基于激光消光法的青藏高原大气污染物分布特征分析与应用
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关 键 词 ：激 光 消 光 法 ；大 气 污 染 物 ；空 间 相 关 性 ；方 向 性 效 应 ；相关距离 中图分类号:T N 247 文献标识码：A doi：10. 14016/ki.jgzz.2021.06. 165
Analysis and application of distribution characteristics of air pollutants in Qinghai Tibet Plateau Based on laser extinction method
其中,t 作 为 发 射 光 学 系 统 透
(-1
污染物特征，但 对 其 分 布 情 况 分 析 存 在 一 定 局 限 性 。 文献[4]提 出基于M i e 散射激光雷达的气溶胶消光系
占i = _
(2)
.(0/?,/ 2 ) 277
数反演方法。该 方 法 分 析 M i e 散射激光雷达在气溶
P r(M D S ) = P •kc ' kt *Pl *^ ' g ' ' r» (l ) 7T/?!
结合模板匹配和混合物成分判别方法,构建污染物成 分 的 太 赫 兹 光 谱 提 取 分 析 模 型 ，借 助 获 取 的 特 征 光 谱 数 据 ,确 定 大 气 污 染 物 特 征 。该 方 法 可 有 效 识 别 大 气
166
索 雨 泽 ，等:基于激光消光法的青藏高原大气污染物分布特征分析与应用
元素最多的地区为高原地区，影响高原地区人口密集 到给定的侧面探测概率和虚拟替代率。测距仪的测
地区生存活动的进行[1]。经济的快速增长，环境污染 距能力可由附加衰减器的衰减系数决定[6]。
现 象 日 益 严 重 ，给 人 类 生 命 和 健 康 带 来 许 多 负 面 影
染物分布特征的方法。该方法通过太赫兹时域光谱 技术取得污染物特征的吸光谱,分析吸收光谱处理方 法 和 特 征 光 谱 识 别 方 法 的 优 缺 点 ，去 除 环 境 中 影 响 因 素 、噪声以及水蒸气吸收谱，获取污染物的光谱特征，
描述 接 收 面 积 ， 描 述 接 收 视 场 ，那么侧面接收的最 小光功率为：
机间的间隔距离。G 的 取 值 为 也 为 1。 通过式（1)和式(4 )对大气污染物进行测量，即 ：
光 法 能 够 去 除 大 气 中 的 颗 粒 物 ，以 统 计 学 中 变 异 函 数 为基 础 ，得到熔核常数、准基值和基值的具体趋势，为 进 一 步 了 解 污 染 物 之 间 的 关 系 、预 测 污 染 物 浓 度 的 发 展趋势提供了参考。
3 大气污染物分布特征分析
由于受区域、经 济 、气候等因素影响，同时大气污 染 物 浓 度 分 布 呈 现 出 空 间 差 异 。监 测 站 点 综 合 各 种 区 域 因 素 进 行 布 置 ，有 效 地 反 映 青 藏 高 原 地 区 污 染 物 的分布情况，即监测站的浓度数据不仅能同时反映这 一水平，而且反映内容具有代表性。这种代表性可以
第42卷 第 6 期 2021年 6 月
激光杂志 LASER JOURNAL
Vol.42,N o .6 J u n e ,2021
基于激光消光法的青藏高原大气污染物分布特征分析与应用
索雨泽，李石宝
西 藏 大 学 理 学 院 ，拉 萨 8 5 0 0 0 0
摘 要 :针对大气环境日益恶化，灰霭天气频繁出现导致大气污染物浓度高居不下，影响和危害人类健康。 为 此 ，提 出 基 于 激 光 消 光 法 的 青 藏 高 原 大 气 污 染 物 分 布 特 征 分 析 与 应 用 。 采 用 激 光 消 光 法 克 服 大 气 等 不 稳 定 因素对检测结果的影响，以青藏高原地区监测点数据为例，利用变分函数分析大气污染物分布的空间相关性、 方向性效应、相关距离等空间特征，分 析 S0 2 和 P M 2.5两种污染物分布特征。 实 验结果 表明：青藏高原地区污染 物在研究期内，最相关距离差额较小，可知相关效应的方向性较为不稳定，但各个方向的关联度十分接近。对 基 于 空 间 相 关 性 和 关 联 距 离 的 区 域 进 行 联 合 治 理 ，基 于 定 向 效 应 的 差 异 化 集 中 治 理 等 污 染 物 监 管 和 治 理 ，具有 一定参考价值。
基于上述方法难以分辨污染物特征在时间序列
P t(M D S ) = P
-2(72/?2 T (4)
式 中 ,^代 表 实 际 操 作 过 程 中 大 气 衰 减 系 数 ,P2 代 表 消 光 操 作 时 靶 标 反 射 系 数 ，& 代 表 耙 标 与 测 距
或 空 间 上 的 差 异 性 ，提 出 一 种 基 于 激 光 消 光 法 的 青 藏 高原大气污染物分布特征分析与应用。通过激光消
