环境空气质量新旧评价体系及评价结果差异

董有为 ，李名升，张文具，李 茜，夏 新，张建辉，吕 欣

1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083

2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

3.天津市环境监测中心，天津 300191

环境空气质量直接影响生态系统和人类健康。环境空气质量评价是环境管理的重点工作之一，也是环境科学研究的基础和热点内容［1-2］。国外在多指标综合评价、单因子变化对环境空气质量评价的影响［3］、构建空气质量数学模型评价［4］、空气质量预测［5］以及对污染强度分层次模拟评价区域环境［6］等方面有较为深入的研究;国内较为关注环境空气质量评价方法的研究［7］(如灰色聚类法、物元分析法和人工神经网络法等)，探讨评价的综合指数［8］和空气质量时空分布状况［9］，分析气象条件对环境空气质量的影响［10］等。

我国自2000年开展环境空气质量日报以来，环境空气质量评价体系主要可以分为2个阶段:第一阶段是2000—2012年，以《环境空气质量标准》(GB 3095—1996)(以下简称“旧标准”)、《环境空气质量日报技术规定》(总站办字［2000］26号)和相关规范为评价依据(以下简称“旧评价体系”);第二阶段以《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)(以下简称“新标准”)的发布和试点实施为起点，以新标准和《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(试行)(HJ 633—2012)为评价基础(以下简称“新评价体系”)，并将随着《环境空气质量评价技术规范(试行)》(以下简称“《技术规范》”)的颁布得到进一步完善。

新评价体系适应我国城市空气复合型污染的特征，标志着我国环境保护工作的重点开始从污染物排放总量控制向环境质量全面达标、从控制局部地区污染向区域联防联控、从控制一次污染物向控制二次污染物、从单独控制个别污染物向多污染物协同控制转变，是我国与世界标准接轨的重要里程碑。该文在分析我国环境空气质量评价体系变化的基础上，通过分析实际监测数据说明评价体系变化对评价结果带来的影响，探讨新评价体系的特点，以期为进一步完善评价体系提供可借鉴的参考。

1 环境空气质量评价体系的变化

1.1 环境空气质量标准

1.1.1 调整了环境空气功能区分类

新标准取消了原来的三类区“特定工业区”，将其与二类区中的“一般工业区”合并，统称为工业区，执行二级浓度限值标准。

1.1.2 调整了污染物浓度限值

新标准取消了各污染物的三级浓度限值，同时收紧NO2、PM10、Pb和 BaP等污染物的浓度限值，增加O38 h平均浓度限值、BaP年平均浓度限值、PM2.5年平均浓度和24 h平均浓度限值以及Cd、Hg、As、Cr(VI)4 项污染物的参考浓度限值，详见表1。

表1 新旧标准中污染物浓度限值变化

1.1.3 提高了数据统计有效性要求

数据统计有效性的最低要求大幅度提高，平均时间内有效数据的要求由原来的16%～75%增至75% ～90%，详见表2。

1.1.4 增加了分析方法

新标准中将各污染物的指定分析方法划分为手工分析方法和自动分析方法。其中SO2、NO2、O3和NOx增加了差分吸收光谱分析法;PM10和PM2.5增加了微量振荡天平法和 β射线法;CO增加了气体滤波相关红外吸收法;Pb增加了石墨炉原子吸收分光光度法。

1.2 评价方法

1.2.1 统计时段

监测日报的统计时间由原来的当日12:00至次日12:00修改为当日0:00—24:00，与自然天 的计时方法相一致。

表2 新旧标准中数据统计有效性变化

1.2.2 综合指数评价方法

用空气质量指数(AQI)取代空气污染指数(API)。AQI和API都是分级表征空气污染程度和空气质量状况的无量纲指数，可以直观、简明、定量地描述和比较环境污染的程度。API分级计算参考的标准是旧标准，评价的污染物仅为SO2、NO2和PM103项;而AQI分级计算参考的标准是新标准，参与评价的污染物为 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3和CO 6项。AQI采用的标准更严、污染物指标更多，其评价结果也更接近公众的真实感受。

1.2.3 评价限值和表征方法

修改了各级别空气质量分指数相对应的污染物项目浓度限值，并增加了空气质量分指数为150时所对应的污染物浓度限值。规定当SO2的1 h平均质量浓度高于800 μg/m3或O3的8 h平均质量浓度高于800 μg/m3时，不再进行其空气质量分指数的计算。另外，还调整了空气质量指数类别和表征颜色的规定。

