空氣質量健康指數構建及與現有評價體系的比較：以麗水市為例

郭 云， 王建生， 留瑩瑩， 黃炳昭， 蔣玉丹， 韋正崢*

1.生態環境部環境與經濟政策研究中心， 北京 100069

2.麗水市生態環境局， 浙江 麗水 323000

當前我國采用空氣質量指數(AQI)來評價空氣質量狀況，以首要污染物反映空氣污染程度[1]，但對于評價復合型大氣污染，AQI可能會掩蓋其他污染物對空氣質量的影響；另外，我國在制定《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)時，各污染物濃度標準參考世界衛生組織(WHO)在空氣質量準則中的第一階段過渡目標(WHO IT1指導值)，對比歐盟、美國、日本等國家或地區的標準限值，我國大部分污染物濃度限值較為寬松，處于與國際接軌的初級階段[2-3].

環境空氣質量標準及評價方式在大氣質量管理中發揮重要作用，標準的不斷升級是空氣質量改善的持續推動力[4]. “十三五”以來我國空氣質量總體改善明顯，2020年我國337個地級及以上城市平均優良天數比例為87.0%. 337個地級及以上城市PM2.5平均濃度為33 μg/m3，小于GB 3095—2012二級標準限值(35 μg/m3)[5]，具備修訂標準的基礎. 2018年生態環境部發布的《城市環境空氣質量排名技術規定》中提出了環境空氣質量綜合指數(簡稱“綜合指數”)，該指數包含SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3六項指標，對空氣質量評價更為全面. 目前，加拿大[6]和中國香港[7]采用環境空氣質量健康指數(air quality health index, AQHI)評價空氣質量，揭示多種空氣污染物和人體健康之間的關系，為公眾提供健康風險信息. 我國上海市、天津市、蘭州市、廣州市均已開展AQHI的研究[8-11].

按綜合指數評價，2020年浙江省麗水市在我國168個地級及以上城市中空氣質量排名第7位，在2019年和2020年AQI優良率均高于98%，目前的空氣質量評價標準對麗水市約束力較弱. 該研究擬構建麗水市AQHI，分析麗水市空氣質量與健康效應的關系，評估麗水市環境健康風險，并比較AQHI、調整后的環境空氣質量健康指數(AQHI_a)、AQI和綜合指數等4種空氣質量評價方法，以期為改進環境空氣質量評價方法和標準提出相應的政策建議.

1 研究方法

1.1 數據來源及質量評估

2013—2018年麗水市大氣污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5及PM10)的日均濃度數據來自麗水市生態環境局，2013—2018年麗水市日均溫度和相對濕度數據來自麗水市氣象局. 2013—2018年麗水市日非意外總死亡(國際疾病分類編碼ICD-10：A00-R99)、心血管系統疾病(ICD-10：I00-I99)、呼吸系統疾病(ICD-10：J00-J99)死亡數據來自麗水市疾病預防控制中心. 據統計，麗水市常住人口在200萬人以上，人口規模符合WHO開展相關研究的要求[12]. 麗水市總體死亡率為6.47‰，高于全國死亡率6‰的質控要求，并且年度差異在0.25‰內，數據穩定，質量較高.

1.2 暴露-反應關系建立

采用時間序列分析將日死亡數據、大氣污染物濃度數據和氣象數據通過日期鏈接，把基于對數線性的半參數廣義可加模型作為核心統計模型，以半泊松回歸模型控制分散數據，計算公式：

ln[E(Yt)]=βZt+ns(day,df)+DOW+

ns(Xt,df)+intercept

(1)

式中:E(Yt)為t日居民死亡數期望值；Zt為t日污染物的濃度水平，μg/m3；β為暴露-反應關系系數，即污染物每單位濃度的升高引起的日死亡率的增長；ns為自然平滑樣條函數；df為其自由度；day為日期變量；DOW為星期幾的指示變量；Xt為t日的氣象因素，包括平均溫度和相對濕度；intercept表示截距.

模型建立由R3.5.3軟件中的mgcv軟件包完成.