1 引言
随 着 经 济 的 飞 速 发 展 ，城 市 工 业 化 进 程 速 度 越 来 越 快 ，人们的生活水平不断提高。伴随西部大开发战 略的实施，青 藏 高 原 正 处 于 极 其 快 速 的 发 展 过 程 中 。 据相关研究发现,整个北半球中含有大气气溶胶化学
http ：//ser ojurnal,cn
设 定 71代 表 衰 减 片 的 透 过 率 ，目 标 4 的探测概
响 ，空气污染已成为人们关注的焦点问题[2]。如何获 取区域污染物的特征已成为科研领域研究的重点。
文献[3 ]提出基于模板匹配的太赫兹光谱识别污
率 匕 随 距 离 A 大小和有效面积而定。/\代表虚警 率,P , 代 表 目 标 有 效 反 射 系 数 ，a , 表 示 大 气衰减系 数 ，P 表示测距机发射功率, 0 表示激光束发散角
激 光 消 光 法 简 单 可 靠 ，能 够 克 服 大 气 等 不 稳 定 因
T=
〇尺 2 "2 2
-1cr\R\
(5)
将各个参量代人，获 取 的 值 。如果消光法的检 测概率与实际检测概率、虚 拟 替 代 率 相 同 ，那么其最 小 可 检 测 功 率 相 等 ，此 时 可 以 有 效 测 量 大 气 污 染 物 。
1
胶 光 学 特 性 分 析 中 应 用 的 优 势 ，采 用 其 确 定 气 溶 胶 消 光 系 数边界值，通 过 Klett后 向 积 分 模 型 对 气 溶 胶 消 光系数进行反演，建 立 非 线 性 方 程 ，借助差分吸收激
(3) .(冲丨）2 . tt/4
光雷达函数模型，推 导 气 溶 胶 后 向 散 射 消 光 对 数 比 ，
2 基于激光消光法的大气污染物测量
激 光 消 光 法 是 指 当 光 束 穿 过 介 质 时 ，因 介 质 中 含 有 粒 子 ，粒 子 会 发 生 吸 收 和 散 射 的 现 象 ，光的强度会 减 弱 [5]，并 且 粒 子 的 大 小 和 数 量 决 定 减 弱 程 度 。与其 他测 量方法不同，消 光 法 接 收 的 不 是 粒 子 散 射 光 ，而 是非散射光。
and application of air pollutant distribution characteristics in Qinghai-Tibet Plateau based on laser extinction method are proposed. Laser extinction method was used to overcome the influence of atmospheric and other unstable factors on the detection results. Taking the monitoring data of the Qinghai-Tibet Plateau as an example, variational function was used to analyze spatial characteristics such as spatial correlation, directional effect and correlation distance of atmos pheric pollutant distribution, and S0 2 and P M 25 pollutant distribution characteristics were analyzed. The experimental results show that the most relevant distance difference of pollutants in the Qinghai-Tibet Plateau region is small during the study period, which indicates that the direction of the related effects is unstable, but the correlation degree of all directions is very close. It is of certain reference value to carry out joint governance for regions based on spatial correla tion and correlation distance, and to conduct differentiated centralized governance and other pollutants supervision and governance based on directional effect.
