環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法與分級方案比較

潘本鋒，李莉娜

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法與分級方案比較

潘本鋒，李莉娜

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)廣泛應(yīng)用于各國環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)體系之中，旨在為公眾提供簡單明了的空氣質(zhì)量信息和健康指引。通過對不同國家和地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)的名稱、計(jì)算方法、分級方案進(jìn)行深入分析和比較，系統(tǒng)分析了各種空氣質(zhì)量指數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對我國當(dāng)前的空氣質(zhì)量指數(shù)體系存在的問題提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)；計(jì)算方法；分級方案；比較

目前，絕大多數(shù)國家和地區(qū)都制定了環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1-8]，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了環(huán)境空氣中各項(xiàng)污染物的濃度限值，作為環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)和管理的依據(jù)。隨著公眾環(huán)境意識的提升，為充分保障公眾的環(huán)境知情權(quán)，許多國家公開了環(huán)境空氣質(zhì)量狀況信息。由于各項(xiàng)空氣污染物的名稱、監(jiān)測結(jié)果等信息具有較強(qiáng)專業(yè)性，直接發(fā)布不利于社會公眾理解。環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)是將專業(yè)性較強(qiáng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)換成一個(gè)無量綱的指數(shù)，根據(jù)指數(shù)大小將空氣質(zhì)量狀況劃分為“優(yōu)、良、中、差”等通俗易懂的等級。目前，許多國家通過發(fā)布空氣質(zhì)量指數(shù)和等級的方式，方便公眾直觀地理解環(huán)境空氣質(zhì)量狀況。

2012年2月我國頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[9]，規(guī)定了我國環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算方法和分級方案以及環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)的發(fā)布內(nèi)容、格式等要求，環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)的應(yīng)用在及時(shí)發(fā)布環(huán)境質(zhì)量狀況信息、為公眾提供健康指引等方面發(fā)揮了重要作用[10-16]，但在使用過程中也逐步顯現(xiàn)出一些問題[17-19]，譬如部分時(shí)段空氣質(zhì)量狀況發(fā)布結(jié)果與公眾感受不一致，不能及時(shí)為公眾提供健康指引等。為了更加客觀準(zhǔn)確地反映空氣質(zhì)量狀況，本文比較分析了美國、英國、加拿大、歐盟、韓國、中國等國家或地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算方法和分級方案，系統(tǒng)地分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在為改進(jìn)我國環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)技術(shù)體系提供參考。

1 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)名稱比較

目前，美國、英國、加拿大、歐盟、韓國、中國等國家或地區(qū)都建立了自己的空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法與分級體系，但由于各國對空氣質(zhì)量信息發(fā)布的側(cè)重點(diǎn)不同，空氣質(zhì)量指數(shù)名稱和計(jì)算方法并不完全一致，不同國家或地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)名稱比較見表1[20-24]。

由表1可見，目前國際上常用的空氣質(zhì)量指數(shù)主要分為2個(gè)類型，一種稱作空氣質(zhì)量指數(shù)，美國、英國、歐盟、韓國、中國均使用空氣質(zhì)量指數(shù)，雖名稱略有差別，但內(nèi)涵基本一致，主要用來反映空氣質(zhì)量狀況。另一種稱作空氣質(zhì)量健康指數(shù)，如加拿大使用了空氣質(zhì)量健康指數(shù)。空氣質(zhì)量健康指數(shù)有別于傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量指數(shù)，健康指數(shù)以污染物對人群的健康風(fēng)險(xiǎn)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，用來向公眾發(fā)布當(dāng)前的健康風(fēng)險(xiǎn)等級[25]。

表1 空氣質(zhì)量指數(shù)名稱比較

此外，尚有部分國家沒有建立空氣質(zhì)量指數(shù)體系，而是直接發(fā)布污染物在環(huán)境空氣中的濃度，如日本、德國等。

2 空氣質(zhì)量指數(shù)分級方案比較

目前，各國空氣質(zhì)量指數(shù)的分級體系并不一致，大致分為4～6級，不同國家或地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)分級情況見表2。

