建立空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的探討

陳 誼，施潔新，張 超

(揚(yáng)州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 揚(yáng)州 225007)

·解析評(píng)價(jià)·

建立空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的探討

陳 誼，施潔新，張 超

(揚(yáng)州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 揚(yáng)州 225007)

分析了空氣污染指數(shù)(API)系統(tǒng)在評(píng)價(jià)空氣污染水平中的不足，提出了在原API系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)拓展，增加能見度和PM2.5評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(AQI)。分析了揚(yáng)州市區(qū)PM2.5和能見度在霧霾日及正常日的百分位分布，確定了PM2.5和能見度分級(jí)值，并利用揚(yáng)州市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

空氣質(zhì)量綜合指數(shù);評(píng)價(jià)指標(biāo);空氣污染水平;能見度

空氣污染指數(shù)(API)是許多國(guó)家和地區(qū)用來(lái)描述城市環(huán)境空氣污染狀況的方式，具有計(jì)算方便、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，中國(guó)現(xiàn)行空氣污染水平也采用 API表征，API包括 SO2、NO2、PM10、CO、O35 個(gè)指標(biāo)，但目前僅開展SO2、NO2、PM103個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)［1］?，F(xiàn)行API指數(shù)最大的問題是不能完全反映空氣環(huán)境污染特征，代表性明顯欠缺，經(jīng)常與實(shí)際空氣質(zhì)量狀況及公眾的直觀感受不符。以揚(yáng)州市為例，2008年氣象部門測(cè)得125個(gè)霾日，而環(huán)境保護(hù)局公布的API≤100的天數(shù)高達(dá)321天，兩種結(jié)果相差很大。改進(jìn)完善現(xiàn)行API系統(tǒng)，使空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)能科學(xué)反映空氣污染水平顯得尤為迫切。由于API指數(shù)在中國(guó)實(shí)施多年，已被公眾廣泛了解和接受，因此，可在原API基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，增加能見度和PM2.5評(píng)價(jià)指標(biāo)，不僅包含對(duì)污染物等抽象指標(biāo)的量化描述，也包括能見度等直觀指標(biāo)的定量反映，能夠更加直觀地表征空氣質(zhì)量，更貼近公眾的感受。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

空氣環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)采用2008—2010年12月?lián)P州市空氣環(huán)境自動(dòng)站監(jiān)測(cè)結(jié)果，同期霾日觀測(cè)記錄及2009—2010年能見度、相對(duì)濕度、霧日觀測(cè)記錄等數(shù)據(jù)來(lái)源于揚(yáng)州市氣象臺(tái)。為了保證氣象數(shù)據(jù)和空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性，除霾日外，以2009—2010年數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，其中:2009—2010年正常日數(shù)據(jù)576組，2008年6月—2010年霾日數(shù)據(jù)238組，2009—2010年霧日數(shù)據(jù)92組。城東財(cái)政所站點(diǎn)自2008年6月開始增加PM2.5監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)城東財(cái)政所站點(diǎn)PM2.5和PM10逐年進(jìn)行相關(guān)回歸分析，相關(guān)系數(shù)為 0.898 1～0.936 9，高度正相關(guān)，各季 PM2.5/PM10比值為 0.644 ～ 0.729，依據(jù)PM2.5/PM10比值和 PM10實(shí)測(cè)值推算市區(qū) PM2.5平均質(zhì)量濃度。

2 霧霾日空氣污染水平和能見度特征

除雨、雪天氣外，影響能見度的天氣有霧和霾［2］。吳兌等研究認(rèn)為:霾是指大量極細(xì)微的干性塵粒、鹽粒、煙粒等均勻地懸浮在空中，使水平能見度小于10 km，空氣普遍出現(xiàn)混濁的天氣現(xiàn)象，霧與霾區(qū)別在于相對(duì)濕度是否小于90%，相對(duì)濕度大于90%形成霧，反之為霾［3］。任意一天中只要有一次霧、霾出現(xiàn)就記為一個(gè)霾日或霧日。

2.1 霧霾日能見度特征

霧霾天氣的形成與一定的天氣形勢(shì)有關(guān)，霧霾天氣造成的直接現(xiàn)象是能見度下降。氣象部門處理能見度長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，一般用14點(diǎn)能見度或平均能見度作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象［4］。由于平均能見度包含了全天3次能見度觀測(cè)信息，較全面地反映了全天能見度狀況，避免了使用一次觀測(cè)值而造成的偶然性，以平均能見度為研究對(duì)象更為合理。霧霾天氣下，能見度降低，霧日和霾日的平均能見度分別為7.5和8.9 km，而正常日為16 km，霧霾日能見度比正常日低80%以上。

