環境空氣質量新舊評價體系及評價結果差異

董有為 ，李名升，張文具，李 茜，夏 新，張建輝，呂 欣

1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083

2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

3.天津市環境監測中心，天津 300191

環境空氣質量直接影響生態系統和人類健康。環境空氣質量評價是環境管理的重點工作之一，也是環境科學研究的基礎和熱點內容［1-2］。國外在多指標綜合評價、單因子變化對環境空氣質量評價的影響［3］、構建空氣質量數學模型評價［4］、空氣質量預測［5］以及對污染強度分層次模擬評價區域環境［6］等方面有較為深入的研究;國內較為關注環境空氣質量評價方法的研究［7］(如灰色聚類法、物元分析法和人工神經網絡法等)，探討評價的綜合指數［8］和空氣質量時空分布狀況［9］，分析氣象條件對環境空氣質量的影響［10］等。

我國自2000年開展環境空氣質量日報以來，環境空氣質量評價體系主要可以分為2個階段:第一階段是2000—2012年，以《環境空氣質量標準》(GB 3095—1996)(以下簡稱“舊標準”)、《環境空氣質量日報技術規定》(總站辦字［2000］26號)和相關規范為評價依據(以下簡稱“舊評價體系”);第二階段以《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)(以下簡稱“新標準”)的發布和試點實施為起點，以新標準和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(試行)(HJ 633—2012)為評價基礎(以下簡稱“新評價體系”)，并將隨著《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(以下簡稱“《技術規范》”)的頒布得到進一步完善。

新評價體系適應我國城市空氣復合型污染的特征，標志著我國環境保護工作的重點開始從污染物排放總量控制向環境質量全面達標、從控制局部地區污染向區域聯防聯控、從控制一次污染物向控制二次污染物、從單獨控制個別污染物向多污染物協同控制轉變，是我國與世界標準接軌的重要里程碑。該文在分析我國環境空氣質量評價體系變化的基礎上，通過分析實際監測數據說明評價體系變化對評價結果帶來的影響，探討新評價體系的特點，以期為進一步完善評價體系提供可借鑒的參考。

1 環境空氣質量評價體系的變化

1.1 環境空氣質量標準

1.1.1 調整了環境空氣功能區分類

新標準取消了原來的三類區“特定工業區”，將其與二類區中的“一般工業區”合并，統稱為工業區，執行二級濃度限值標準。

1.1.2 調整了污染物濃度限值

新標準取消了各污染物的三級濃度限值，同時收緊NO2、PM10、Pb和 BaP等污染物的濃度限值，增加O38 h平均濃度限值、BaP年平均濃度限值、PM2.5年平均濃度和24 h平均濃度限值以及Cd、Hg、As、Cr(VI)4 項污染物的參考濃度限值，詳見表1。

表1 新舊標準中污染物濃度限值變化

1.1.3 提高了數據統計有效性要求

數據統計有效性的最低要求大幅度提高，平均時間內有效數據的要求由原來的16%～75%增至75% ～90%，詳見表2。

1.1.4 增加了分析方法

新標準中將各污染物的指定分析方法劃分為手工分析方法和自動分析方法。其中SO2、NO2、O3和NOx增加了差分吸收光譜分析法;PM10和PM2.5增加了微量振蕩天平法和 β射線法;CO增加了氣體濾波相關紅外吸收法;Pb增加了石墨爐原子吸收分光光度法。

1.2 評價方法

1.2.1 統計時段

監測日報的統計時間由原來的當日12:00至次日12:00修改為當日0:00—24:00，與自然天 的計時方法相一致。

表2 新舊標準中數據統計有效性變化

1.2.2 綜合指數評價方法

用空氣質量指數(AQI)取代空氣污染指數(API)。AQI和API都是分級表征空氣污染程度和空氣質量狀況的無量綱指數，可以直觀、簡明、定量地描述和比較環境污染的程度。API分級計算參考的標準是舊標準，評價的污染物僅為SO2、NO2和PM103項;而AQI分級計算參考的標準是新標準，參與評價的污染物為 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO 6項。AQI采用的標準更嚴、污染物指標更多，其評價結果也更接近公眾的真實感受。

1.2.3 評價限值和表征方法

修改了各級別空氣質量分指數相對應的污染物項目濃度限值，并增加了空氣質量分指數為150時所對應的污染物濃度限值。規定當SO2的1 h平均質量濃度高于800 μg/m3或O3的8 h平均質量濃度高于800 μg/m3時，不再進行其空氣質量分指數的計算。另外，還調整了空氣質量指數類別和表征顏色的規定。