1.2.4 信息发布

AQI与API信息发布的主要区别表现在以下几个方面。首先，AQI中增加了空气质量信息的实时发布，发布频次更高，给予公众更加及时、准确的健康提示。实时报的指标包括SO2、NO2、O3、CO、PM10和 PM2.5的1 h平均浓度值及 O3的8 h滑动平均浓度值和 PM10、PM2.5的24 h滑动平均浓度值，共计9项。其次，与 API相比，AQI中增加了环境空气质量评价的污染物因子，日报指标包括 SO2、NO2、PM10、PM2.5和 CO 的 24 h 平均浓度值及O3的日最大1 h平均浓度值和O3的日最大8 h滑动平均浓度值，共计7项。另外，实时报和日报的发布内容均包括评价时段、监测点位置、各污染物的浓度及空气质量分指数、空气质量指数、首要污染物和空气质量级别。

1.3 评价技术规范

为配合新标准实施并提供必要的技术支持，环境保护部正在组织起草《技术规范》，据2013年2月的征求意见稿，《技术规范》将在如下2个方面进行完善:

1)达标判断依据更为严格。改变过去单纯以污染物年平均浓度作为达标与否的判断依据，以年平均浓度和特定的日均值百分位数进行达标情况判断。

2)变化程度定量化。将原来的“基本稳定”和“有所变化”等定性表述改为定量判断，以污染物变化率3%为界限，对“基本稳定”和“有所变化”进行了定量化规定。

2 新旧体系评价结果间的主要差异

2.1 达标情况

受如下2个方面因素影响，城市环境空气质量达标情况将发生较大变化:

1)NO2和PM10的年平均二级浓度限值收严，使一些城市的评价结果由达标变为不达标。对全国325个地级以上城市2012年监测的NO2、SO2和PM103项污染物进行评价，用旧标准评价达标率为91.4%，用新标准评价达标率为40.9%，将有164个城市由达标变为不达标，达标率下降了50.5个百分点。

2)日均值百分位数的引入会出现年平均浓度达标、但由于超标天数较多致使评价结果不达标的情况。若依据《技术规范》中对于年度评价的规定，除要求年平均浓度达标外，还要求特定的日均值百分位数小于或等于日均值标准。参照《技术规范》按旧标准评价全国325个地级以上城市的2012年度达标情况，将有161个城市由达标变为不达标，达标率由91.4%降为41.8%;若按新标准评价，城市达标比例会更低，达标率由40.9%降为32.6%。

2.2 日评价结果

1)统计时间段变为0:00—24:00虽然对年平均浓度不会产生影响，但引起24 h平均浓度值发生变化，进而影响日达标率。以北方某城市2013年第一季度某监测点位的数据进行评价(见表3)，平均超标率变化结果:SO2、PM10和 PM2.5分别上升5.6、2.3、7.9个百分点，NO2和 CO均下降2.2个百分点。

表3 最大日均值和平均超标率变化

2)评价项目由3项增加到6项且PM2.5超标情况较为普遍，会使整体达标情况下降。以北方某城市2013年第一季度某监测点位为例，若按旧标准 3项评价，达标天数为 43 d，达标率为47.8%;若按新标准 6项评价，达标天数减少13 d，达标率降为33.3%。

2.3 年评价结果与日评价结果的差异

由于空气质量标准中日平均浓度限值大于年平均浓度限值，对评价城市而言，可能出现一年中优良天数比例较高、但年平均浓度评价结果为超标的现象，甚至会出现日平均浓度全部达到二级浓度标准限值而年平均浓度超标的情况。而新标准中又收严了NO2和PM10的年平均浓度限值，但日平均浓度限值并未变化，对评价整体而言，达标率降低，会使日评价结果与年评价结果之间的差异更加明显。如2012年，分别按照新旧标准对NO2、SO2和 PM103项污染物进行评价，全国325个地级以上城市的空气质量优良天数比例均为94.0%。但使用新标准后，年平均浓度达标的城市比例将由91.4%降低为40.9%，日评价结果与年评价结果的差异将加大。

3 新体系计算方法与评价结果

3.1 臭氧小时值利用率不同

由于《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(试行)(HJ 633—2012)中日报统计时段的规定，1:00—7:00没有O3的8 h滑动平均浓度值，此期间的1 h平均浓度值在8:00—14:00的8 h滑动平均浓度值计算中分别被使用1～7次;同理，18:00—24:00的1 h平均浓度值分别被使用1～7次。而8:00—17:00的1 h平均浓度值在计算中均被使用8次。由于1 h平均浓度值对计算O38 h滑动平均浓度值的贡献不同，可能引起计算结果和变化趋势的差异。