S U O Y u z e , LI Shibao
Tibet University, College of Science, Lhasa 8 5 0 0 0 , China
Abstract ：In view of the deteriorating atmospheric environment, the frequent occurrence of haze weather leads to the high concentration of atmospheric pollutants, which affects and harms h u man health. For this reason, the analysis
Key words ：laser extinction method ；air pollutants ；spatial correlation ；directional effect ；correlation distance
收 稿 日 期 :2020-12-15 基 金 项 目 ：西 藏 自 治 区 自 然 科 学 基 金 （No.XZ2019ZRG— 18);西 藏 自 治 区 高 等 教 育 教 学 改 革 研 究 项 目 （No.JG2019—22) 作 者 简 介 :索 雨 泽 （2 0 0 0 - ) ，女 ，主 要 研 究 方 向 ：生 物 科 学 与 生 态 环 境 。 通 讯 作 者 :李 石 宝 （1 9 9 0 - ) ，男 ，博 士 生 ，讲 师 ，主 要 研 究 方 向 ：高 原 生 态 安全与环境工程。
通 常 情 况 下 「，的 取 值 为 1。在消光过程中需要
通过反馈系统，将 边 界 值 无 线 消 除 ，降低气溶胶消光 使探测概率和虚警率一致，此时存在：
系数反演的误差。该方法可有效分析大气中存在的 气 溶 胶 ，但 该 方 法 仅 针 对 一 种 物 质 进 行 研 究 ，还需进 一步扩大研究范围。
素对检测结果的影响。将近距离的属性认定为目标， 通过空间相关反射实现。空间分布数值模拟基于空 通 常 为 高 反 射 率 的 大 目 标 ，其 反 射 特 性 为 Lambert漫 间相关性，可 以 直 观 、全面地反映污染物的区域具体
反射。在 实际应用时，将衰减器放置在目标与测距机 分布情况。需 要 对 空 间分布特征进行定量空间相关
Analysis and application of distribution characteristics of air pollutants in Qinghai Tibet Plateau Based on laser extinction method
其中,t 作 为 发 射 光 学 系 统 透
(-1
污染物特征，但 对 其 分 布 情 况 分 析 存 在 一 定 局 限 性 。 文献[4]提 出基于M i e 散射激光雷达的气溶胶消光系
占i = _
(2)
.(0/?,/ 2 ) 277
数反演方法。该 方 法 分 析 M i e 散射激光雷达在气溶
P r(M D S ) = P •kc ' kt *Pl *^ ' g ' ' r» (l ) 7T/?!
结合模板匹配和混合物成分判别方法,构建污染物成 分 的 太 赫 兹 光 谱 提 取 分 析 模 型 ，借 助 获 取 的 特 征 光 谱 数 据 ,确 定 大 气 污 染 物 特 征 。该 方 法 可 有 效 识 别 大 气
166
索 雨 泽 ，等:基于激光消光法的青藏高原大气污染物分布特征分析与应用
元素最多的地区为高原地区，影响高原地区人口密集 到给定的侧面探测概率和虚拟替代率。测距仪的测
地区生存活动的进行[1]。经济的快速增长，环境污染 距能力可由附加衰减器的衰减系数决定[6]。
现 象 日 益 严 重 ，给 人 类 生 命 和 健 康 带 来 许 多 负 面 影
染物分布特征的方法。该方法通过太赫兹时域光谱 技术取得污染物特征的吸光谱,分析吸收光谱处理方 法 和 特 征 光 谱 识 别 方 法 的 优 缺 点 ，去 除 环 境 中 影 响 因 素 、噪声以及水蒸气吸收谱，获取污染物的光谱特征，
描述 接 收 面 积 ， 描 述 接 收 视 场 ，那么侧面接收的最 小光功率为：
机间的间隔距离。G 的 取 值 为 也 为 1。 通过式（1)和式(4 )对大气污染物进行测量，即 ：
光 法 能 够 去 除 大 气 中 的 颗 粒 物 ，以 统 计 学 中 变 异 函 数 为基 础 ，得到熔核常数、准基值和基值的具体趋势，为 进 一 步 了 解 污 染 物 之 间 的 关 系 、预 测 污 染 物 浓 度 的 发 展趋势提供了参考。
