新版《环境空气质量标准》热点污染物PM2.5监控策略的思考与建议

吴 兑

(1.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510080;2.中山大学环境科学与工程学院大气科学系，广东 广州 510275)

·环境预警·

新版《环境空气质量标准》热点污染物PM2.5监控策略的思考与建议

吴 兑

(1.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510080;2.中山大学环境科学与工程学院大气科学系，广东 广州 510275)

随着工业化和城市化进程的加速，大气气溶胶污染日趋严重，由气溶胶细粒子PM2.5污染造成的能见度恶化事件越来越多，中国东部地区灰霾天气迅速增加。灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染，与光化学污染相关联，形成灰霾天气的气溶胶组成非常复杂。近年来由于灰霾天气日趋严重引发的环境效应问题，以及气溶胶辐射强迫引发的气候效应问题，已引起科学界、政府部门和社会公众的广泛关注，成为热门话题。在此背景下，国家出台了新版《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，增设PM2.5浓度限值，对环境监测、环境管理和环境评价提出了新的要求。通过分析中国大气污染背景、国际组织和其他国家的PM2.5标准，及近期热点问题，提出在环境监测、环境管理和环境评价过程中实施新标准，监控PM2.5的策略。

环境空.气质量标准;细粒子PM2.5污染;气溶胶;灰霾天气;环境监测;环境管理;环境评价

《环境空气质量标准》(GB 3095—2012，以下简称“新标准”)于2012年2月29日正式发布［1］，与GB 3095—1996及其修改单(2000)相比，除收紧了NO2和 PM10的标准限值外，增加了 PM2.5和8 h O3浓度限值，并将其纳入环境空气污染物基本项目。实施新标准后，环境监测、环境管理和环境评价都需要相应地调整工作思路，以期建立正确的减排方法。

1 1980年以后中国东部灰霾天气大幅增加

霾本来是一种自然现象，简洁地描述灰霾天气，就是“细粒子气溶胶粒子在高湿度条件下引发的低能见度事件”［2］。

随着人类活动的影响，特别是近年来随着工业化和城市化进程的加速，直接排放的气溶胶和气态污染物通过化学转化与光化学转化形成的细粒子二次气溶胶迅速增加，能见度恶化事件越来越多［2－6］，灰霾(特指人类活动源排放的大气污染物诱发的低能见度事件［7］)的出现频率越来越高，在中国东部城市区域，灰霾天气从1950—1970年的每年几天增加到目前的每年100～200 d以上。

灰霾的出现有重要的空气质量指示意义。通过分析1951—2005年中国大陆743个地面气象站资料(图1)，对霾的长期变化趋势形成如下认识［5］:1956—1980年全国霾日都比较少，仅四川盆地和新疆南部超过50 d;20世纪80年代以后全国霾日明显增加;到21世纪，大陆东部大部分城市都超过100 d，其中部分大城市超过150 d，与经济活动密切相关。霾日排在前10位的依次是辽宁沈阳，河北邢台，重庆市区，辽宁本溪，陕西西安，四川成都，四川遂宁，湖北老河口，新疆和田、且末、民丰，四川内江，主要集中在辽宁中部、四川盆地、华北平原和关中平原地区，以及受沙尘暴影响较多的南疆地区(图2)。就全国而言，12和1月霾天气日数明显偏多，其霾日数总和占全年的30%;9月霾日数最少，仅占全年的5%(图3)。呈霾日增加趋势的站点主要分布在中国的东部和南部，包括华北、黄淮、江淮、江南、江汉、华南和西南地区东部，以及一些经济和工业比较发达的地区。呈霾日减少趋势的站点主要分布在东北、内蒙古和西北地区东部。这些地方的经济和工业水平相对滞后，东北地区作为老工业基地，随着近年来工业结构的调整和环境治理的改善使得当地的霾日数逐渐减少。