表2 不同國家或地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)分級情況

由表2可見，各國的空氣質(zhì)量指數(shù)分級方案雖然不盡相同，但分級理論基本一致，都是按照空氣質(zhì)量的優(yōu)劣程度對空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行分級。其中美國、韓國、中國的空氣質(zhì)量指數(shù)級別從“優(yōu)”或“好”開始，而加拿大、英國、歐盟等國家或地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)是從“輕度污染”或“低風(fēng)險(xiǎn)”開始的。我國的空氣質(zhì)量指數(shù)采用了“空氣質(zhì)量指數(shù)級別”(從“1”到“6”6個(gè)級別)和 “空氣質(zhì)量指數(shù)類別”(從“優(yōu)”到“嚴(yán)重污染”6個(gè)類別)2種方法共同對空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行分級[9]。韓國同我國類似，也采用了6個(gè)級別(從“A”到“F”)和6種空氣質(zhì)量狀況描述(從“好”到“危險(xiǎn)”)2種方式共同分級[23]?？傮w來看，多數(shù)國家的空氣質(zhì)量指數(shù)分級中，直接用空氣質(zhì)量狀況的定性描述(如輕度污染、重度污染等)對空氣質(zhì)量進(jìn)行分級，不再使用數(shù)字級別(如1級、2級等)，各級別之間的界限相對都比較清晰。

3 空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法比較

3.1 計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)采用的污染物項(xiàng)目

各國在空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算時(shí)，參與計(jì)算的污染物項(xiàng)目主要來自于各國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所涉及的相關(guān)項(xiàng)目，不同國家或地區(qū)參與計(jì)算的項(xiàng)目見表3。

表3 不同國家或地區(qū)參與空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算的污染物比較

從表3可見，各國在計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)選取的污染物指標(biāo)并不完全相同，O3、PM10、PM2.5、CO、SO2、NO2等污染物項(xiàng)目在各國空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算中廣泛采用，顆粒物、O3、NO2是美國、英國、歐盟、韓國、中國、加拿大、澳大利亞等國家或地區(qū)共同采用的污染物項(xiàng)目。

我國當(dāng)前計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)所選取的污染物項(xiàng)目從數(shù)量和種類上與國際上其他國家基本一致。對比各國的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知，各國所采用的污染物項(xiàng)目種類以及污染物濃度的取值時(shí)間，主要取決于各國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

3.2 空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法優(yōu)劣比較

對比分析可知，各國的空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法并不一致，美國、英國、歐盟、韓國、中國、加拿大等國家或地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法見表4。

表4 不同國家或地區(qū)的空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法比較

空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法主要有插值法、濃度區(qū)間對照法、健康風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算法等，其中插值法是空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算中較為常用的一個(gè)方法，美國、歐盟、韓國、中國等均采用插值法計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)，插值法的計(jì)算公式：

式中：IAQIp為各單項(xiàng)污染物的空氣質(zhì)量分指數(shù)；IAQIHi為與Cp接近的高位臨界值對應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)；IAQILo為與Cp接近的低位臨界值對應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)；BPHi為與Cp接近的高位臨界值；BPLo為與Cp接近的低位臨界值；Cp為污染物濃度值。

使用插值法計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)，空氣質(zhì)量指數(shù)的臨界值和對應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)均有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，美國的空氣質(zhì)量指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表5[以PM2.524 h質(zhì)量濃度(PM2.5-24 h)和臭氧8 h質(zhì)量濃度(O3-8 h)為例][26]。

表5 美國AQI分級臨界值

注：當(dāng)AQI≥301時(shí)，不再使用O3-8 h計(jì)算AQI,改用O3-1 h計(jì)算；空表示無相應(yīng)數(shù)據(jù)。

插值法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算結(jié)果較為精確，能夠準(zhǔn)確地區(qū)分不同污染物濃度下的空氣質(zhì)量狀況。美國、中國、歐盟在空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算時(shí)所采用的插值法基本一致。

韓國的空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法在一般插值法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，即當(dāng)有2項(xiàng)污染物的單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)大于100時(shí)，取較大值加上50作為最終的空氣質(zhì)量指數(shù)，當(dāng)有3項(xiàng)污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)大于100時(shí)，取最大值加上75作為最終的空氣質(zhì)量指數(shù)，改進(jìn)后的計(jì)算方法在一定程度上反映了空氣污染物之間疊加影響的效果，能夠更加嚴(yán)格地保護(hù)人體健康。