3 大气污染物分布特征分析
由于受区域、经 济 、气候等因素影响，同时大气污 染 物 浓 度 分 布 呈 现 出 空 间 差 异 。监 测 站 点 综 合 各 种 区 域 因 素 进 行 布 置 ，有 效 地 反 映 青 藏 高 原 地 区 污 染 物 的分布情况，即监测站的浓度数据不仅能同时反映这 一水平，而且反映内容具有代表性。这种代表性可以
第42卷 第 6 期 2021年 6 月
激光杂志 LASER JOURNAL
Vol.42,N o .6 J u n e ,2021
基于激光消光法的青藏高原大气污染物分布特征分析与应用
索雨泽，李石宝
西 藏 大 学 理 学 院 ，拉 萨 8 5 0 0 0 0
摘 要 :针对大气环境日益恶化，灰霭天气频繁出现导致大气污染物浓度高居不下，影响和危害人类健康。 为 此 ，提 出 基 于 激 光 消 光 法 的 青 藏 高 原 大 气 污 染 物 分 布 特 征 分 析 与 应 用 。 采 用 激 光 消 光 法 克 服 大 气 等 不 稳 定 因素对检测结果的影响，以青藏高原地区监测点数据为例，利用变分函数分析大气污染物分布的空间相关性、 方向性效应、相关距离等空间特征，分 析 S0 2 和 P M 2.5两种污染物分布特征。 实 验结果 表明：青藏高原地区污染 物在研究期内，最相关距离差额较小，可知相关效应的方向性较为不稳定，但各个方向的关联度十分接近。对 基 于 空 间 相 关 性 和 关 联 距 离 的 区 域 进 行 联 合 治 理 ，基 于 定 向 效 应 的 差 异 化 集 中 治 理 等 污 染 物 监 管 和 治 理 ，具有 一定参考价值。
基于上述方法难以分辨污染物特征在时间序列
P t(M D S ) = P
-2(72/?2 T (4)
式 中 ,^代 表 实 际 操 作 过 程 中 大 气 衰 减 系 数 ,P2 代 表 消 光 操 作 时 靶 标 反 射 系 数 ，& 代 表 耙 标 与 测 距
或 空 间 上 的 差 异 性 ，提 出 一 种 基 于 激 光 消 光 法 的 青 藏 高原大气污染物分布特征分析与应用。通过激光消
1 引言
随 着 经 济 的 飞 速 发 展 ，城 市 工 业 化 进 程 速 度 越 来 越 快 ，人们的生活水平不断提高。伴随西部大开发战 略的实施，青 藏 高 原 正 处 于 极 其 快 速 的 发 展 过 程 中 。 据相关研究发现,整个北半球中含有大气气溶胶化学
http ：//ser ojurnal,cn
设 定 71代 表 衰 减 片 的 透 过 率 ，目 标 4 的探测概
响 ，空气污染已成为人们关注的焦点问题[2]。如何获 取区域污染物的特征已成为科研领域研究的重点。
文献[3 ]提出基于模板匹配的太赫兹光谱识别污
率 匕 随 距 离 A 大小和有效面积而定。/\代表虚警 率,P , 代 表 目 标 有 效 反 射 系 数 ，a , 表 示 大 气衰减系 数 ，P 表示测距机发射功率, 0 表示激光束发散角
激 光 消 光 法 简 单 可 靠 ，能 够 克 服 大 气 等 不 稳 定 因
T=
〇尺 2 "2 2
-1cr\R\
(5)
将各个参量代人，获 取 的 值 。如果消光法的检 测概率与实际检测概率、虚 拟 替 代 率 相 同 ，那么其最 小 可 检 测 功 率 相 等 ，此 时 可 以 有 效 测 量 大 气 污 染 物 。
1
胶 光 学 特 性 分 析 中 应 用 的 优 势 ，采 用 其 确 定 气 溶 胶 消 光 系 数边界值，通 过 Klett后 向 积 分 模 型 对 气 溶 胶 消 光系数进行反演，建 立 非 线 性 方 程 ，借助差分吸收激
(3) .(冲丨）2 . tt/4
光雷达函数模型，推 导 气 溶 胶 后 向 散 射 消 光 对 数 比 ，
2 基于激光消光法的大气污染物测量
激 光 消 光 法 是 指 当 光 束 穿 过 介 质 时 ，因 介 质 中 含 有 粒 子 ，粒 子 会 发 生 吸 收 和 散 射 的 现 象 ，光的强度会 减 弱 [5]，并 且 粒 子 的 大 小 和 数 量 决 定 减 弱 程 度 。与其 他测 量方法不同，消 光 法 接 收 的 不 是 粒 子 散 射 光 ，而 是非散射光。
