01、项目核心信息概括
本项目为英国埃克塞特大学（University of Exeter）牵头的全额资助博士研究生项目，受英国航天局（UKSA）资助，聚焦 “火星尘暴预测” 研究方向，旨在通过改进地球气候建模工具（Met Office 统一模型 UM 与拉格朗日粒子扩散模型 NAME），构建适用于火星大气环境的尘暴预测系统。
项目提供为期 3 年的全日制博士培养，覆盖英国本土学生全额学费及国际学生部分学费（约 2.4 万英镑），并包含生活费津贴（具体数额需参照英国博士研究生标准资助体系）。申请者需在 2025 年 5 月 12 日前提交申请，研究地点位于英国埃克塞特市。
02、研究内容深度解析
（一）研究背景与科学意义
火星大气中的尘埃循环是驱动行星气候系统的核心过程之一。尘埃颗粒通过散射和吸收太阳辐射，影响大气温度结构、环流模式及能量平衡，而局部或全球性尘暴的爆发，更会对火星探测任务构成直接威胁。历史案例显示，2018 年 “机遇号”（Opportunity）火星车因尘暴导致太阳能板被遮蔽，最终失联，凸显了尘暴预测对长期火星探测任务的关键作用。随着人类对火星采样返回、载人登陆等复杂任务的推进，精准预测尘暴的起始、演化及影响范围，成为保障任务安全与效率的必要前提。
火星气候系统与地球存在显著差异：火星大气以二氧化碳为主（占比 96%），表面气压仅为地球的 1%，且尘埃粒径、成分（富含铁氧化物）及扬起机制（地形驱动、热力湍流）与地球尘暴存在本质区别。目前，基于地球气候模型改进的火星模拟工具，已成为该领域的主要研究手段。本项目所依托的 Met Office 统一模型（UM），作为全球领先的高分辨率气候模型，此前已成功应用于理想化火星气候模拟，具备拓展至实际尘暴预测的技术基础。
（二）研究目标与技术路径
项目核心目标为构建兼具物理机制解析与预测能力的火星尘暴模型系统，具体分为三个技术模块：
1.火星大气物理过程建模
基于 UM 模型框架，整合火星特有的尘埃扬起、传输、沉降机制及二氧化碳相变过程（如极冠区干冰凝结）。需解决的关键科学问题包括：尘埃起电对颗粒抬升的影响、尘埃 - 辐射相互作用的参数化方案、以及尘暴期间大气分层结构的动态演化。研究将结合火星轨道器（如 MRO）的遥感数据（如火星气候探测仪 MCS 的温度廓线、火星彩色成像仪 MARCI 的尘埃光学厚度反演），对模型参数进行校准与验证。
2.拉格朗日粒子扩散模型适配
引入 Met Office 的 NAME 模型，追踪尘埃颗粒从源区（如 Valles Marineris 峡谷等高频扬尘区）到全球输运的轨迹。该模型在地球环境中已成功应用于火山灰扩散、污染物迁移等场景，其火星适配需考虑大气密度低、重力加速度小（约为地球的 1/3）对颗粒运动方程的修正，以及火星表面粗糙度对边界层湍流的影响。通过耦合 UM 的欧拉场（网格解析大气流场）与 NAME 的拉格朗日粒子追踪，可实现对尘暴中尺度结构（如螺旋状尘卷风、尘暴前锋推进）的精细化模拟。
3.预测能力验证与应用场景
针对火星探测任务周期（如着陆器进入 - 下降 - 着陆阶段、漫游车长期作业窗口），开发基于模型的尘暴预警算法。研究将重点关注尘暴对太阳能发电效率、通信信号衰减、设备散热的影响评估，为任务规划提供决策支持。例如，通过模拟尘暴期间火星表面光照强度的时空分布，可优化漫游车的能源管理策略；通过预测尘暴路径，可辅助选择着陆点与科学考察路线。
（三）资助体系与申请条件
1.资助结构
· 学费覆盖：英国及欧盟学生享受全额学费减免；国际学生获得部分学费资助（约 2.4 万英镑 / 年，具体数额以当年标准为准），需自行承担剩余学费差额（通常为国际生学费与英国本土学费的差值，约 1.5-2 万英镑 / 年）。
· 生活津贴：提供免税生活费补助，参考英国研究理事会（UKRI）标准（2025 年预计约 1.8-1.9 万英镑 / 年），覆盖基本生活开支。
· 额外支持：项目组可协助申请差旅费（用于参加国际会议）、设备采购费（如高性能计算资源使用），但签证费、医疗附加费及搬迁费用需由学生自行承担。
2.申请者资质
· 学术背景：需具备大气科学、行星科学、地球系统建模、流体力学或相关领域的硕士学位，掌握数值模型开发（如 Fortran、Python）、数据同化（如 3DVAR/4DVAR）及遥感数据分析技能者优先。
· 语言要求：非英语母语者需提供雅思（总分≥6.5，单项≥6.0）或托福（总分≥90，单项≥22）成绩，证明学术英语能力。