英國的空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算采用濃度區(qū)間對照法，即根據(jù)各項(xiàng)污染物的濃度值直接查表，對應(yīng)得出各項(xiàng)污染物的空氣質(zhì)量指數(shù)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算方法簡單，可以將污染物濃度直接換算為空氣質(zhì)量指數(shù)。英國空氣質(zhì)量指數(shù)換算見表6(以O(shè)3-8 h、PM2.5為例)[22]。

表6 英國空氣質(zhì)量指數(shù)換算表

加拿大的空氣質(zhì)量指數(shù)采用了空氣質(zhì)量健康指數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)匚廴疚飳θ梭w健康影響的相關(guān)研究結(jié)果，估算不同污染狀況下空氣污染所導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)增幅，根據(jù)健康風(fēng)險(xiǎn)增幅大小確定空氣質(zhì)量健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，空氣質(zhì)量健康指數(shù)與健康風(fēng)險(xiǎn)直接相關(guān)。以加拿大為例，在計(jì)算空氣質(zhì)量健康指數(shù)時(shí)，僅考慮了PM2.5、O3、NO23項(xiàng)污染物的濃度，而沒有考慮SO2、CO等，是因?yàn)楫?dāng)已經(jīng)考慮PM2.5、O3、NO23項(xiàng)污染物的健康影響時(shí)，SO2、CO等污染物并沒有明顯導(dǎo)致健康風(fēng)險(xiǎn)額外增加[24]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是充分考慮了本地的污染特征和污染物健康風(fēng)險(xiǎn)研究結(jié)果，并能夠綜合考慮各主要污染物對人體健康的風(fēng)險(xiǎn)來計(jì)算空氣質(zhì)量健康指數(shù)，在對公眾提供健康指引和出行建議方面具有很強(qiáng)的針對性，能夠最大限度地為社會公眾提供健康風(fēng)險(xiǎn)信息參考。

3.3 顆粒物單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法比較

由于大多數(shù)國家都沒有制定顆粒物(PM10和PM2.5)的1 h濃度標(biāo)準(zhǔn)，而普遍制定了顆粒物的24 h濃度標(biāo)準(zhǔn)，因此，許多國家在計(jì)算顆粒物單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)只能采用顆粒物24 h平均濃度這一指標(biāo)。由于顆粒物濃度在一天中會有一定的變化，采用24 h平均濃度進(jìn)行空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算往往具有一定的滯后性[18]，因此，評價(jià)結(jié)果不能及時(shí)反映當(dāng)前空氣質(zhì)量狀況，尤其是最近24 h顆粒物濃度變化較大時(shí)，甚至造成空氣質(zhì)量評價(jià)結(jié)果與人們對當(dāng)時(shí)空氣質(zhì)量的主觀感受存在明顯差異[19]。為了及時(shí)反映顆粒物的污染狀況，部分國家對顆粒物單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了特別規(guī)定。

美國在空氣質(zhì)量指數(shù)實(shí)時(shí)報(bào)中將PM2.5的24 h平均濃度定義為最近12 h和未來12 h的平均濃度，未來12 h的濃度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來推算，以盡可能地反映當(dāng)前的顆粒物污染狀況[18]。

韓國在計(jì)算PM10的單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)，采用了24 h滑動平均濃度，由過去12 h平均濃度和過去4 h平均濃度加權(quán)平均得到，并且根據(jù)當(dāng)前PM10濃度值的高低以及當(dāng)前濃度值與過去12 h平均濃度值的比值大小，調(diào)整過去4 h平均濃度值的權(quán)重，以最大限度地反映當(dāng)前污染狀況。

歐盟則直接基于PM10和PM2.5的1 h濃度，制定了相應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，直接使用1 h濃度計(jì)算顆粒物的單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)。歐盟PM10和PM2.5分級標(biāo)準(zhǔn)見表7[21]。

