環境空氣質量指數計算方法與分級方案比較

潘本鋒，李莉娜

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

環境空氣質量指數計算方法與分級方案比較

潘本鋒，李莉娜

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

環境空氣質量指數(AQI)廣泛應用于各國環境空氣質量評價體系之中，旨在為公眾提供簡單明了的空氣質量信息和健康指引。通過對不同國家和地區空氣質量指數的名稱、計算方法、分級方案進行深入分析和比較，系統分析了各種空氣質量指數的優缺點，并針對我國當前的空氣質量指數體系存在的問題提出了相應的改進建議。

環境空氣質量指數；計算方法；分級方案；比較

目前，絕大多數國家和地區都制定了環境空氣質量標準[1-8]，在標準中規定了環境空氣中各項污染物的濃度限值，作為環境空氣質量評價和管理的依據。隨著公眾環境意識的提升，為充分保障公眾的環境知情權，許多國家公開了環境空氣質量狀況信息。由于各項空氣污染物的名稱、監測結果等信息具有較強專業性，直接發布不利于社會公眾理解。環境空氣質量指數(AQI)是將專業性較強的空氣質量監測結果轉換成一個無量綱的指數，根據指數大小將空氣質量狀況劃分為“優、良、中、差”等通俗易懂的等級。目前，許多國家通過發布空氣質量指數和等級的方式，方便公眾直觀地理解環境空氣質量狀況。

2012年2月我國頒布了《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)[9]，規定了我國環境空氣質量指數的計算方法和分級方案以及環境空氣質量指數的發布內容、格式等要求，環境空氣質量指數的應用在及時發布環境質量狀況信息、為公眾提供健康指引等方面發揮了重要作用[10-16]，但在使用過程中也逐步顯現出一些問題[17-19]，譬如部分時段空氣質量狀況發布結果與公眾感受不一致，不能及時為公眾提供健康指引等。為了更加客觀準確地反映空氣質量狀況，本文比較分析了美國、英國、加拿大、歐盟、韓國、中國等國家或地區環境空氣質量指數的計算方法和分級方案，系統地分析了各種方案的優缺點，旨在為改進我國環境空氣質量指數技術體系提供參考。

1 環境空氣質量指數名稱比較

目前，美國、英國、加拿大、歐盟、韓國、中國等國家或地區都建立了自己的空氣質量指數計算方法與分級體系，但由于各國對空氣質量信息發布的側重點不同，空氣質量指數名稱和計算方法并不完全一致，不同國家或地區的空氣質量指數名稱比較見表1[20-24]。

由表1可見，目前國際上常用的空氣質量指數主要分為2個類型，一種稱作空氣質量指數，美國、英國、歐盟、韓國、中國均使用空氣質量指數，雖名稱略有差別，但內涵基本一致，主要用來反映空氣質量狀況。另一種稱作空氣質量健康指數，如加拿大使用了空氣質量健康指數。空氣質量健康指數有別于傳統的空氣質量指數，健康指數以污染物對人群的健康風險研究結果為基礎，用來向公眾發布當前的健康風險等級[25]。

表1 空氣質量指數名稱比較

此外，尚有部分國家沒有建立空氣質量指數體系，而是直接發布污染物在環境空氣中的濃度，如日本、德國等。

2 空氣質量指數分級方案比較

目前，各國空氣質量指數的分級體系并不一致，大致分為4～6級，不同國家或地區空氣質量指數分級情況見表2。

表2 不同國家或地區空氣質量指數分級情況

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

3 空氣質量指數計算方法比較

3.1 計算空氣質量指數采用的污染物項目

各國在空氣質量指數計算時，參與計算的污染物項目主要來自于各國環境空氣質量標準所涉及的相關項目，不同國家或地區參與計算的項目見表3。

表3 不同國家或地區參與空氣質量指數計算的污染物比較

從表3可見，各國在計算空氣質量指數時選取的污染物指標并不完全相同，O3、PM10、PM2.5、CO、SO2、NO2等污染物項目在各國空氣質量指數計算中廣泛采用，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共同采用的污染物項目。

我國當前計算空氣質量指數所選取的污染物項目從數量和種類上與國際上其他國家基本一致。對比各國的空氣質量標準可知，各國所采用的污染物項目種類以及污染物濃度的取值時間，主要取決于各國環境空氣質量標準的相關規定。

3.2 空氣質量指數計算方法優劣比較

對比分析可知，各國的空氣質量指數計算方法并不一致，美國、英國、歐盟、韓國、中國、加拿大等國家或地區的空氣質量指數計算方法見表4。

表4 不同國家或地區的空氣質量指數計算方法比較

空氣質量指數計算方法主要有插值法、濃度區間對照法、健康風險計算法等，其中插值法是空氣質量指數計算中較為常用的一個方法，美國、歐盟、韓國、中國等均采用插值法計算空氣質量指數，插值法的計算公式：

式中：IAQIp為各單項污染物的空氣質量分指數；IAQIHi為與Cp接近的高位臨界值對應的空氣質量指數；IAQILo為與Cp接近的低位臨界值對應的空氣質量指數；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。

使用插值法計算空氣質量指數時，空氣質量指數的臨界值和對應的空氣質量指數分級標準均有相關標準規定，美國的空氣質量指數分級標準見表5[以PM2.524 h質量濃度(PM2.5-24 h)和臭氧8 h質量濃度(O3-8 h)為例][26]。

