在国家火星探测任务的驱动下，对火星天气气候系统有重要影响的沙尘活动成为中国行星大气科学家研究的重要议题之一。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。

为填补我国在火星大气数值模拟领域长期存在的自主模式空白，中国科学院大气物理研究所在国家自然科学基金、大气所“十四五”基础科研项目、“天问三号”关键技术攻关项目和国家重大科技基础设施地球系统数值模拟装置（EarthLab）的联合资助下，发展了火星大气环流模式GoMars。

本研究基于GoMars，通过进一步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个火星年约等于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完整描述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1. GoMars中沙尘相关过程的计算流程

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。并且，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。

图2. 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

未来，GoMars将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，集成火星水循环过程，研究其与沙尘循环的相互作用，构建先进的数据同化系统，为火星天气预报提供科学支持。

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.