《Infrared Physics & Technology》：Low-cost narrow-field thermopile infrared sensor for passive downwelling longwave radiation measurement and cloud/aerosol detection in arid regions
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摘要精确、连续的下行长波辐射（DLR）测量以及可靠的天空状态分类是地表能量平衡研究、边界层研究和数值模式验证所必需的条件，然而传统的总辐射计仍然成本高昂且维护密集。本研究利用在沙特阿拉伯利雅得收集的多年数据集（2015年2月至2019年8月），将一种低成本窄视场热堆红外传感器
摘要
精确、连续的下行长波辐射（DLR）测量以及可靠的天空状态分类是地表能量平衡研究、边界层研究和数值模式验证所必需的条件，然而传统的总辐射计仍然成本高昂且维护密集。本研究利用在沙特阿拉伯利雅得收集的多年数据集（2015年2月至2019年8月），将一种低成本窄视场热堆红外传感器与同址部署的Kipp & Zonen参考总辐射计进行了对比评估。采用显式考虑太阳加热污染的日/夜分时段校准，显著提高了与参考仪器的一致性。利用当地探空廓线进行的独立MODTRAN辐射传输模拟显示，实测与模拟的晴空有效天空温度之间吻合度良好，总体平均偏差误差（MBE）约为?1.6 °C，均方根误差（RMSE）为1.6–2.7 °C。
将晴空条件视为辐射参考态，从所测试的函数形式中选取的、基于常规可用的地面温度和相对湿度数据的经验模型，为基于探测器的分类框架提供了一个实用基线（MBE ≈ 0.00 W m?2，RMSE = 24.13 W m?2，R2 = 0.388）。在10折交叉验证下表现相当（RMSE = 24.18 W m?2，R2 = 0.386），证实了所选模型的稳健性。所得残差作为大气偏离晴空条件的直接诊断量，实现了一个保守、高纯度的四分类天空分类方案（晴空、少云、多云、沙尘），该方案整合了校准后的长波信号、3小时时间持续性以及气象先验信息。受试者工作特征（ROC）分析展示了很强的判别能力（曲线下面积，AUC：多云为1.000，少云为0.986，沙尘为0.863），而代表性时间序列观测表明，在晴空条件下实测红外辐射与晴空模型密切吻合，而在沙尘和云影响条件下则偏离模型。
该方案揭示了与区域气候学一致的相干季节和年际变化模式，总体而言少云条件占主导地位（42.5%），且2016年后逐步向多云状态转变。通过结合低成本仪器、分时段校准以及一种显式将矿物沙尘作为独立辐射类别对待的客观四分类框架——这是阿拉伯半岛首次利用地面红外测量实现此类研究——本工作为干旱环境中连续DLR估算和天空状态监测提供了一种可扩展的被动方法，在这些地区高维护成本仪器十分稀缺。
引言
下行长波辐射（DLR）是地表能量平衡的重要组成部分，持续控制着大气与地面之间的热能交换[1]。与仅限于白昼的短波太阳辐射不同，DLR全天候运行，对近地面气温、水汽、云量、气溶胶以及低层大气垂直温度结构高度敏感[2]、[3]。在晴空条件下——尤其是在干燥环境中，由于大气窗口（8–14 μm）的透明性，大气发射的长波通量相对较低。然而，云和悬浮气溶胶表现为近黑体发射体，显著增加了DLR[4]。
沙特阿拉伯中部等干旱和半干旱地区是研究这些过程的典型试验场。矿物沙尘事件在阿拉伯半岛频繁且强烈，进一步改变大气发射率并升高有效天空温度，产生既不同于纯晴空条件也不同于云主导条件的辐射特征[5]、[6]、[7]。在利雅得的直接地面测量表明，沙尘条件可使有效天空温度相对晴空升高17–31 °C，证实了沙尘气溶胶在此环境中的显著长波影响[8]。
在无法直接测量辐射的情况下，通常采用经验大气发射率公式、基于物理的辐射传输计算、卫星或再分析产品来估算DLR。经验公式在常规应用中具有吸引力，因为它们利用易于获取的地表变量（主要是气温和大气湿度）来估算晴空DLR；然而，其精度取决于气候状态、时间尺度和当地校准，其系数在不同地点或季节可能并非常数[1]、[2]、[3]、[9]、[10]。更为详细的物理方法考虑了大气压力、温室气体浓度和水汽垂直分布等额外控制因素，但需要更多的大气信息和计算资源[11]、[12]。卫星和再分析产品提供了广泛且空间一致的覆盖范围，但其性能强烈依赖于对云和大气廓线的表征，可能无法解析局部或快速变化的天空条件[13]。因此，当直接观测稀缺时，这些方法具有重要价值，但良好维护的地面测量对于站点级监测、模式校准和评估仍然至关重要。