2.2 霧霾日空氣污染水平

PM10執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行世界衛(wèi)生組織推薦的年均值0.035 mg/m3，日均值 0.075 mg/m3。霧霾日和正常日 PM10、PM2.5日均值統(tǒng)計(jì)見表 1，霧霾日 PM10、PM2.5日均值超標(biāo)率見表2。與正常日相比，霧霾日污染物濃度都有不同程度增加，霧霾日SO2、NO2濃度都有所上升，但不超標(biāo);PM10、PM2.5日均值和超標(biāo)率大幅上升，以 PM2.5污染最為嚴(yán)重，其次為PM10，表明霧霾天氣下顆粒物污染加劇。

表1 霧霾日和正常日PM10、PM2.5日均值 mg/m3

表2 霧霾日PM10、PM2.5日均值超標(biāo)率_

3 空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(AQI)的建立

從前面分析結(jié)果可知:無(wú)論霧霾日還是正常日，PM2.5超標(biāo)率均高于 PM10;霧霾日 PM2.5日均濃度比正常日高1倍以上，霧霾天氣以PM2.5污染加劇為特征;PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量影響較大，定量描述空氣污染水平時(shí)，應(yīng)考慮PM2.5為代表的細(xì)粒子的污染水平。

能見度和污染物關(guān)系密切，大氣受到污染后，由于大氣中的懸浮粒子顆粒物對(duì)光的散射和吸收作用，能見度下降，污染程度越高，能見度受污染物影響越大，大氣能見度的變化可反映大氣混濁度和空氣污染狀況，是判斷灰霾天氣的一個(gè)重要判據(jù)［3］。霧、霾等低能見度天氣都與空氣污染有關(guān)，因此，能見度可以作為一個(gè)綜合指標(biāo)，參與定量描述空氣質(zhì)量。

以API系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加PM2.5和平均能見度，建立AQI系統(tǒng)，AQI分級(jí)見表3。PM2.5和能見度的AQI分指數(shù)與相應(yīng)實(shí)測(cè)濃度呈分段函數(shù)關(guān)系，設(shè)定PM2.5和平均能見度的不同限值為分段函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，取各污染物的分指數(shù)最大者為AQI，平均能見度僅作為分指數(shù)參與計(jì)算，以空氣污染物分指數(shù)最高者為首要污染物。降雨、雪天氣的能見度數(shù)據(jù)不參與計(jì)算。能見度、PM2.5分級(jí)見表4。AQI計(jì)算公式如下:

式中:I——某污染物的污染指數(shù);C——該污染物的濃度;I大、I小——在AQI分級(jí)限值表中最貼近I值的兩個(gè)值，I大為大于I的值，I小為小于I的值;C大、C小——在AQI分級(jí)限值表中最貼近C值的兩個(gè)值，C大為大于C的限值，C小為小于C的限值。

表3 AQI分級(jí)表

表4 能見度、PM2.5分級(jí)表

4 分級(jí)依據(jù)

4.1 PM2.5分級(jí)值的確定

由于PM2.5控制技術(shù)要求較高，考慮到中國(guó)現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平，不宜把PM2.5評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定得太高，否則就不具備可行性。PM2.5分級(jí)執(zhí)行世界衛(wèi)生組織推薦的第一階段過(guò)渡時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)，即PM2.5Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(日均值 0.075 mg/m3)，這也是目前國(guó)內(nèi)多數(shù)科研、規(guī)劃項(xiàng)目都采用的參考標(biāo)準(zhǔn)。AQI 200和AQI 300分級(jí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)參考美國(guó)API指數(shù)所對(duì)應(yīng)的濃度限值，分別為0.150和0.250 mg/m3，采用插入法確定的AQI 250分級(jí)點(diǎn)值為0.200 mg/m3。隨著污染程度加重，PM2.5/PM10的比值不斷增高:0.672—0.807—0.877［5］，輕微污染情況下，以0.100 mg/m3作為AQI 150的分級(jí)限值，當(dāng)空氣中PM10濃度很高時(shí)，PM2.5濃度也會(huì)隨之增高，因此，依據(jù)原API 400和API 500所對(duì)應(yīng)的PM10濃度分級(jí)值，確定AQI 400和 AQI 500的 PM2.5分級(jí)值分別為0.400 和0.500 mg/m3，詳見表4。