1.2.4 信息發布

AQI與API信息發布的主要區別表現在以下幾個方面。首先，AQI中增加了空氣質量信息的實時發布，發布頻次更高，給予公眾更加及時、準確的健康提示。實時報的指標包括SO2、NO2、O3、CO、PM10和 PM2.5的1 h平均濃度值及 O3的8 h滑動平均濃度值和 PM10、PM2.5的24 h滑動平均濃度值，共計9項。其次，與 API相比，AQI中增加了環境空氣質量評價的污染物因子，日報指標包括 SO2、NO2、PM10、PM2.5和 CO 的 24 h 平均濃度值及O3的日最大1 h平均濃度值和O3的日最大8 h滑動平均濃度值，共計7項。另外，實時報和日報的發布內容均包括評價時段、監測點位置、各污染物的濃度及空氣質量分指數、空氣質量指數、首要污染物和空氣質量級別。

1.3 評價技術規范

為配合新標準實施并提供必要的技術支持，環境保護部正在組織起草《技術規范》，據2013年2月的征求意見稿，《技術規范》將在如下2個方面進行完善:

1)達標判斷依據更為嚴格。改變過去單純以污染物年平均濃度作為達標與否的判斷依據，以年平均濃度和特定的日均值百分位數進行達標情況判斷。

2)變化程度定量化。將原來的“基本穩定”和“有所變化”等定性表述改為定量判斷，以污染物變化率3%為界限，對“基本穩定”和“有所變化”進行了定量化規定。

2 新舊體系評價結果間的主要差異

2.1 達標情況

受如下2個方面因素影響，城市環境空氣質量達標情況將發生較大變化:

1)NO2和PM10的年平均二級濃度限值收嚴，使一些城市的評價結果由達標變為不達標。對全國325個地級以上城市2012年監測的NO2、SO2和PM103項污染物進行評價，用舊標準評價達標率為91.4%，用新標準評價達標率為40.9%，將有164個城市由達標變為不達標，達標率下降了50.5個百分點。

2)日均值百分位數的引入會出現年平均濃度達標、但由于超標天數較多致使評價結果不達標的情況。若依據《技術規范》中對于年度評價的規定，除要求年平均濃度達標外，還要求特定的日均值百分位數小于或等于日均值標準。參照《技術規范》按舊標準評價全國325個地級以上城市的2012年度達標情況，將有161個城市由達標變為不達標，達標率由91.4%降為41.8%;若按新標準評價，城市達標比例會更低，達標率由40.9%降為32.6%。

2.2 日評價結果

1)統計時間段變為0:00—24:00雖然對年平均濃度不會產生影響，但引起24 h平均濃度值發生變化，進而影響日達標率。以北方某城市2013年第一季度某監測點位的數據進行評價(見表3)，平均超標率變化結果:SO2、PM10和 PM2.5分別上升5.6、2.3、7.9個百分點，NO2和 CO均下降2.2個百分點。

表3 最大日均值和平均超標率變化

2)評價項目由3項增加到6項且PM2.5超標情況較為普遍，會使整體達標情況下降。以北方某城市2013年第一季度某監測點位為例，若按舊標準 3項評價，達標天數為 43 d，達標率為47.8%;若按新標準 6項評價，達標天數減少13 d，達標率降為33.3%。

2.3 年評價結果與日評價結果的差異

由于空氣質量標準中日平均濃度限值大于年平均濃度限值，對評價城市而言，可能出現一年中優良天數比例較高、但年平均濃度評價結果為超標的現象，甚至會出現日平均濃度全部達到二級濃度標準限值而年平均濃度超標的情況。而新標準中又收嚴了NO2和PM10的年平均濃度限值，但日平均濃度限值并未變化，對評價整體而言，達標率降低，會使日評價結果與年評價結果之間的差異更加明顯。如2012年，分別按照新舊標準對NO2、SO2和 PM103項污染物進行評價，全國325個地級以上城市的空氣質量優良天數比例均為94.0%。但使用新標準后，年平均濃度達標的城市比例將由91.4%降低為40.9%，日評價結果與年評價結果的差異將加大。

3 新體系計算方法與評價結果

3.1 臭氧小時值利用率不同

由于《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(試行)(HJ 633—2012)中日報統計時段的規定，1:00—7:00沒有O3的8 h滑動平均濃度值，此期間的1 h平均濃度值在8:00—14:00的8 h滑動平均濃度值計算中分別被使用1～7次;同理，18:00—24:00的1 h平均濃度值分別被使用1～7次。而8:00—17:00的1 h平均濃度值在計算中均被使用8次。由于1 h平均濃度值對計算O38 h滑動平均濃度值的貢獻不同，可能引起計算結果和變化趨勢的差異。