准确的DLR观测通常使用Kipp & Zonen CGR系列等参考总辐射计来完成。这些宽谱仪器（≈4.5–42 μm，150–180°视场角）能提供可靠测量，构成了辐射监测网络的核心[14]。然而，它们仍然相对昂贵，需要精心维护和定期校准，并且在太阳辐照下易受白天窗口加热偏移影响，早期型号中该偏移可能超过+25 W m?2[15]、[16]、[17]。这些限制使其难以在密集观测网络或资源受限的野外工作中部署。
这些实际限制推动了更简单、更低成本的红外（IR）检测系统在DLR估算和云检测方面的开发。云检测技术已从传统的可见光全天相机和基于卫星的方法发展到基于地面的热红外方法，后者可连续运行，全天候工作，不受阳光依赖[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。其中，单像素热堆传感器是最早被证明可通过直接测量天空亮温在晴空和多云条件之间进行可靠区分的简单红外技术之一（例如[23]、[24]、[25]）。其他方法包括热释电探测器，它对温度变化响应迅速（通常需要斩波器），对瞬态信号具有高灵敏度[18]、[26]；非制冷微测辐射热计阵列，为全天云映射提供更高的空间分辨率[27]、[28]；以及傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪，为云特性反演提供详细的光谱信息[29]。这些低成本红外方法在干旱环境中尤为有利：它们需要最少的维护，直接探测在热窗口中云和沙尘辐射影响最强的大气发射。
针对传统参考总辐射计的高成本和高维护需求，以及早期基于热堆的云检测研究大多为定性分析，本研究利用在沙特阿拉伯利雅得收集的多年数据，将一种低成本窄视场热堆红外传感器与同址部署的Kipp & Zonen参考总辐射计进行了对比评估。分析量化了白天太阳加热对传感器响应的影响，建立了分时段（日/夜）校准，并证明了校准后的红外信号在结合同址太阳辐射和气象观测后，可支持客观的四分类天空分类方案（晴空、少云、多云、沙尘）。随后对各天空类别的辐射和统计特征进行了表征，以揭示反映底层大气状态的独特DLR行为。
本研究的重要性在于其对干旱环境中低成本仪器和大气监测的双重贡献。精确、连续的DLR测量和可靠的天空状态分类是地表能量平衡研究、边界层研究、农业气象学、城市热岛分析以及数值天气和气候模式验证所必需的——尤其是在沙尘频发地区，传统高维护仪器十分稀缺。
本研究的创新性体现在两个方面。第一，通过对低成本热堆传感器进行严格的定量评估和显式考虑太阳加热效应的分时段（日/夜）校准，推进了早期对低成本热堆传感器的定性云检测应用[25]。第二，开发并应用了一种保守、高纯度的四分类天空分类方案（晴空、少云、多云、沙尘），该方案整合了校准后的长波信号、3小时时间持续性和气象先验信息——这是阿拉伯半岛首次利用地面红外测量将矿物沙尘作为独立辐射类别对待的尝试。
章节摘要
数据来源
测量工作在沙特阿拉伯利雅得的一个气象站进行，时间范围为2015年2月至2019年8月。本研究利用了两套主要同址部署的辐射系统以及辅助的气象和太阳辐射观测。
关键仪器是一种低成本单像素热堆红外（IR）传感器，最初由Clay等人[23]开发（另见[25]及其参考文献），用于连续天空温度监测和云检测。探测器基于
太阳加热污染
低成本基于热堆的红外传感器和简化总辐射计在白天存在一个已被充分记录的已知系统误差，称为太阳加热污染（也称窗口加热偏移或穹顶加热效应[16]）。这种偏差产生于入射太阳辐射被传感器外壳、防护穹顶或光学元件吸收时。由此产生的温度升高会产生热梯度，从而向热堆探测器产生额外的长波发射。该
讨论
本研究证明，低成本窄视场热堆红外传感器在经过分时段校准后，可提供关于DLR的可靠信息。利雅得的多年份同址数据集使得与参考宽谱总辐射计的全面对比评估、与MODTRAN的理论验证，以及基于辐射信号和气象先验信息的保守四分类方案（晴空、少云、多云、沙尘）的开发成为可能。
红外传感器
结论
本研究证明，低成本窄视场热堆红外传感器在经过严格的分时段校准后，可提供关于DLR的有用定量信息，并支持在干旱环境中进行客观、具有物理可解释性的天空状态分类。通过量化和校正太阳加热效应、利用宽谱总辐射计和MODTRAN模拟验证传感器响应，以及开发和验证站点特异性经验晴空基线，用于
CRediT作者贡献声明
Abdullrahman Maghrabi：调查，正式分析。Abdulah Al-Dosari：软件。Mohammed Altlasi：数据管理。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。
致谢
感谢阿卜杜拉齐兹城市科学与科技学院（KACST）对本研究的支持。我们感谢审稿人对稿件提出的意见和建议。
Abdullrahman Maghrabi|Abdulah Al-Dosari|Mohammed Altlasi
国家气候变化研究所，阿卜杜拉齐兹城市科学与科技学院，P.O. Box 6086，利雅得11442，沙特阿拉伯
