火星是太阳系从内至外的第四颗行星，紧邻地球，也是距离太阳最远的一颗类地岩石行星。火星的轨道偏心率为0.0934，火日距离的显著变化产生了四季分明的火星气候和环境变化特征。在火星诸多季节性变化特征中，季节性沙尘暴活动尤为明显，是火星气候和表层环境变化、空间环境变化，乃至大气逃逸的重要调控因素。火星沙尘暴对人类探测火星任务也具有重要影响。

火星沙尘暴作为火星表面和大气构成的气候系统中最剧烈的活动，具有显著的空间尺度和季节分布特征。根据火星沙尘暴发生的空间尺度、时间尺度等，目前学界主要存在两种分类方法。从空间尺度上，火星沙尘暴可分为局地沙尘暴、区域沙尘暴和全球沙尘暴。局地沙尘暴一般指扬尘面积小于10⁶ km²的单一尘暴事件，持续时间小于3个火星日。区域沙尘暴一般指扬尘面积超过10⁶ km²的单一尘暴事件，持续时间在3~20个火星日。全球沙尘暴一般是多个区域沙尘暴的组合，沙尘在多个相连的区域被大量扬起和输运，最终覆盖整个星球，持续时间一般长达几十个火星日。

从发生的季节和时间尺度上，火星沙尘暴又可分为A、B和C三种类型，其活动时间一般在火星南半球春分-秋分之间（太阳经度L_S范围180º~360º）。A型沙尘暴一般在每个火星年的火星南半球春分以后（L_S=180º），在中低纬度区域开始增强，覆盖超过火星2/3的纬度范围，持续约4个月，在部分火星年甚至演变成全球沙尘暴（如2001年、2007年、2018年），对火星探测活动的影响也最为显著。在A型沙尘暴的末期，接近火星南半球夏至时，火星南极区域会爆发B型区域沙尘暴，持续时间约两个月。A、B两型沙尘暴结束后，中低纬区域内接着会发生C型沙尘暴（L_S=330º前后，每个火星年的发生时间不同），持续时间约一至两个月并可能发展为全球沙尘暴，在火星南半球秋分前结束，恢复至平静状态，并进入下一个火星年的循环。

沙尘暴会对火星表面探测器带来诸多影响，如遮挡入射太阳光、降低太阳能电池板发电量、降低环境温度、扰动大气密度和风场、阻碍通信、污染仪器等，是火星表面探测任务面临的最大安全威胁之一。例如，勇气号2010年因被困沙土中导致太阳能电池板无法转向太阳而终结。机遇号在2018年的全球性超强季节性沙尘暴中终结。因此，在火星表面探测任务期间开展沙尘暴的监测与预报尤为重要。

根据国家深空探测战略部署，“天问三号”火星采样返回任务预计在2029-2030年左右实施。为保障任务顺利实施，在轨道器上搭载大视场的火星全球多色相机，在可见光–紫外波段对火星全球和“天问三号”着陆区周边区域开展多波段成像监测，图像分析结果用于支撑火星沙尘暴预报、火星大气/表面等科学研究。项目牵头单位为中国科学院地质与地球物理研究所，合作单位包括中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学院广州地球化学研究所和山东大学。

根据科学探测任务，火星全球多色相机采用紫外/可见宽谱带双通道共焦面多光谱成像技术，实现跨轨视场130º，沿轨视场15º，星下点空间分辨率优于2 km。相机通过卫星运动推扫拼接火星全球图像（如图1），特别是实现着陆区两千公里范围白天多轨道连续监测。基于多光谱图像反演火星沙尘信息（位置、范围、速度、光深等），并基于图像预报法、机器学习法等预报未来至少1天沙尘活动状态，服务天问三号任务。火星全球多色相机的多光谱数据还将用于开展火星尘暴和水循环、火星大气臭氧时空分布、火星表面矿物属性等科学研究，服务天问三号科学目标火星宜居性演化。

目前，研究团队正在探月中心、载荷总体的指导下紧锣密鼓地开展相机研制、数据处理算法开发、沙尘暴预报算法开发等工作。

图 天问三号火星全球多色相机成像示意图。图中黑点仅为示意，不代表真实着陆区