各國環(huán)境空氣質(zhì)量評價中污染物濃度表示方法比較

潘本鋒，鄭皓皓，王 帥

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室,北京 100012

中國于2012年頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[1]，新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的污染物基本項目包括6項：SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了上述污染物項目的平均時間、分級標(biāo)準(zhǔn)、濃度限值和單位，新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在客觀評價空氣質(zhì)量狀況，確?？諝赓|(zhì)量評價結(jié)果與公眾感受相一致，促進國內(nèi)大氣污染防治方面發(fā)揮了重要作用。世界上大多數(shù)國家也都制定了各自的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中O3、PM10、PM2.5、CO、SO2、NO2等污染物項目廣泛應(yīng)用于各國的空氣質(zhì)量評價和發(fā)布，尤其是顆粒物、O3、NO2，是美國、英國、歐盟、韓國、中國、加拿大、澳大利亞等國家和地區(qū)共同采用的污染物項目[2-8]。但通過對比各國的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，許多國家雖然在評價空氣質(zhì)量時采用了一部分相同的污染物項目，但各國的污染物濃度表示方法并不完全一致，影響了各個國家之間空氣質(zhì)量的比較研究，本文對不同國家的空氣污染物濃度表示方法進行了系統(tǒng)地比較研究，并對中國空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中空氣污染物濃度的表示方法提出了改進建議。

1 各國污染物濃度表示方法比較

將美國、加拿大、英國、法國、日本、韓國、澳大利亞、中國等國家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[9-15]中部分氣態(tài)污染物和顆粒物濃度表示方法進行比較，見表1。

表1 各國空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中部分污染物濃度表示方法比較Table 1 Comparison of the unit of some pollutant concentration in the air quality standard among some countries

注：“—”表示該國空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中無此項污染物。

由表1可見，美國、加拿大、日本、韓國、澳大利亞等國家的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，對于顆粒態(tài)污染物其濃度單位采用質(zhì)量濃度(μg/m3)，而對于氣態(tài)污染物其濃度單位采用體積比濃度(如ppm或ppb)。而中國、英國、法國等國家的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對顆粒態(tài)污染物和氣態(tài)污染物濃度單位均采用質(zhì)量濃度(μg/m3)。

2 中國不同區(qū)域城市空氣質(zhì)量濃度不同表示方法比較

各個國家污染物濃度單位不同，導(dǎo)致國際間相互引用和比較空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)時存在諸多不便，即使采用同樣的濃度單位，也會因為規(guī)定的氣體狀態(tài)不同使數(shù)據(jù)缺乏可比性。如美國空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PM2.5濃度為實際狀況下的濃度[16-17]，而中國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PM2.5濃度為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的濃度[1]。在中國東北、華北、華中、華南、華東、西北、西南七大區(qū)域，分別選擇哈爾濱、北京、鄭州、廣州、上海、蘭州、昆明作為代表城市，以2013年各城市PM2.5濃度為例，根據(jù)各城市、各月平均溫度和大氣壓，將標(biāo)況濃度換算為實況濃度，并對2種表示結(jié)果進行比較。

圖1為北京市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度的比較。北京市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比濃度值顯著下降，變化比例為-10.4%～0.3%，下降比例最大的是7月，而在1月實況濃度和標(biāo)況濃度沒有顯著變化。

圖1 北京市PM2.5實況濃度和標(biāo)況濃度比較Fig.1 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Beijing

圖2為哈爾濱市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較。哈爾濱市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，1、2、12月濃度上升，其他月濃度下降，濃度值變化比例為-10.6%～5.4%，濃度下降比例最大的是7月，而在1月?lián)Q算為實況濃度后比標(biāo)況濃度上升了5.4%。

圖2 哈爾濱市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.2 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Harbin

圖3為上海市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較。上海市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-11.2%～-2.4%，下降比例最大的是7月，下降比例最小的是1月。

圖3 上海市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.3 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Shanghai

圖4為鄭州市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較。鄭州市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-11.8%～-1.9%，下降比例最大的是8月，下降比例最小的是1月。