· 跨学科能力：项目强调地球与行星科学的交叉，欢迎具备火星探测任务认知、空间天气学基础或机器学习在气候建模中应用经验的申请者。
03、实用申请建议
（一）研究计划撰写策略
1.问题导向与创新点凸显
研究计划需明确提出待解决的科学问题（如 “如何改进 UM 模型的尘埃辐射反馈参数化方案以提升尘暴强度预测精度”），并结合现有文献指出研究创新点。建议对比现有火星尘暴模型（如美国 NASA 的火星 WRF 模型）的不足，说明本项目所采用的 UM-NAME 耦合框架的独特优势（如高分辨率边界层模拟、粒子追踪的物理机制完整性）。
2.技术路线具体化
分阶段描述研究方法，例如：
· 第一年：完成 UM 模型火星大气模块的代码调试，基于 MRO 数据建立尘埃光学特性数据库；
· 第二年：实现 NAME 模型与 UM 的双向耦合，开展历史尘暴事件（如 2015 年全球尘暴）的模拟复现；
· 第三年：开发概率预报系统，结合机器学习优化预测算法，完成对未来任务窗口的尘暴风险评估。需注明数据来源（如 ESA 火星快车号的 SPICAM 光谱仪数据）、计算资源（如英国国家超算中心 ARCHER2）及验证方法（如统计评分指标：均方根误差、命中率）。
3.与项目目标的契合度
强调个人经历与项目需求的匹配：若曾参与地球沙尘暴模型开发，可说明如何迁移相关经验（如湍流参数化方案的普适性）；若具备行星科学背景，可阐述对火星大气化学循环的理解如何辅助尘埃 - 气候相互作用研究。
（二）面试准备与竞争力提升
1.模型技术细节储备
深入了解 Met Office UM 模型的核心架构（如动力框架采用的立方球面网格、物理过程包的模块化设计），以及 NAME 模型的粒子追踪算法（如随机行走模型在低雷诺数流场中的应用）。可参考 Met Office 发布的技术报告（如《The Met Office Unified Model: System Description》），提前梳理模型适配火星环境时可能遇到的技术挑战（如低气压下的云微物理过程简化）。
2.跨学科知识整合
关注火星探测工程实践，例如：
·尘暴对火星车能源系统的影响可参考 JPL 发布的《Mars Rover Power System Design Considerations》；
·火星大气数据同化技术可借鉴欧洲中期天气预报中心（ECMWF）对地球大气的四维变分同化方法，思考如何利用有限的火星观测数据（如 InSight 着陆器的压力传感器）提升模型初始场精度。
3.资金规划与风险应对
国际申请者需明确剩余学费的筹措方案（如申请国家留学基金委 CSC 奖学金、学校专项补助），并在申请材料中说明资金来源的可靠性。此外，可主动提出备选研究方案（如优先聚焦区域性尘暴而非全球尺度模拟，以降低计算资源需求），体现研究设计的灵活性。
（三）材料提交与时间管理
1.关键时间节点
· 4 月中旬前：完成研究计划初稿，联系潜在导师（项目负责人）沟通研究方向，获取反馈；
· 5 月 1 日前：提交语言成绩（如尚未达标，确认是否可申请延期提交，但需在截止日前取得合格成绩）；
· 5 月 10 日前：完成网申系统填写，确保推荐信（至少 2 封，需包含学术推荐人对模型开发能力的评价）、成绩单、简历等材料格式符合要求（如 PDF 文件命名规范：LastName_ResearchPlan.pdf）。
2.差异化申请策略
针对项目的工程应用导向，可在简历中突出 “技术转化” 经历（如曾参与将气候模型输出转化为行业解决方案），或展示对火星探测任务的热情（如参与过 NASA/JPL 的虚拟火星任务设计竞赛）。对于缺乏直接火星研究经验的申请者，可强调地球气候模型研究的迁移价值，例如：“在地球 PM2.5 扩散模型中开发的气溶胶 - 辐射相互作用模块，可类比应用于火星尘埃的辐射强迫计算”。
04、学长总结
本项目融合了行星科学的基础研究与航天工程的实际需求，为申请者提供了接触前沿气候模型技术与火星探测任务的独特平台。成功入选者将在地球 - 行星气候建模的交叉领域积累跨学科经验，其研究成果有望直接服务于未来火星探测任务的规划与执行。申请者需精准把握项目的技术核心与资助机制，通过结构化的研究计划与差异化的背景展示，凸显自身与项目目标的契合度，同时做好资金规划与材料准备，以应对国际博士申请的竞争挑战。
【竞赛报名/项目咨询+微信：mollywei007】
