支撑夜间卫星微光观测定量应用——发展全新的夜间微光大气辐射传输模式
月球是距离地球最近的天体，它在夜晚的空中像一面镜子反射太阳光照亮地球。尽管月球反射的太阳光强度较弱，但是经过特殊工艺制造的卫星光学传感器依然能够捕捉微弱的月亮反射辐射和地面灯光发射辐射（见图1）。2011年10月28日美国NOAA新一代极轨试验卫星Suomi-NPP（2011年10月28日发射升空）上搭载的VIIRS辐射计安装了全新的白天夜间成像通道(Day Night Band，DNB，又称微光通道)能够日夜不间断对地观测夜间超低亮度等级辐射（比太阳光弱106倍）。我国计划在2021年发射的风云三号晨昏轨道气象卫星风云3F上面也搭载一台微光成像仪。
近几年，伴随Suomi-NPP卫星的发射，夜间卫星观测数据的应用逐渐火热，并被广泛的应用到地球系统的各个“圈层”。在夜间缺少可见光观测的情况下，卫星微光低亮度观测数据已经被用于监测台风、云、气溶胶、极光、闪电、火山灰、冰面移动等大气环境特征。此外，微光数据还被应用到船舶航行监测、海洋生物发光和捕捞等。在社会科学领域，还利用微光通道观测的夜间灯光数据去直接或间接估计GDP增长、电力消耗等。
与卫星云图简单识别分析的定性应用不同，为了支撑卫星资料的定量应用，通常都会发展一套专业的大气辐射传输模型用于正演计算。针对太阳反射光、红外和微波卫星观测的辐射模型都已经非常成熟，并被广泛的应用在日常科研和业务中。相比之下，由于夜间卫星微光通道观测的复杂性，相关成熟的大气辐射传输模式却尚未被开发和公布出来。
图1 引自原文图6
近日，中山大学大气科学学院闵敏副教授与其合作者共同研发了一套全新的夜间微光大气辐射传输模型。这一文章发表在国际期刊Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，中山大学为第一署名单位。
本文从大气辐射传输理论出发，详细阐述和推导了该模型的数学和物理理论基础，并准确描述了耦合月球和地面光源发射辐射的夜间微光辐射传输过程（见图2）。通过和美国经典的大气辐射传输模式DISORT的比较，证明了该模式在数值解法上的准确性（误差优于0.1%）。最后，通过改变地面灯光光源辐射强度和辐射传输计算，将模拟的微光辐射和NPP/VIIRS-DNB真实夜间观测值（见图1）进行了点对点的比较。结果证明本文发展的大气辐射传输模型能够合理的进行夜间微光观测的模拟。
目前，该研究成果已经被应用到即将发射的我国风云3号极轨气象卫星微光成像仪仿真和预处理技术研究，未来主要应用前景是：
(1) 支撑现在和未来搭载微光通道的卫星观测资料在夜间的灾害天气预警和气候环境变化监测（如台风、强对流、火灾、泥石流、冰雪等）定量应用；
(2) 基于相关夜间灯光观测信息、支撑卫星微光观测资料在经济、社会研究中的应用（如人口迁移、电力消耗、GDP增长评估等）；
(3) 支撑相关卫星微光仪器的处理技术、观测模式和硬件研制的预先研究。
图2 引自原文图1
原文出处：
Min Min,Jianyu Zheng*, Peng Zhang, Xiuqing Hu, Lin Chen, Xi Li, Yu Huang, Lin Zhu, 2020. A low-light radiative transfer model for satellite observations of moon light and earth surface light at night [J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,247: 106954, doi:10.1016/j.jqsrt.2020.106954