图1 全国历年霾日分布

图2 典型城市年霾日与雾日(轻雾日)长期变化

图3 典型城市月霾日长期变化

2 灰霾天气的本质

能见度与粒子的散射、吸收能力和气体分子的散射、吸收能力有关，但主要与大气粒子的散射能力关系最密切，简单地将细粒子按照瑞利散射来处理，如果入射光波长确定，忽略化学成分和气体的作用，影响散射光强的因子就是粒子尺度和浓度。笔者使用德国气溶胶粒子谱仪(Model 1.180，Grimm Technologies，Inc.Germany)在广州观测的气溶胶谱资料，10 μm 粒子的数量有 25 个，2.5 μm的粒子有 2 500个，1 μm的粒子有 17 000个，0.25 μm的粒子有9×106个，巨粒子与次微米粒子数量相差 106倍，气溶胶粒子谱峰值直径是0.28 μm，平均直径是 0.31 μm，因而能见度的恶化主要与细粒子关系比较大，尤其是出现较重气溶胶污染导致低能见度事件出现时，细粒子的比重会更大。从图4可以发现，0.25～1.0 μm 的粒子对能见度恶化的贡献是69%，黑碳粒子是21%，两者相加已达90%，而2.5～10 μm粒子的贡献只有9%，这就是为什么公众肉眼感到空气污染严重，而监测的PM10质量浓度却达标的原因。

图4 各种粒子对能见度恶化的贡献

使用美国小流量便携式空气采样器(MiniVol Portable Air Sampler，Airmetrica，USA)与德国气溶胶粒子谱仪(Model 1.180，Grimm Technologies，Inc.Germany)观测了 PM10和 PM2.5的质量浓度(表 1)［8－10］，近半 PM10年均值超过国家二级标准的年均值浓度限值(70 μg/m3)，而 PM2.5年均值全部超过国家二级标准的年均值限值(35 μg/m3)，PM10中 PM2.5的占比非常高，可达 51% ～79%，远大于20余年前的观测比值，可以看到导致能见度恶化时细粒子的比重比较大，广州地区灰霾的细粒子污染特征明显，表1表明广州地区细粒子比重是逐年增加的，从1980年代的46%增加到现在的接近80%。说明在广州地区的气溶胶污染中，主要是细粒子的污染。细粒子一般与气粒转化相关联，相对于SO2气体通过化学氧化形成硫酸盐粒子的慢过程，气粒转化的快速过程主要是机动车尾气排放的光化学反应前体物通过紫外线驱动光化学氧化过程，最终形成了有机硝酸细粒子，这正是能见度迅速恶化的原因。

表1 广州地区历年气溶胶质量浓度与细粒子所占比例

3 灰霾天气与肺癌死亡率的关系

灰霾发生时，空气中含有大量极细微的粒子，可通过呼吸道进入人体肺泡，对呼吸系统产生影响，导致呼吸道疾病和心肺疾病。统计结果表明，空气污染显著提高了呼吸道发病率和心肺疾病死亡率。灰霾天气也和肺癌密切相关，例如从柴油发动机释放的粒子含有诱导有机体突变和致癌的物质。

卫星测量显示，中国人口密集地区大气气溶胶含量比欧洲、美国东部等地区高出约10倍。暴露在气溶胶浓度非常高的环境中可能导致严重的人类健康问题。

分析广州1954—2005年城市观测站大气能见度资料得到的气溶胶光学消光系数与肺癌死亡率的关系，发现灰霾天气增加后7～8年，肺癌死亡率明显增加，两者有较好的滞后相关性。最近的现场测量显示，3/4的光学厚度是由直径小于1 μm的粒子引起的，细粒子比大粒子更容易沉积在肺部，因此被认为更容易引起肺癌。总而言之，统计结果有力地证明了在高污染大城市中，如华南的广州，灰霾天气增加和肺癌造成的死亡率之间的关系［11］(图5)。