and application of air pollutant distribution characteristics in Qinghai-Tibet Plateau based on laser extinction method are proposed. Laser extinction method was used to overcome the influence of atmospheric and other unstable factors on the detection results. Taking the monitoring data of the Qinghai-Tibet Plateau as an example, variational function was used to analyze spatial characteristics such as spatial correlation, directional effect and correlation distance of atmos pheric pollutant distribution, and S0 2 and P M 25 pollutant distribution characteristics were analyzed. The experimental results show that the most relevant distance difference of pollutants in the Qinghai-Tibet Plateau region is small during the study period, which indicates that the direction of the related effects is unstable, but the correlation degree of all directions is very close. It is of certain reference value to carry out joint governance for regions based on spatial correla tion and correlation distance, and to conduct differentiated centralized governance and other pollutants supervision and governance based on directional effect.
S U O Y u z e , LI Shibao
Tibet University, College of Science, Lhasa 8 5 0 0 0 , China
Abstract ：In view of the deteriorating atmospheric environment, the frequent occurrence of haze weather leads to the high concentration of atmospheric pollutants, which affects and harms h u man health. For this reason, the analysis
Key words ：laser extinction method ；air pollutants ；spatial correlation ；directional effect ；correlation distance
收 稿 日 期 :2020-12-15 基 金 项 目 ：西 藏 自 治 区 自 然 科 学 基 金 （No.XZ2019ZRG— 18);西 藏 自 治 区 高 等 教 育 教 学 改 革 研 究 项 目 （No.JG2019—22) 作 者 简 介 :索 雨 泽 （2 0 0 0 - ) ，女 ，主 要 研 究 方 向 ：生 物 科 学 与 生 态 环 境 。 通 讯 作 者 :李 石 宝 （1 9 9 0 - ) ，男 ，博 士 生 ，讲 师 ，主 要 研 究 方 向 ：高 原 生 态 安全与环境工程。
通 常 情 况 下 「，的 取 值 为 1。在消光过程中需要
通过反馈系统，将 边 界 值 无 线 消 除 ，降低气溶胶消光 使探测概率和虚警率一致，此时存在：
系数反演的误差。该方法可有效分析大气中存在的 气 溶 胶 ，但 该 方 法 仅 针 对 一 种 物 质 进 行 研 究 ，还需进 一步扩大研究范围。
素对检测结果的影响。将近距离的属性认定为目标， 通过空间相关反射实现。空间分布数值模拟基于空 通 常 为 高 反 射 率 的 大 目 标 ，其 反 射 特 性 为 Lambert漫 间相关性，可 以 直 观 、全面地反映污染物的区域具体
反射。在 实际应用时，将衰减器放置在目标与测距机 分布情况。需 要 对 空 间分布特征进行定量空间相关