1.3 兩種超額死亡率的計算方法

假設空氣污染與人類健康效應的劑量-效應關系是線性且無閾值的,以時間序列分析中估算的多污染物濃度增加所導致的劑量-效應關系系數為基礎，計算一定時段內相對于每種污染物以零濃度為基線增加10 μg/m3的超額死亡率〔見式(2)〕. 結合已有研究成果[13]，考慮到PM2.5和PM10濃度共線性極強，且PM2.5增加單位濃度導致的健康效應更強，僅選取PM2.5納入超額死亡率公式進行計算. 另外，由于CO對人體健康危害的閾值較高[14]，大氣中CO濃度遠低于閾值，因此也不納入多污染物超額死亡率公式進行計算.

(2)

式中:ERt為多種污染物(包括PM2.5、O3、NO2和SO2)在t日導致的超額死亡率，%；Pi為第i個污染物的濃度，μg/m3.

將各污染物導致的超額死亡率用自然對數函數進行調整，構建調整后的每日超額死亡率〔見式(3)〕. 若單污染物導致的超額死亡率對數為負值，則將其調整為0后再進行加和.

(3)

式中，ER_at為多種污染物在t日導致的調整后的超額死亡率，%.

1.4 麗水市AQHI的構建

根據式(2)得到的超額死亡率將AQHI分為11個指數區間、4個等級(見表1)，AQHI范圍為0～3為一級環境健康風險，4～6為二級環境健康風險，7～10為三級環境健康風險，10以上為四級環境健康風險. 參考我國GB 3095—2012及WHO《環境戶外空氣質量與健康》[15]，將WHO制定的空氣質量準則值(AQG)中推薦的污染物濃度日均值(PM2.5、O3、SO2、NO2濃度日均值分別為25、100、20、40 μg/m3)代入式(2)得到超額死亡率(見表1)，將其作為一級環境健康風險超額死亡率的上限；將GB 3095—2012一級標準限值(PM2.5、O3、SO2、NO2濃度一級標準限值分別為35、100、50、40 μg/m3)代入式(2)得到超額死亡率，將其作為二級環境健康風險超額死亡率的上限；將GB 3095—2012二級標準限值(PM2.5、O3、SO2、NO2濃度二級標準限值分別為75、160、150、40 μg/m3)代入式(2)得到超額死亡率，將其作為三級環境健康風險超額死亡率的上限. 將各環境健康風險等級數值區間進行均分，得到對應的超額死亡率分級范圍.

表1 麗水市AQHI分級及其對應的超額死亡率限值

由于麗水市空氣質量較好，為使指數更具有敏感性，將AQHI保留兩位有效數字，對照表1查找其所屬區間，AQHI計算公式：

(4)

式中:AQHI為環境空氣質量健康指數，根據超額死亡率進行計算；ERLo為超額死亡率所屬區間的低位值，%；ERHi為超額死亡率所屬區間的高位值，%；AQHILo為AQHI所屬區間的低位值.

另外，將非意外總死亡數替換為心血管系統疾病死亡數和呼吸系統疾病死亡數，利用式(2)分別得到心血管系統疾病超額死亡率(ERcvd)和呼吸系統疾病超額死亡率(ERres)，并計算心血管系統疾病指數和呼吸系統疾病指數. 考慮到在空氣質量優良地區使用AQHI時，可能由于部分污染物濃度極低導致超額死亡率值為負數[16]，從而抵消其他污染物導致的健康效應，因此根據式(3)將超額死亡率利用自然對數進行轉換得到調整后超額死亡率(ER_at)，若為負數則將其調整為0后繼續相加，計算調整后的環境空氣質量健康指數(AQHI_a).

1.5 麗水市AQHI、AQI及綜合指數的比較

參考《城市環境空氣質量排名技術規定》中綜合指數的計算方法，利用大氣污染物日均濃度計算麗水市的綜合指數.

基于WHO空氣質量推薦指導值〔由于NO2無推薦的日均值，選取GB 3095—2012一級標準限值(40 μg/m3)〕，將2013—2018年全部日數劃分為無任何污染物超標、1種污染物超標、2種污染物超標、3種污染物超標和4種污染物超標共五類，比較在復合污染天氣下不同評價指數對空氣質量評價的敏感性.

基于2013—2018年麗水市每日空氣質量和死亡數據，評估麗水市AQHI、AQHI_a、AQI及綜合指數與健康效應的關系，表征各類指數預測健康效應的能力.