图5 气溶胶光学消光系数与肺癌死亡率的关系

4 国内外PM2.5标准现状

除中国外，美国、日本等国家、地区，WHO等国际组织已制定了PM2.5标准，见表2和表3。

表2 国内外PM2.524 h均值限值

表3 国内外PM2.5年均值限值

从日均值标准来看，WHO提出了4个实施阶段的不同标准限值，中国空气质量标准中PM2.5标准最宽松，澳大利亚和新西兰的标准最严格。中国采用的第一过渡阶段推荐值75 μg/m3，相对于空气质量准则(AQG)25 μg/m3，短期健康风险是，超过AQG值的短期暴露，会增加5%的死亡率。

从年均值标准来看，WHO也是分为4个阶段实施的，印度的标准最宽松，澳大利亚的标准最严格。中国采用的第一过渡阶段推荐值35 μg/m3，相对于空气质量准则(AQG)10 μg/m3，长期健康风险是，超过AQG值的长期暴露，会增加总死亡率、心肺疾病和肺癌的死亡率，在这些水平的长期暴露会增加大约15%的死亡风险。

目前国际上的发达国家并没有达到WHO的空气质量准则值，欧盟 PM2.5年均值大约是12 μg/m3，美国是 13 μg/m3，日本是 20 μg/m3。中国的主要城市群 PM2.5年均值大致是:珠三角 42 μg/m3，长三角 49 μg/m3，北京 70 μg/m3，沈阳 82 μg/m3，均达不到 GB 3095—2012年均值二级标准限值(图6)。

5 近期美国使领馆公布PM2.5事件的思考

美国使领馆用短历时监测结果(小时均值)与长历时标准(日均值)相比较在科学上是错误的，而且在中国需要使用中国的标准限值，不能使用美国的新标准限值，况且美国有些州还在使用旧标准。

使用滑动平均算法由于各个时次权重不同因而也不能与长历时标准比较。这样做在科学上也存在不妥。应该使用过去24 h的算数平均监测值与日均值标准比较。

主要的3种测量PM2.5的仪器(微石英震荡天平、β射线、光散射)之间的误差是可以接受的，也是可以比较的。当然，在中国使用的微石英震荡天平监测仪(如RP系列)需要加装补偿气溶胶中硝酸盐等粒子挥发的膜动态测量系统(FDMS)。FDMS是用于校正振荡天平法监测仪因半挥发性颗粒物的质量损失引起的测量结果偏差而研发的系统。

中国的空气质量标准制修订是由当前的经济发展水平和技术条件决定的，GB 3095—2012的PM2.5限值对于中国空气污染现状是合适的。

6 监控PM2.5的策略与建议

实施新标准，监控PM2.5，首先得积极推动绿色GDP考核机制，将环境质量改善等相关指标纳入地方政府官员的政绩考核目标，从法律和政策上提供有效保障。

PM2.5是光化学烟雾的重要产物，其来源主要包括3种二次气溶胶:硫酸盐、硝酸盐、有机碳;和1种一次气溶胶:黑碳。也包括一部分一次排放的颗粒物。核心问题是需要对颗粒物来源进行解析，搞清楚一次排放与二次污染的关系，化学转化和光化学转化的关系，光化学烟雾前体物、标识物和产物的关系。

图7给出了气溶胶的谱分布特征，由图可知，粉尘污染的峰值主要在7～13 μm，称粗粒子模态，这个峰有自然来源，工业化以后主要来自燃煤、建材、冶金等行业的排放，中国经过20余年的消烟除尘治理，成果显著，这个峰已经不明显。而0.1～1 μm的两个峰值，主要与光化学过程和云中非均相反应过程密切相关，是目前主要的颗粒态污染物，治理难度非常大。

图7 气溶胶的谱分布特征

控制二次气溶胶需要从控制前体物入手，二次气溶胶的前体物主要是氮氧化物、挥发性有机物、一氧化碳、二氧化硫、氨等，因而需要搞清楚这些前体物的产污环节，制定对症下药的治理措施，控制前体物才能有效控制PM2.5。重点行业是煤电、钢铁、工业炉窑、石化、交通等。

