大气效应与观测几何对VIIRS夜光图像中溢散效应方向性分布的物理机制研究

本文通过数值模拟（MSOS模型）和卫星观测（VNP46A1数据）揭示了VIIRS夜光图像中溢散效应（blooming effect）的形成机制，首次发现其椭圆形态与观测天顶角（VZA）呈正相关（R2>0.9），证实大气散射和观测几何是主导因素，为夜光遥感物理建模提供了重要理论支撑。

　　

现象与假设

NASA Black Marble产品套件（VNP46, Collection V001）已广泛应用于夜光遥感研究。它包含每日辐射产品（VNP46A1）和年度合成辐射产品（VNP46A4）。为观察溢散效应，我们选取了全球分布的70个天然气燃烧点（如图2所示）。这些区域在VNP46A4产品中表现出强烈的溢散效应（如图3所示）。我们观察到所有点光源的溢散效应均呈现东西向的椭圆形态，这一发现促使我们提出核心假设：溢散效应的形状受卫星观测天顶角（Viewing Zenith Angle, VZA）和大气散射的共同影响。

研究区域

本研究区域的选择遵循两个基本原则：（1）光源需孤立存在以减少周边光源干扰；（2）光源亮度需足够强以确保溢散效应清晰可辨。这些原则保证了观测到的溢散效应主要受单一光源主导，从而更精准地分析其形成机制。

方法

为验证溢散效应的假设，我们采用物理模型进行数值模拟，并基于卫星观测数据开展建模分析。

主要结果

为精确复现溢散效应，我们设定了模型输入参数，重点关注大气条件与观测几何配置。MSOS模型需大气参数作为模拟光辐射相互作用的关键输入，但实际大气条件具有高度复杂性（随地区、季节和分子组成变化）。为此，我们采用了……（此处省略具体参数描述）。

观测方位角的影响

既往研究表明，与VZA对夜光辐射的强相关性相比，观测方位角（Viewing Azimuth Angle, VAA）的影响可忽略不计（Li et al., 2019）。为探究VAA是否影响溢散形态，我们针对不同VZA值（VAA设为45°、135°、225°和315°）进行了数值模拟，并通过二维高斯拟合量化溢散形态。图15显示：在任意给定VZA下，偏心率保持一致……

结论

溢散效应作为夜光遥感中的常见现象，虽已有大量研究，但其方向性特征及大气物理机制仍未被充分探索。本研究首次报道了VIIRS数据中点光源溢散呈现东西向椭圆形态，并揭示了其背后的大气物理形成机制……