2 結果與分析

2.1 污染物濃度以及AQI、AQHI、綜合指數的季節性變化

2013—2018年，麗水市SO2、NO2和O3濃度年均值均小于GB 3095—2012一級標準限值，空氣質量總體較好. 由表2可見：利用AQI和綜合指數評價空氣質量的結果較為一致，秋冬季(10月—翌年3月)麗水市大氣污染以PM2.5和PM10為主，其次為O3；春夏季(4—9月)大氣污染以O3污染為主，其次為PM10和PM2.5. 如利用AQHI來評價麗水市空氣質量，無論是秋冬季還是春夏季，O3導致的超額死亡率均最高，其次為NO2.

表2 麗水市2013—2018年污染物濃度及AQI、AQHI、綜合指數的季節性變化

2.2 不同空氣質量條件下3種指數的比較

按照WHO發布的空氣質量準則值(AQG)來評價，麗水市2013—2018年33.49%的天數無任何污染物超標，近50%的天數有2種及以上污染物超過AQG(見圖1). 其中，2種污染物超標的天數中主要以PM2.5和PM10超標為主，3種污染物超標的天數中主要以PM2.5、PM10和O3超標為主(見表3). 多種污染物同時存在的情況下，AQHI較AQI敏感性更高. 隨著AQI的增加，AQHI也隨之增加，且AQHI的增幅隨超標污染物種類的增加而增加(見圖2). AQHI與綜合指數的相關性比與AQI的相關性更好，二者無論在單污染物和多種污染物超標時均保持較高的一致性.

圖2 麗水市AQHI與AQI、綜合指數的相關性

表3 2013—2018年麗水市不同種類污染物超標天數

圖1 2013—2018年麗水市不同種類污染物超標天數占比

2.3 麗水市各類污染物對健康效應的影響

基于時間序列分析，得到各類污染物在不同滯后模式下的暴露-反應關系系數(見表4)，各類污染物對健康效應的影響均有一定的滯后作用. 在單日滯后模式下，PM2.5、O3、NO2及SO2分別在滯后1 d、滯后 2 d、當天和滯后3 d時暴露-反應關系系數最大，分別為 0.001 091 8、0.000 916 6、0.002 324 4 和0.003 533 0；在多日移動平均滯后模式下，除NO2外，其余污染物均在平均移動6～8 d時暴露-反應關系系數最大，健康效益最強，且O3每增加四分位間距的濃度導致相對危險度(RR)的增幅最高，其次是NO2和PM2.5.

表4 各類污染物暴露-反應關系系數及其對健康效應的影響

由表5可見，各類大氣污染物對患有心血管系統疾病和呼吸系統疾病人群的影響較普通人群大，其中，PM2.5和O3對呼吸系統疾病患者的健康影響較對心血管系統患者大，NO2對心血管系統疾病患者的健康影響較對呼吸系統疾病患者大.

表5 污染物每上升1 μg/m3對不同疾病患者健康效應的影響

2.4 AQHI、AQHI_a、AQI和綜合指數預測健康效應的能力

由圖3可見：秋冬季(10月—翌年3月)PM2.5濃度較高時，單日滯后模式下4種指數均在滯后1 d時與健康效應的關系最強，AQHI、AQHI_a、AQI和綜合指數增加四分位間距導致相對危險度值分別增加1.032 8%、1.060 9%、1.025 6% 和 1.043 7%；多日移動平均滯后模式下，AQHI和AQHI_a指數在平均移動1～3 d時與健康效應的關系逐漸加強，而AQI和綜合指數的累積效應不明顯. 春夏季(4—9月)O3濃度較高時，單日滯后模式下AQHI、AQHI_a、和AQI均在滯后1 d時與健康效應的關系最強，綜合指數則在滯后2 d時與健康效應的關系最強；多日移動平均滯后模式下，4個指數均隨滯后天數的增加導致RR值上升. 在兩種滯后模式下分別選取4類指數最大的暴露-反應關系系數進行比較(見表6)，結果發現，無論是秋冬季還是春夏季，AQHI_a均是4類指數中預測健康效應最好的，其次為綜合指數.