具体来说，灰霾天气的调控，需要根据目前认知的灰霾形成机制，对形成细粒子(PM0.5)污染的光化学过程前体物进行调控，细粒子多数不是直接排放的，而是气态污染物转化的，应该以控制前体物为主，主要是氮氧化物与挥发性有机物，实际上这是国际共识，即交通源占首位，其中包括稠密路网、航空港和航道，然后是溶剂的管理控制，以及提高油品质量与储运环节的管理，饮食业油烟的治理也比较重要。而工业排放粗粒子、建筑尘与二次扬尘影响传统概念上的空气质量，但对能见度恶化贡献不大，因而对灰霾天气的调控对策意义不大。

细粒子前体物主要来自三部分:交通源、工业等高温燃烧、挥发性有机物。交通源又主要包括油品质量、汽车尾气、加油站挥发与交通顺畅。地面扬尘、建筑扬尘都是粗粒子，不是细粒子，治理措施中不宜放在主要位置。对于工业等高温燃烧，产生氮氧化物的治理，安排低氮燃烧和末端脱硝都是有效的。对于交通源的控制主要包括三部分内容:首先是提升油品质量——在炼油过程中去除硫化氢、二硫化碳和硫化羰等硫化物，使得油品含硫量下降，减少二氧化硫排放;再有就是汽车尾气的控制，主要通过提高机动车排放标准来实现。对于加油站，控制储罐的大小呼吸导致的油品挥发也非常重要。另外交通顺畅是重要的减排措施，中国大城市目前路面严重拥堵，一脚刹车一脚油的怠速行驶方式导致高排放，需要通过优化路网来实现车速正常的低排放行驶方式;挥发性有机物是细粒子的重要前体物，控制装修、喷涂、印刷、化妆品、家具、制鞋等行业的溶剂使用十分必要。对于京津冀、长三角、珠三角这样的大型城市群，灰霾天气(细粒子气溶胶污染)的区域性特征非常明显，区域联防联控是最重要的减排措施。

灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染，过去从不同角度研究气溶胶与能见度关系的分析，使用资料的时间周期都比较短。笔者分析了两年的完整资料，从图8发现，无论湿度高低，PM1与能见度的相关关系都比较好，但是呈现高度非线性关系:细粒子浓度超过20 μg/m3时能见度已经恶化到略高于10 km，细粒子浓度超过80 μg/m3时能见度可恶化到7～9 km，细粒子浓度超过120 μg/m3时能见度恶化不明显。反过来谈对灰霾的治理，细粒子浓度从 120 μg/m3治理到 80 μg/m3时，看不到能见度明显好转，但已经削减了细粒子质量浓度的1/3;细粒子浓度从 80 μg/m3治理到 40 μg/m3时，能见度仅仅好转了3～5 km，这就说明治理细粒子污染是一个漫长的过程，西方发达国家治理耗时50年以上，现在治理得比较好，中国治理细粒子污染，至少需要20～30年。如果从WHO的4个阶段标准推荐值来看，最终达到空气质量准则值，也需要修订标准3～4次，耗时20～30年。

随着湿度的增加，PM1浓度增加后能见度恶化更为显著，当湿度大于90%时，能见度的恶化主要是气溶胶吸湿增长增加了消光，而浓度的变化对能见度的影响变得不明显了(图8)。

图8 不同湿度条件下PM1与能见度的相关关系

有必要在环评工作中尽快开展PM2.5评价，如何评价PM2.5，如何评价其前体物如二氧化氮、总挥发性有机物等，需要进一步思考。二次污染物如何评价，值得商榷，难度比较大。

环评工作中急需解决的还有，总挥发性有机物、硫化氢、苯系物等标准目前还是空白，应该尽快出台相关标准，可以先出行标，粗略一点没关系，3～5年后根据实施的情况进行修订。

GB 3095—2012颁布实施后，大气环境评价导则的适应性是个急需解决的突出问题，需要尽快修订。评价模式的适用性也需要思考，评价二次气溶胶需要模式也要有相应的功能，一般评价单位较难具备这种能力。建议环境保护部环境工程评估中心尽快建立评价模式中心，统一对二次气溶胶进行预测。

［1］GB 3095—2012 环境空气质量标准［S］.北京:中国环境科学出版社.