按表4分級(jí)方式，2009—2010年揚(yáng)州市區(qū)霧霾日和正常日PM2.5分級(jí)分布結(jié)果見表5。80%霧日 PM2.5日均值劣于Ⅱ級(jí)，92% 霾日 PM2.5日均值劣于Ⅱ級(jí)，霧霾日PM2.5日均值主要分布在Ⅲ1—Ⅳ2之間，正常日PM2.5日均值則主要分布在Ⅰ—Ⅲ1之間，分級(jí)較為合理。

表5 2009—2010年揚(yáng)州市區(qū)PM2.5分級(jí)分布

4.2 能見度分級(jí)值的確定

影響大氣能見度的因素有自然和人為因素。人為因素是指污染物的排放所造成的空氣污染;自然因素是指影響大氣能見度的天氣現(xiàn)象，如降水、雪、冰雹等。在研究能見度與空氣質(zhì)量關(guān)系時(shí)，需要剔除吹雪、雪、降雨等天氣現(xiàn)象及其他相對(duì)濕度大于90%而導(dǎo)致低能見度情況的數(shù)據(jù)，否則會(huì)引起誤判。

能見度是常規(guī)氣象參數(shù)之一。能見度≥15 km時(shí)，視野清晰，氣溶膠含量低，空氣質(zhì)量直觀感覺較好;當(dāng)能見度≤0.3 km時(shí)，重霧，能見度極差。當(dāng)能見度≤10 km時(shí)，排除雨雪等天氣因素的影響，一般認(rèn)為空氣質(zhì)量開始下降。由于霾的復(fù)雜性和區(qū)域性，在嚴(yán)格執(zhí)行《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的基礎(chǔ)上，結(jié)合江蘇省的實(shí)際情況，江蘇省氣象部門按照能見度對(duì)灰霾等級(jí)進(jìn)行了等級(jí)劃分:輕度霾8 km ＜V≤10 km;中度霾5 km ＜V≤8 km;重度霾3 km＜V≤5 km;嚴(yán)重霾≤3 km。能見度分級(jí)以灰霾等級(jí)劃分為基礎(chǔ)，輕度霾、中度霾、重度霾和嚴(yán)重霾對(duì)應(yīng)的等級(jí)分別為Ⅲ—Ⅳ，能見度1 km和0.3 km的極端情況設(shè)為AQI 400和AQI 500的分級(jí)限值。平均能見度百分位統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。從霧霾日和正常日能見度百分位看，說(shuō)明分級(jí)較為合理。

表6 平均能見度百分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)

4.3 平均能見度、PM2.5分布關(guān)系

能見度和PM2.5的分布關(guān)系見圖1-3。正常日PM2.5和平均能見度分布趨勢(shì)基本一致，霧日和霾日分布趨勢(shì)不完全相同，互為補(bǔ)充。

分指數(shù)對(duì)綜合指數(shù)的影響:AQI(PM2.5)對(duì)AQI的貢獻(xiàn)率分別為48%，57%和69%，AQI(能見度)對(duì)AQI的貢獻(xiàn)率分別為分別為51%，43%和31%。在霾天氣下，能見度對(duì)AQI結(jié)果影響較大，能見度作為一個(gè)綜合指標(biāo)參與空氣質(zhì)量綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)，可以彌補(bǔ)在目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下監(jiān)測(cè)因子不全而造成的不合理評(píng)價(jià)，在空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)中加入能見度是必要的［6］。

表7 霾日AQI計(jì)算結(jié)果

圖4 霾日AQI分布

5 結(jié)果討論

5.1 霾日計(jì)算結(jié)果

2008—2010年霾日 AQI計(jì)算結(jié)果見表7和圖4。用AQI評(píng)價(jià)系統(tǒng)，霾日出現(xiàn)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良的結(jié)果極低，霾日空氣質(zhì)量總體狀況較差，以輕度污染和中度污染(Ⅲ2—Ⅳ2)為主，3年霾日AQI均值分別為 219、213、207，首要污染物均為 PM2.5，與空氣質(zhì)量實(shí)際狀況相符。如用API系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，3年霾日API年均值分別為127，130和130，評(píng)價(jià)結(jié)果屬輕微污染，空氣質(zhì)量狀況被人為優(yōu)化。

