在过去的四十亿年里，火星经历了强烈的气候变化，包括地表液态水的流失，这使得对火星大气的研究成为探索地外生命和宜居性的关键部分。年对火星研究来说是重要的一年，三项探测任务——美国的毅力号、中国的天问一号和祝融号以及阿联酋的希望号探测器——将火星研究推向了全球广泛参与的新时期。
地球和火星有许多内在的相似之处，例如自转轴倾角、自转周期以及与之相关的大气状态的日变化和季节变化等等（图1）。但是，两者大气之间的差异更为显着，其中最为明显的不同在于，地球大气和气候演化的主导因素之一是水循环，而火星大气过程的主导因素是沙循环，比如在浮尘的散射和吸收作用下火星上看到的太阳几乎总是蓝色的。此外，类比地球的大气分层，火星大气由于缺乏浓厚的臭氧层导致一些热力学和动力学过程可以直接从对流层/天气层过渡到中高层大气。这个过渡层大致对应于沙层顶和湿层顶——即大气沙尘和水含量快速减少的高度，并且随不同季节的经向环流深度在30到80公里之间变化。
图1火星与地球基本参数对比火星对流层活动与沙循环密不可分（图2），从微尺度的尘卷风到覆盖全球的沙尘暴源源不断的向大气中输送沙尘。火星大气中的沙尘颗粒很小（有效半径小于2.5微米），可以很好地与风场耦合在一起，使其表观上具有流体的特性，比如沙尘随大气运动而产生的辐散辐合等现象。同时，火星大气与地表之间通过风力抬升和重力沉降作用时时刻刻进行着沙尘交换，在不考虑相变过程的情况下可以类比于地球上空气和海洋、陆地之间的水交换。由于火星大气稀薄，沙尘的辐射作用显著影响着大气的热力学过程，例如，日间边界层的沙尘对太阳短波辐射的吸收可以显著增强附近空气团的浮力进而改变对流强度，这部分类似于地球大气中的水汽作用，尽管沙尘不存在潜热释放。沙尘的热力学效应除了显着改变周围火星大气密度、温度、风场外，还可以通过调制经向环流间接影响远离热源区域的中高层大气状态和极地涡旋。因此，火星上几乎所有的热力和动力学耦合过程都直接或间接地受到沙循环的影响。相比而言，地球上能够产生如此广泛的天气和气候学效应的过程只有水循环了。
图2火星与地球的对流层活动对比作为太阳系最大的沙漠星球，火星地表和大气中具有地球沙漠中发现的大部分风力过程和风成特征，如移动的沙丘、局地沙尘暴（图3b）和尘卷风（图3c）等。而除了上述地球沙漠中特有的现象外，火星上还存在着更多类似于地球海洋和水循环主导的大气过程（图3和表1）。卫星探测器在火星北半球观测到了行星尺度的沙尘锋面结构（图3d），与斜压不稳定性和低压气旋活动息息相关，这在视觉上类似于地球中高纬度地区的天气系统。由太阳和月球引力引起的海洋潮汐是地球上最常见的现象之一，火星虽然没有海洋，但在火星大气中普遍存在着沙尘潮汐（图3g），这是由比地球上强的多的大气潮汐驱动的。在中尺度，火星中高纬度地区观测到了半径数百公里的沙尘气旋风暴（图3e），这类似于地球大气中的极地气旋。在微尺度，我们可以在火星的沙尘云中看到波纹状的重力波结构（图3f），如同地球水云和冰云中出现的重力波列。地球对流层湿空气中常见的深对流过程在火星上也有对应的现象，常见于沙尘暴期间，由空间分布不均的沙尘加热作用驱动，也称为干深对流过程（图3h,i）。正是在沙尘暴期间深对流和强烈的经向环流作用下，火星上的沙尘才能上升到高达80公里的高度。
图3火星上不同尺度的沙尘活动或现象(具体图像参数说明参考Wuetal.,,ESR)。表1地球水循环和火星沙循环之间的类比关系作为最显著且最容易观测到的大气现象，沙尘活动对火星气候的重要性从上个世纪就已为科学界所知，而水冰云的辐射效应直到最近二十年才受到