注： L1、L2及L3分別代表滯后1、2及3 d；L01、L02及L03分別代表平均移動2、3及4 d滯后.

表6 4種指數在不同滯后模式下對健康效應的預測情況

3 討論

麗水市空氣質量整體水平較好，O3的AQI分指數在春夏季較高，PM2.5和PM10的AQI分指數在秋冬季較高，全年O3導致的超額死亡貢獻率最高，其次為NO2；另外，麗水市O3每增加四分位間距的濃度導致相對危險度(RR)的增幅最高，其次為NO2. Tang等[17]研究發現，在VOCs未得到有效控制的情況下，隨著NOx的深度減排，O3濃度穩定下降，論證了全國大幅減排NOx對于控制O3的可行性. 考慮到麗水市大氣污染物對于健康的影響，NOx深度減排可能同時降低NOx和O3濃度，可獲得巨大的健康收益.

目前，對于AQHI分級主要有兩種方法：一種是歸一化法，其利用研究地區最大超額死亡率將每日超額死亡率進行歸一化處理，加拿大、美國紐約以及中國上海市、天津市、蘭州市、廣州市等國家或地區的AQHI分級均采用該方法[8-11,18-21]，但因不同地區空氣質量的差異性，因此構建的AQHI不具有可比性；另一種是標準代入法，中國香港將WHO的AQG代入每日超額死亡率公式計算得到的數值作為二級環境健康風險(AQHI為7)的上限，并將該數值的0.5倍和1.5倍分別作為一級環境健康風險(AQHI為3)和三級環境健康風險(AQHI為10)的上限. 該研究采用標準代入法，分別將WHO的AQG以及GB 3095—2012一級和二級標準值分別代入超額死亡率公式計算得到的AQHI作為一級環境健康風險、二級環境健康風險和三級環境健康風險的上限，與國內外標準銜接，具有較好的可比性[22-23]. 考慮到大氣污染會增加心血管系統[24-27]和呼吸系統疾病的患病和死亡風險[28-30]，該研究構建了呼吸系統疾病指數和心血管系統疾病指數，具有一定的創新性.

AQI僅考慮最大污染物，綜合指數考慮了6項污染物，該研究構建的AQHI考慮了4項污染物，發現在多種污染物超標的情況下AQHI更為敏感. 目前，我國仍有超過半數的城市人口暴露于污染物濃度高于AQG推薦值的空氣下[31-32]，因此在復合型大氣污染的城市中應用AQHI和綜合指數來評價空氣質量更為合適；同時，考慮到AQHI在空氣質量優良地區使用可能由于部分污染物濃度極低導致超額死亡率為負數[21]，從而抵消其他污染物導致的健康效應，該研究利用自然對數對超額死亡率進行轉換，提出調整后的環境空氣質量健康指數(AQHI_a)，結果表明麗水市AQHI_a對健康效應的預測能力較AQHI好. 因此，在空氣質量較好、應用范圍較大或污染物濃度差異較大時，需考慮單個污染物的潛在閾值效應，將超額死亡率進行對數轉換后構建的指數(AQHI_a)可能更為準確.

2013—2018年，麗水市4種指數在秋冬季對健康效應的預測能力均高于春夏季，可能是由于4種指數都以GB 3095—2012的標準限值進行分級，而我國對于O3的標準相對較為寬松. 按照GB 3095—2012來評價，麗水市空氣質量在全國排名前列，PM2.5和O3濃度均較低，首要污染物多為顆粒物. 但是，該研究發現麗水市O3引起的人群超額死亡風險是最高的，因此建議在我國空氣質量較好的地區構建AQHI或AQHI_a來反映空氣質量，高度重視O3污染問題，降低O3污染物的濃度標準.

4 結論

a) 以AQI和綜合指數來評價空氣質量，麗水市春夏季主要污染物為O3，秋冬季為主要PM2.5；以AQHI來評價空氣質量，則O3為麗水市全年最主要的污染物，其次為NO2.

b) 在多種污染物同時存在的情況下，AQHI比AQI具有更高的敏感性，AQHI與綜合指數的相關性比與AQI的相關性更好.

c) AQHI、AQHI_a、AQI和綜合指數等4種指數在秋冬季對健康效應的預測準確度均高于春夏季，其中AQHI_a預測能力最強.