圖4 鄭州市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.4 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Zhengzhou

圖5為廣州市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較。廣州市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-10.0%～-5.0%，下降比例最大的是6月，下降比例最小的是12月。

圖5 廣州市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.5 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Guangzhou

圖6為昆明市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較。昆明市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-26.0%～-22.4%，下降比例最大的是6月，下降比例最小的是12月。和其他地區(qū)相比，因昆明市為高原地區(qū)，海拔較高，大氣壓較低，故造成實況濃度明顯低于標(biāo)況濃度。

圖6 昆明市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.6 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Kunming

圖7為蘭州市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較。蘭州市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-22.7%～-14.0%，下降比例最大的是8月，下降比例最小的是1月，同昆明類似，因其海拔較高，大氣壓較低，故導(dǎo)致實況濃度明顯低于標(biāo)況濃度。

圖7 蘭州市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.7 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Lanzhou

分別使用哈爾濱、北京、鄭州、廣州、上海、蘭州、昆明各城市的PM2.5月平均標(biāo)況濃度和實況濃度，計算其年均濃度，比較其年均實況濃度和標(biāo)況濃度之間的差異，結(jié)果見圖8。

圖8 不同區(qū)域城市PM2.5實況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.8 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition among cities from different areas

由圖8可以看出，東北、華北、華中、華南、華東、西北、西南七大區(qū)域的代表城市哈爾濱、北京、鄭州、廣州、上海、蘭州、昆明，其PM2.5年均濃度使用實況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值普遍下降，濃度值變化比例為-24.4%～-1.0%，下降比例最大的城市為西南地區(qū)的昆明，下降比例最小的城市為東北地區(qū)的哈爾濱。

從各城市每月實況濃度和標(biāo)況濃度比較可見，夏季實況濃度和標(biāo)況濃度之間差異較大，冬季差異較小。一般情況下，實況濃度低于標(biāo)況濃度，但也有例外，如北京市2013年1月，哈爾濱市2013年1、2、12月的實況濃度高于其標(biāo)況濃度。從不同地區(qū)來看，各地區(qū)城市實況濃度和標(biāo)況濃度之間的差異按照從大到小排列為西南>西北>華南>華中>華東>華北>東北，其中西北、西南地區(qū)城市實況濃度和標(biāo)況濃度之間的差異明顯高于全國其他地區(qū)。

可見，使用不同的表示方法對于顆粒物濃度數(shù)值影響較大。目前，各個國家對顆粒物雖然普遍采用了質(zhì)量濃度，但有的國家使用實況濃度，有的國家使用標(biāo)況濃度。前述分析表明，相同污染狀況下分別使用實況濃度和標(biāo)況濃度時，監(jiān)測結(jié)果差異較大。另外，即使同樣使用了標(biāo)況濃度，也會因為對標(biāo)準(zhǔn)狀況的定義不同使監(jiān)測結(jié)果之間缺乏可比性。

3 不同污染物濃度表示方法優(yōu)劣比較

3.1 氣態(tài)污染物濃度表示方法

通過各個國家環(huán)境空氣中氣態(tài)污染物濃度表示方法比較可見，氣態(tài)污染物的表示方法主要有2種：一種是體積比濃度(ppm或ppb),其代表國家為美國、加拿大、日本、韓國、澳大利亞等；另一種是質(zhì)量濃度(μg/m3或mg/m3),其代表國家是英國、法國、中國。目前，各國采用的氣態(tài)污染物的監(jiān)測方法多數(shù)為光度法，如SO2的監(jiān)測方法常用紫外熒光法，NO2的監(jiān)測方法常用化學(xué)發(fā)光法，CO的監(jiān)測方法常用紅外吸收法、O3的監(jiān)測方法常用紫外光度法。光度法的測量原理為檢測器檢測到的光信號與待測組分的濃度成正比，對于氣體組分來說，這個濃度即為體積比濃度，因此氣態(tài)污染物的原始測量結(jié)果即為體積比濃度。對于氣態(tài)污染物，當(dāng)使用體積比濃度時，無論壓力、溫度如何變化，其體積比濃度始終不變，因此使用體積比濃度更能客觀表示氣態(tài)污染物的污染狀況，但體積比濃度可以與質(zhì)量濃度互相換算，其換算公式如下：