［2］吴兑.中国灰霾天气研究10周年记［J］.环境科学学报，2012，32(2):257- 269.

［3］吴兑，邓雪娇，毕雪岩，等.细粒子污染形成灰霾天气导致广州地区能见度下降［J］.热带气象学报，2007，23(1):1- 6.

［4］吴兑，毕雪岩，邓雪娇，等.珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究［J］.气象学报，2006，64(4):510- 517.

［5］吴兑，毕雪岩，邓雪娇，等.珠江三角洲气溶胶云造成严重灰霾天气［J］.自然灾害学报，2006，15(6):77- 83.

［6］吴兑，吴晓京，李菲，等.中国大陆1951—2005年霾的时空变化［J］.气象学报，2010，68(5):680- 688.

［7］QX/T 113—2010 霾的观测和预报等级［S］.北京:气象出版社.

［8］WU D，TIE X X，LI C C，et al.An extremely low visibility event over the Guangzhou region:A case study［J］.Atmospheric Environment，2005，39(35):6568- 6577.

［9］WU D，TIE X X，DENG X J.Chemical Characterizations of Soluble Aerosols in Southern China ［J］. Chemosphere，2006，64(5):749- 757.

［10］WU D，MAO J T，DENG X J，et al.Black carbon aerosols and their radiative properties in the Pearl River Delta region［J］.Sci China(Series D)，2009，52(8):1152- 1163.

［11］TIE X X，WU D，BRASSEUR G.Lung Cancer Mortality and Exposure to Atmospheric Aerosol Particles in Guangzhou，China［J］.Atmospheric Environment，2009，43(14):2375- 2377.

Thinking and Advice on the Controlling Strategy of PM2.5the Hot Pollutant in the New Ambient Air Quality Standard of China

WU Dui
(1.Institute of Tropical and Marine Meteorology，CMA，Guangzhou，Guangdong 510080，China;2.Department of Atmospheric Science，School of Environmental Science and Engineering，Sun Yai-sen University，Guangzhou，Guangdong 510275，China)

With the expansion of city scale and the acceleration of urbanization，atmospheric aerosol pollution becomes more and more serious.Occurrence of visibility degradation episodes by PM2.5becomes more and more frequently，and the haze days increase rapidly in the eastern regions of China.The nature of haze weather is fine particle pollution that associated with photochemical pollution，resulting complex aerosol chemical composition.In recent years，the environment effects caused by the haze weather and climate effects caused by the aerosol radiative forcing have drew attention of scientific community，governments and the public.Under such situation，the government announced the new Ambient Air Quality Standard(GB 3095—2012)with PM2.5standard added.These update bring about new demands for environmental monitoring，management and assessment.This article analyzed the situation of air pollution in China and PM2.5standard of international organization and varies countries.Some recent hot topics are also discussed to provide suggestions for the implementation of PM2.5standard in GB 3095—2012 and its controlling strategy during environmental monitoring，environmental management and environmental assessment.

ambient air quality standard;fine particles PM2.5;pollution;aeroso;haze day;environmental monitoring;environmental management;environmental assessment

X820.4

A

1674- 6732(2012)04- 0001- 07

10.3969/j.issn.1674- 6732.2012.04.001

2011--04--21

吴兑(1951—)，男，中国气象局广州热带海洋气象研究所二级研究员，中山大学教授，博士生导师，主要研究方向为大气物理化学、大气环境及环境气象学。