表7 歐盟顆粒物單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

英國、中國目前仍然采用顆粒物(PM10和PM2.5)的24 h平均濃度進(jìn)行空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算，因此，當(dāng)空氣質(zhì)量發(fā)生明顯變化時(shí)，空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)評價(jià)結(jié)果存在一定的滯后性，不能及時(shí)反映當(dāng)前的空氣質(zhì)量狀況。

4 我國空氣質(zhì)量指數(shù)的特點(diǎn)和不足

通過對各國空氣質(zhì)量指數(shù)的名稱、分級方案、計(jì)算方法進(jìn)行比較分析，我國的空氣質(zhì)量指數(shù)在名稱、分級方案、污染物項(xiàng)目選取、計(jì)算方法等方面基本和國際接軌。但還存在一些不足：顆粒物(PM10和PM2.5)單項(xiàng)空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算時(shí)采用24 h均值進(jìn)行計(jì)算，空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)評價(jià)結(jié)果有一定的滯后；臭氧使用O3-8 h和O3-1 h 2個(gè)指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行評價(jià)，實(shí)時(shí)評價(jià)結(jié)果可能存在矛盾；空氣質(zhì)量指數(shù)類別分級不夠清晰，對空氣質(zhì)量指數(shù)為51～100時(shí)的空氣質(zhì)量狀況描述過于樂觀；空氣質(zhì)量指數(shù)分級和分類系統(tǒng)過于繁雜，需要同時(shí)發(fā)布空氣質(zhì)量指數(shù)、指數(shù)級別、指數(shù)類別、顏色類別，不夠直觀明了；未考慮不同污染物協(xié)同效應(yīng)；未充分考慮污染物對人群的健康效應(yīng)等。

5 結(jié)論

1)各國普遍采用了空氣質(zhì)量指數(shù)的方法來分級表征空氣質(zhì)量狀況，使得空氣質(zhì)量狀況信息更容易為社會公眾所理解，能夠有效地為公眾提供健康指引。

2)各國計(jì)算空氣質(zhì)量指數(shù)時(shí)所選取的污染物主要來自各國的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相關(guān)項(xiàng)目，其中顆粒物、O3、NO2是各個(gè)國家普遍采用的污染物項(xiàng)目。

3)空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算的主流方法包括線性插值法、濃度區(qū)間對照法和健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。

4)對于顆粒物(PM10和PM2.5)缺乏小時(shí)濃度限值的污染物，部分國家對其空氣質(zhì)量單項(xiàng)指數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了特殊規(guī)定，以能夠及時(shí)反映空氣質(zhì)量變化。

建議我國對空氣質(zhì)量指數(shù)類別的分級方案進(jìn)行調(diào)整，將類別調(diào)整為“優(yōu)、一般、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染”。簡化空氣質(zhì)量指數(shù)體系，舍棄空氣質(zhì)量指數(shù)級別(即1～6級)，保留空氣質(zhì)量指數(shù)、空氣質(zhì)量類別、首要污染物、健康指引等信息。簡化空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法，采用濃度區(qū)間對照法，污染物濃度由低到高分別對應(yīng)“1、2、3、4、5、6”6個(gè)空氣質(zhì)量指數(shù)，便于指數(shù)計(jì)算和公眾理解。采用顆粒物(PM10和PM2.5)1 h濃度和臭氧1 h濃度進(jìn)行空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算，及時(shí)反映空氣質(zhì)量變化情況，并在《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》修訂時(shí)進(jìn)行相應(yīng)修改。加快開展我國空氣污染物與人群健康效應(yīng)研究，為進(jìn)一步科學(xué)制定空氣質(zhì)量指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

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Comparison of the Calculating Method and Classifying Program of Air Quality Index Among Some Countries

PAN Benfeng， LI Lina

State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

Air quality index(AQI) is used in the air quality assessing system widely, andAQIcan provide air quality information and health guide to the public conveniently, compares the definition, calculating method and classifying program ofAQIamong some different countries and area, analyzes the merits and demerits of all kinds ofAQI, considering the demerits ofAQIsystem in China, gives some proposal in order to improve theAQIsystem in China

air quality index; calculating method; classifying program；comparison

2015-05-04;

2015-05-28

潘本鋒(1978-)，男，河南孟津人，碩士，高級工程師。

李莉娜

X830

A

1002-6002(2016)01- 0013- 05