式中：Cm表示氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度，μg/m3；Cv表示氣態(tài)污染物體積比濃度，ppb；M表示氣態(tài)分子的相對分子質(zhì)量。

由于美國、日本等國家使用的ppm或ppb均不是中國法定計量單位[18-20]，因此不宜直接作為國內(nèi)氣態(tài)污染物的濃度單位，但使用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度可以間接反映氣態(tài)污染物在環(huán)境空氣中的體積比，因為在不同壓力、溫度條件下，雖然氣態(tài)污染物在實際狀況下質(zhì)量濃度發(fā)生改變，但其換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度和體積比濃度均保持不變，因此使用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度能夠客觀反映氣態(tài)污染物的污染程度，能夠保證不同地區(qū)、不同環(huán)境條件下的氣態(tài)污染物濃度的可比性。

3.2 顆粒物濃度表示方法

通過各個國家環(huán)境空氣中顆粒物濃度表示方法比較可見，顆粒物的表示方法普遍采用質(zhì)量濃度(μg/m3或mg/m3)。但是各個國家規(guī)定的氣體狀態(tài)不同，如中國在新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，所有污染物的質(zhì)量濃度均采用標(biāo)準(zhǔn)狀況下(溫度為273 K，壓力為101.325 kPa)的質(zhì)量濃度。而美國的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定PM10的質(zhì)量濃度為標(biāo)準(zhǔn)狀況下(溫度為298 K，壓力為101.325 kPa)的質(zhì)量濃度，而規(guī)定PM2.5的質(zhì)量濃度為實際狀況下的質(zhì)量濃度[16-17]。標(biāo)況濃度可以和實況濃度互相換算，其換算公式如下：

式中：C標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下顆粒物濃度，μg/m3；C實表示實際狀態(tài)下顆粒物濃度，μg/m3；P標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓，kPa；P實表示實際狀態(tài)下大氣壓，kPa；T標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度，K；T實表示實際狀態(tài)下溫度，K。

常用的顆粒物測量方法為同時測量顆粒物的絕對質(zhì)量和采樣體積(實際狀況下的采樣體積)，再據(jù)此計算出顆粒物濃度，不涉及由體積換算為質(zhì)量的過程，所以不需要明確溫度、壓力等環(huán)境條件。當(dāng)氣壓和溫度發(fā)生改變時，氣體體積隨之發(fā)生改變，但顆粒物的實際質(zhì)量和體積并不隨之改變，因此使用實際狀況下的質(zhì)量濃度更能客觀反映顆粒物的污染狀況。

4 結(jié)論與建議

1)各國對于氣態(tài)污染物濃度的表示方法主要有體積比濃度和質(zhì)量濃度，對于顆粒物濃度的表示方法則普遍采用質(zhì)量濃度。

2)對于顆粒物的質(zhì)量濃度，主要有標(biāo)況濃度和實況濃度2種表示方法；在中國標(biāo)況濃度和實況濃度的數(shù)值存在較大差異，一般情況下，實況濃度低于標(biāo)況濃度；夏季兩者差異較大，冬季差異較??；不同區(qū)域間，國內(nèi)西南、西北地區(qū)城市顆粒物標(biāo)況濃度和實況濃度的差異明顯大于其他地區(qū)；不同標(biāo)準(zhǔn)狀況定義下的標(biāo)況濃度之間也存在差異，數(shù)據(jù)缺乏可比性。

3)對于氣態(tài)污染物使用體積比濃度更能客觀反映其實際污染狀況，也可以用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)狀況定義下的質(zhì)量濃度來表示,但對于顆粒物使用實際狀況下的質(zhì)量濃度則能夠更加客觀反映其污染狀況。

4)建議修訂國內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中污染物濃度的表示方法，對于氣態(tài)污染物繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度來表示；對于顆粒物則改用實際狀況下的質(zhì)量濃度來表示，以保證中國與其他國家之間監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性。

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