表5 美國AQI分級臨界值

注：當AQI≥301時，不再使用O3-8 h計算AQI,改用O3-1 h計算；空表示無相應數據。

插值法的優點在于計算結果較為精確，能夠準確地區分不同污染物濃度下的空氣質量狀況。美國、中國、歐盟在空氣質量指數計算時所采用的插值法基本一致。

韓國的空氣質量指數計算方法在一般插值法的基礎上進行了適當改進，即當有2項污染物的單項空氣質量指數大于100時，取較大值加上50作為最終的空氣質量指數，當有3項污染物的空氣質量指數大于100時，取最大值加上75作為最終的空氣質量指數，改進后的計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，能夠更加嚴格地保護人體健康。

英國的空氣質量指數計算采用濃度區間對照法，即根據各項污染物的濃度值直接查表，對應得出各項污染物的空氣質量指數，該方法的優點在于計算方法簡單，可以將污染物濃度直接換算為空氣質量指數。英國空氣質量指數換算見表6(以O3-8 h、PM2.5為例)[22]。

表6 英國空氣質量指數換算表

加拿大的空氣質量指數采用了空氣質量健康指數，根據當地污染物對人體健康影響的相關研究結果，估算不同污染狀況下空氣污染所導致的健康風險增幅，根據健康風險增幅大小確定空氣質量健康風險指數，空氣質量健康指數與健康風險直接相關。以加拿大為例，在計算空氣質量健康指數時，僅考慮了PM2.5、O3、NO23項污染物的濃度，而沒有考慮SO2、CO等，是因為當已經考慮PM2.5、O3、NO23項污染物的健康影響時，SO2、CO等污染物并沒有明顯導致健康風險額外增加[24]。該方法的優點是充分考慮了本地的污染特征和污染物健康風險研究結果，并能夠綜合考慮各主要污染物對人體健康的風險來計算空氣質量健康指數，在對公眾提供健康指引和出行建議方面具有很強的針對性，能夠最大限度地為社會公眾提供健康風險信息參考。

3.3 顆粒物單項空氣質量指數計算方法比較

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

美國在空氣質量指數實時報中將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的濃度根據經驗公式來推算，以盡可能地反映當前的顆粒物污染狀況[18]。

韓國在計算PM10的單項空氣質量指數時，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平均濃度加權平均得到，并且根據當前PM10濃度值的高低以及當前濃度值與過去12 h平均濃度值的比值大小，調整過去4 h平均濃度值的權重，以最大限度地反映當前污染狀況。

歐盟則直接基于PM10和PM2.5的1 h濃度，制定了相應的空氣質量指數分級標準，直接使用1 h濃度計算顆粒物的單項空氣質量指數。歐盟PM10和PM2.5分級標準見表7[21]。

表7 歐盟顆粒物單項空氣質量指數分級標準

英國、中國目前仍然采用顆粒物(PM10和PM2.5)的24 h平均濃度進行空氣質量指數計算，因此，當空氣質量發生明顯變化時，空氣質量實時評價結果存在一定的滯后性，不能及時反映當前的空氣質量狀況。

4 我國空氣質量指數的特點和不足

通過對各國空氣質量指數的名稱、分級方案、計算方法進行比較分析，我國的空氣質量指數在名稱、分級方案、污染物項目選取、計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)單項空氣質量指數計算時采用24 h均值進行計算，空氣質量實時評價結果有一定的滯后；臭氧使用O3-8 h和O3-1 h 2個指標同時進行評價，實時評價結果可能存在矛盾；空氣質量指數類別分級不夠清晰，對空氣質量指數為51～100時的空氣質量狀況描述過于樂觀；空氣質量指數分級和分類系統過于繁雜，需要同時發布空氣質量指數、指數級別、指數類別、顏色類別，不夠直觀明了；未考慮不同污染物協同效應；未充分考慮污染物對人群的健康效應等。

5 結論

1)各國普遍采用了空氣質量指數的方法來分級表征空氣質量狀況，使得空氣質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)各國計算空氣質量指數時所選取的污染物主要來自各國的環境空氣質量標準中規定的相關項目，其中顆粒物、O3、NO2是各個國家普遍采用的污染物項目。

3)空氣質量指數計算的主流方法包括線性插值法、濃度區間對照法和健康風險指數法。

4)對于顆粒物(PM10和PM2.5)缺乏小時濃度限值的污染物，部分國家對其空氣質量單項指數計算方法進行了特殊規定，以能夠及時反映空氣質量變化。

建議我國對空氣質量指數類別的分級方案進行調整，將類別調整為“優、一般、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染”。簡化空氣質量指數體系，舍棄空氣質量指數級別(即1～6級)，保留空氣質量指數、空氣質量類別、首要污染物、健康指引等信息。簡化空氣質量指數計算方法，采用濃度區間對照法，污染物濃度由低到高分別對應“1、2、3、4、5、6”6個空氣質量指數，便于指數計算和公眾理解。采用顆粒物(PM10和PM2.5)1 h濃度和臭氧1 h濃度進行空氣質量指數計算，及時反映空氣質量變化情況，并在《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》修訂時進行相應修改。加快開展我國空氣污染物與人群健康效應研究，為進一步科學制定空氣質量指數分級標準提供依據。

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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