北方某城市某监测点位2013年1月9日和2月15日的O3的1 h平均浓度值和8 h滑动平均浓度值分别如图1和图2所示。

图1 1月9日O3浓度变化趋势图

图2 2月15日O3浓度变化趋势图

1月9日和2月15日均有9个1 h平均质量浓度超过 100 μg/m3，9 日出现在 11:00—19:00，15日出现在1:00—9:00。图1中，11:00—19:00的O31 h平均浓度值在计算8 h滑动平均浓度值时均会使用8次，使得该日的8 h滑动平均浓度值整体偏高，呈上凸状分布。而图2中，较高的O31 h平均浓度值出现在1:00—9:00，计算8 h滑动平均浓度值时仅会使用1～8次，使得当日8 h滑动平均浓度值呈下凹状分布，达标情况良好。可见，虽然1月9日和2月15日都有9个1 h平均浓度值偏高，但由于出现时段不同，被使用的次数不等，使得8 h滑动平均浓度值的计算结果明显不同。

3.2 颗粒物小时限值缺失对实时报中空气质量分指数的影响

新标准中没有PM10和 PM2.5的1 h平均浓度限值，在计算实时空气质量分指数(IAQI)时，使用的是24 h滑动平均浓度值。因此，若 PM10或PM2.5的1 h平均浓度值在短时间内急剧升高，而计算实时IAQI时使用的24 h滑动平均浓度值较低，会导致出现1 h平均浓度值较高、但实时IAQI相对较低的情况。

以北方某城市某监测点位2013年2月25—28日PM10的1 h平均浓度值和实时 IAQI变化为例进行分析，其趋势如图3所示。

图3 2月25—28日PM101小时平均浓度值和实时IAQI变化趋势图

从图3可以看出:①25日1:00至26日6:00该城市PM10的1 h平均浓度值维持在100 μg/m3左右，变化幅度不大，相应的实时IAQI平稳变化，两者基本吻合。②26日7:00 PM10的1 h平均浓度值突增，升高81.9%，但由于计算实时IAQI时使用的24 h滑动平均浓度值，实时IAQI仅升高2.9%。③从26日7:00开始，PM10的1 h平均浓度值呈上升趋势，相应的实时IAQI缓慢增大，但明显滞后于1 h平均浓度值的上升幅度。④26日10:00 PM10的1 h平均质量浓度出现小幅回落，由203 μg/m3降至 188 μg/m3，而实时 IAQI却由 76升至78，出现短暂的倒挂现象;同样的倒挂现象还出现在26日的17:00、23:00和28日的4:00、6:00、17:00等时段。⑤27日23:00出现短暂的陡降，并于28日7:00起开始突增，于11:00达到最大(1 h平均质量浓度为531 μg/m3)，较高浓度持续约9 h，而此时的实时IAQI变化趋势为一条平缓的曲线，即7:00—17:00 PM10浓度的急剧升高并没有引起实时IAQI的明显变化，实时IAQI一直维持在210左右。上述现象的出现正是因为计算实时IAQI时使用的24 h滑动平均浓度值具有滞后性，没有及时反映突变时的空气质量，导致人为感官与评价结果的差异和人为误解。而且，突变时间持续越短，两者的差异越明显。若持续高污染时间在24 h以上，结果将有所不同，如3月27—29日72 h内该城市某监测点位PM10的1 h平均浓度值和实时IAQI变化趋势如图4所示。

图4 3月27—29日PM10 1 h平均质量浓度和实时IAQI变化趋势图

可以看出，PM10的1 h平均质量浓度从27日18:00起开始突增，1 h平均质量浓度达到265 μg/m3之后保持300 μg/m3以上约38 h。在这种情况下，实时IAQI随着1 h平均质量浓度的上升而上升，其变化趋势为一条缓慢上升的曲线，两者变化幅度基本一致，于29日6:00达到最大值(实时IAQI为263)。由此可知，持续高污染时间较长时，实时IAQI在一定程度上可以反映突变时的空气质量，但仍有一定的滞后性。

4 结论

1)新评价体系在环境空气功能区分类、污染物浓度限值、数据统计有效性、分析方法、综合评价方法、数据统计时段和信息发布等方面提出了新规定。

2)NO2和PM10的年平均二级浓度限值收严，使一些城市的评价结果由达标变为不达标。用新标准评价全国325个地级以上城市2012年的达标情况，将有164个城市由达标变为不达标，达标率由91.4%降为40.9%。

3)日均值百分位数的引入会出现年平均浓度达标、但由于超标天数较多致使评价结果不达标的情况。参照《技术规范》按旧标准评价2012年度全国325个地级以上城市的达标情况，将有161个城市由达标变为不达标，达标率由91.4%降为41.8%。

4)不同时段O3的1 h平均浓度值对计算其8 h滑动平均浓度值的贡献不同，当较高的1 h平均浓度值出现在不同时段，会引起8 h滑动平均浓度值计算结果的差异。

5)新标准中没有 PM10和 PM2.5小时浓度限值，在计算点位实时IAQI时，需要使用24 h滑动平均浓度值，因此，在空气质量发生短时间突变时，会出现实时IAQI评价结果与实际污染状况不符的情况。

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