家自然科学基金青年科学基金项目一项，面上项目两项，参与国家重点研发计划两项。发表第一作者或通讯作者SCI论文八篇。
王斌，研究员、博士研究生导师。长期从事大气模式发展、资料同化和计算地球流体力学研究，率领团队研发了大气模式GAMIL动力框架及其全物理过程版本和以GAMIL为大气分量的气候系统模式FGOALS-g, 已连续三次参加国际耦合模式比较计划，其模拟性能获得国内外同行专家的好评。提出了采用集合方法替代伴随技术现实四维变分资料同化的方法：降维投影四维变分（DRP-4DVar）方法，在区域中尺度和全球中期天气预报、次季节-季节（S2S）和年际-年代际气候预测中获得成功应用，显著改进了预报预测精度。曾主持国家杰出青年科学基金、国家863项目和973项目、国家自然科学基金重点项目等国家级科研任务，正在主持国家自然科学基金重点项目。曾获何梁何利科学与技术进步奖、中国人民解放军科技进步一等奖等科技成果奖励。