北方某城市某監測點位2013年1月9日和2月15日的O3的1 h平均濃度值和8 h滑動平均濃度值分別如圖1和圖2所示。

圖1 1月9日O3濃度變化趨勢圖

圖2 2月15日O3濃度變化趨勢圖

1月9日和2月15日均有9個1 h平均質量濃度超過 100 μg/m3，9 日出現在 11:00—19:00，15日出現在1:00—9:00。圖1中，11:00—19:00的O31 h平均濃度值在計算8 h滑動平均濃度值時均會使用8次，使得該日的8 h滑動平均濃度值整體偏高，呈上凸狀分布。而圖2中，較高的O31 h平均濃度值出現在1:00—9:00，計算8 h滑動平均濃度值時僅會使用1～8次，使得當日8 h滑動平均濃度值呈下凹狀分布，達標情況良好。可見，雖然1月9日和2月15日都有9個1 h平均濃度值偏高，但由于出現時段不同，被使用的次數不等，使得8 h滑動平均濃度值的計算結果明顯不同。

3.2 顆粒物小時限值缺失對實時報中空氣質量分指數的影響

新標準中沒有PM10和 PM2.5的1 h平均濃度限值，在計算實時空氣質量分指數(IAQI)時，使用的是24 h滑動平均濃度值。因此，若 PM10或PM2.5的1 h平均濃度值在短時間內急劇升高，而計算實時IAQI時使用的24 h滑動平均濃度值較低，會導致出現1 h平均濃度值較高、但實時IAQI相對較低的情況。

以北方某城市某監測點位2013年2月25—28日PM10的1 h平均濃度值和實時 IAQI變化為例進行分析，其趨勢如圖3所示。

圖3 2月25—28日PM101小時平均濃度值和實時IAQI變化趨勢圖

從圖3可以看出:①25日1:00至26日6:00該城市PM10的1 h平均濃度值維持在100 μg/m3左右，變化幅度不大，相應的實時IAQI平穩變化，兩者基本吻合。②26日7:00 PM10的1 h平均濃度值突增，升高81.9%，但由于計算實時IAQI時使用的24 h滑動平均濃度值，實時IAQI僅升高2.9%。③從26日7:00開始，PM10的1 h平均濃度值呈上升趨勢，相應的實時IAQI緩慢增大，但明顯滯后于1 h平均濃度值的上升幅度。④26日10:00 PM10的1 h平均質量濃度出現小幅回落，由203 μg/m3降至 188 μg/m3，而實時 IAQI卻由 76升至78，出現短暫的倒掛現象;同樣的倒掛現象還出現在26日的17:00、23:00和28日的4:00、6:00、17:00等時段。⑤27日23:00出現短暫的陡降，并于28日7:00起開始突增，于11:00達到最大(1 h平均質量濃度為531 μg/m3)，較高濃度持續約9 h，而此時的實時IAQI變化趨勢為一條平緩的曲線，即7:00—17:00 PM10濃度的急劇升高并沒有引起實時IAQI的明顯變化，實時IAQI一直維持在210左右。上述現象的出現正是因為計算實時IAQI時使用的24 h滑動平均濃度值具有滯后性，沒有及時反映突變時的空氣質量，導致人為感官與評價結果的差異和人為誤解。而且，突變時間持續越短，兩者的差異越明顯。若持續高污染時間在24 h以上，結果將有所不同，如3月27—29日72 h內該城市某監測點位PM10的1 h平均濃度值和實時IAQI變化趨勢如圖4所示。

圖4 3月27—29日PM10 1 h平均質量濃度和實時IAQI變化趨勢圖

可以看出，PM10的1 h平均質量濃度從27日18:00起開始突增，1 h平均質量濃度達到265 μg/m3之后保持300 μg/m3以上約38 h。在這種情況下，實時IAQI隨著1 h平均質量濃度的上升而上升，其變化趨勢為一條緩慢上升的曲線，兩者變化幅度基本一致，于29日6:00達到最大值(實時IAQI為263)。由此可知，持續高污染時間較長時，實時IAQI在一定程度上可以反映突變時的空氣質量，但仍有一定的滯后性。

4 結論

1)新評價體系在環境空氣功能區分類、污染物濃度限值、數據統計有效性、分析方法、綜合評價方法、數據統計時段和信息發布等方面提出了新規定。

2)NO2和PM10的年平均二級濃度限值收嚴，使一些城市的評價結果由達標變為不達標。用新標準評價全國325個地級以上城市2012年的達標情況，將有164個城市由達標變為不達標，達標率由91.4%降為40.9%。

3)日均值百分位數的引入會出現年平均濃度達標、但由于超標天數較多致使評價結果不達標的情況。參照《技術規范》按舊標準評價2012年度全國325個地級以上城市的達標情況，將有161個城市由達標變為不達標，達標率由91.4%降為41.8%。

4)不同時段O3的1 h平均濃度值對計算其8 h滑動平均濃度值的貢獻不同，當較高的1 h平均濃度值出現在不同時段，會引起8 h滑動平均濃度值計算結果的差異。

5)新標準中沒有 PM10和 PM2.5小時濃度限值，在計算點位實時IAQI時，需要使用24 h滑動平均濃度值，因此，在空氣質量發生短時間突變時，會出現實時IAQI評價結果與實際污染狀況不符的情況。

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