5.2 霧日計(jì)算結(jié)果

霧日AQI計(jì)算結(jié)果見表8和圖5。霧日AQI在Ⅰ—Ⅴ之間都有分布，以Ⅲ1—Ⅳ2為主。2009、2010年霧日AQI均值分別為214和194，首要污染物均為PM2.5。如果采用API系統(tǒng)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果分別為 135 和 123。2009、2010 年 AQI(PM2.5)對(duì)AQI的貢獻(xiàn)率分別為54%和73%，AQI(能見度)對(duì)AQI的貢獻(xiàn)率分別為46%和27%。

表8 霧日AQI計(jì)算結(jié)果

圖5 霧日AQI分布

圖6 正常日AQI分布

5.3 正常日計(jì)算結(jié)果

2009—2010年正常日AQI計(jì)算結(jié)果見表9和圖6。AQI年均值分別為107和124，首要污染物為PM2.5的天數(shù)分別達(dá)到94%和95%，首要污染物為PM10的天數(shù)僅為6%和5%，說(shuō)明即使在正常日，細(xì)粒子對(duì)空氣質(zhì)量仍然有重要影響。而在原來(lái)API系統(tǒng)中，正常日API均值分別為76和89，首要污染物99%以上為PM10，忽略了PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量的影響。

分指數(shù)對(duì)綜合指數(shù)的影響:AQI(PM2.5)對(duì)AQI的貢獻(xiàn)率分別為66%和77%，AQI(PM10)的貢獻(xiàn)率分別為5%和3%，AQI(能見度)對(duì)AQI的貢獻(xiàn)率僅為29%和20%，表明在正常日，影響空氣質(zhì)量的主要是細(xì)粒子，能見度對(duì)空氣質(zhì)量的描述處于從屬地位。

表9 正常日AQI計(jì)算結(jié)果

從對(duì)霧霾日和正常日空氣質(zhì)量綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果看出，在增加了評(píng)價(jià)因子后，對(duì)空氣質(zhì)量綜合水平的描述更直觀可信。

6 結(jié)論

(1)在API系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加PM2.5、能見度指標(biāo)，建立AQI，定量描述空氣質(zhì)量，根據(jù)空氣質(zhì)量狀況分為:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際空氣污染水平較為一致，貼近公眾直觀感受。

(2)從揚(yáng)州市區(qū)PM2.5和能見度在霧霾日及正常日的百分位分布結(jié)果看，PM2.5、能見度分級(jí)值設(shè)置合理。能見度可以作為一個(gè)綜合性指標(biāo)間接反映空氣污染水平，能見度指標(biāo)的加入彌補(bǔ)了因監(jiān)測(cè)指標(biāo)不全而造成的對(duì)空氣質(zhì)量狀況描述的不足。

［1］ 鐘聲，丁銘，夏文文.國(guó)內(nèi)外空氣污染指數(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2(3):35-38.

［2］ 陸曉波，許建華.一次典型灰霾天氣過(guò)程及成因分析［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2009，1(1):10-13.

［3］ 吳兌.細(xì)粒子污染形成灰霾天氣導(dǎo)致廣州地區(qū)能見度下降［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2007，23(1):1-6.

［4］ 李雄.1980年地面氣象觀測(cè)規(guī)范變更對(duì)能見度資料連續(xù)性影響研究［J］.氣象，2010(3).

［5］ 賀克斌.北京大氣顆粒物污染的區(qū)域本質(zhì)［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009(3).

［6］ 梁延剛.香港能見度、大氣懸浮粒子濃度與氣象條件的關(guān)系［J］.氣象學(xué)報(bào)，2008，66(3).

Construction of the Comprehensive Index of Environmental Air Quality

CHEN Yi， SHI Jie-xin，ZHANG Chao
(Yangzhou Environmental Monitoring Central Station，Yangzhou，Jiangsu 225007，China)

The comprehensive index of environmental air quality(AQI)was put forward by appending visibility and PM2.5comprehensive indexes in the original API system，which has been deficient in the assessment of air pollution level.The ranked value of PM2.5and visibility was established by analyzing the distribution of PM2.5and visibility in Yangzhou downtown.The result was verified by ambient air environmental monitoring data of Yangzhou.

AQI;visibility;air pollution level;evaluating indicator

X830

A

1674-6732(2012)-01-0038-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.01.010

2011-07-18;

2011-08-11

江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)科研基金項(xiàng)目(0911)。

陳誼(1965—)，女，高級(jí)工程師，本科，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理工作。