各国环境空气质量评价中污染物浓度表示方法比较

潘本锋，郑皓皓，王 帅

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

中国于2012年颁布了《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[1]，新空气质量标准规定的污染物基本项目包括6项：SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10，标准规定了上述污染物项目的平均时间、分级标准、浓度限值和单位，新空气质量标准在客观评价空气质量状况，确保空气质量评价结果与公众感受相一致，促进国内大气污染防治方面发挥了重要作用。世界上大多数国家也都制定了各自的空气质量标准，其中O3、PM10、PM2.5、CO、SO2、NO2等污染物项目广泛应用于各国的空气质量评价和发布，尤其是颗粒物、O3、NO2，是美国、英国、欧盟、韩国、中国、加拿大、澳大利亚等国家和地区共同采用的污染物项目[2-8]。但通过对比各国的空气质量标准发现，许多国家虽然在评价空气质量时采用了一部分相同的污染物项目，但各国的污染物浓度表示方法并不完全一致，影响了各个国家之间空气质量的比较研究，本文对不同国家的空气污染物浓度表示方法进行了系统地比较研究，并对中国空气质量标准中空气污染物浓度的表示方法提出了改进建议。

1 各国污染物浓度表示方法比较

将美国、加拿大、英国、法国、日本、韩国、澳大利亚、中国等国家空气质量标准[9-15]中部分气态污染物和颗粒物浓度表示方法进行比较，见表1。

表1 各国空气质量标准中部分污染物浓度表示方法比较Table 1 Comparison of the unit of some pollutant concentration in the air quality standard among some countries

注：“—”表示该国空气质量标准中无此项污染物。

由表1可见，美国、加拿大、日本、韩国、澳大利亚等国家的空气质量标准中，对于颗粒态污染物其浓度单位采用质量浓度(μg/m3)，而对于气态污染物其浓度单位采用体积比浓度(如ppm或ppb)。而中国、英国、法国等国家的空气质量标准中对颗粒态污染物和气态污染物浓度单位均采用质量浓度(μg/m3)。

2 中国不同区域城市空气质量浓度不同表示方法比较

各个国家污染物浓度单位不同，导致国际间相互引用和比较空气质量监测数据时存在诸多不便，即使采用同样的浓度单位，也会因为规定的气体状态不同使数据缺乏可比性。如美国空气质量标准中规定的PM2.5浓度为实际状况下的浓度[16-17]，而中国标准中规定的PM2.5浓度为标准状况下的浓度[1]。在中国东北、华北、华中、华南、华东、西北、西南七大区域，分别选择哈尔滨、北京、郑州、广州、上海、兰州、昆明作为代表城市，以2013年各城市PM2.5浓度为例，根据各城市、各月平均温度和大气压，将标况浓度换算为实况浓度，并对2种表示结果进行比较。

图1为北京市PM2.5实况浓度与标况浓度的比较。北京市PM2.5浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比浓度值显著下降，变化比例为-10.4%～0.3%，下降比例最大的是7月，而在1月实况浓度和标况浓度没有显著变化。

图1 北京市PM2.5实况浓度和标况浓度比较Fig.1 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Beijing

图2为哈尔滨市PM2.5实况浓度与标况浓度比较。哈尔滨市PM2.5浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比，1、2、12月浓度上升，其他月浓度下降，浓度值变化比例为-10.6%～5.4%，浓度下降比例最大的是7月，而在1月换算为实况浓度后比标况浓度上升了5.4%。

图2 哈尔滨市PM2.5实况浓度与标况浓度比较Fig.2 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Harbin

图3为上海市PM2.5实况浓度与标况浓度比较。上海市PM2.5浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比，浓度值显著下降，浓度值变化比例为-11.2%～-2.4%，下降比例最大的是7月，下降比例最小的是1月。

图3 上海市PM2.5实况浓度与标况浓度比较Fig.3 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Shanghai

图4为郑州市PM2.5实况浓度与标况浓度比较。郑州市PM2.5浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比，浓度值显著下降，浓度值变化比例为-11.8%～-1.9%，下降比例最大的是8月，下降比例最小的是1月。

图4 郑州市PM2.5实况浓度与标况浓度比较Fig.4 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Zhengzhou

图5为广州市PM2.5实况浓度与标况浓度比较。广州市PM2.5浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比，浓度值显著下降，浓度值变化比例为-10.0%～-5.0%，下降比例最大的是6月，下降比例最小的是12月。

图5 广州市PM2.5实况浓度与标况浓度比较Fig.5 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Guangzhou

图6为昆明市PM2.5实况浓度与标况浓度比较。昆明市PM2.5浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比，浓度值显著下降，浓度值变化比例为-26.0%～-22.4%，下降比例最大的是6月，下降比例最小的是12月。和其他地区相比，因昆明市为高原地区，海拔较高，大气压较低，故造成实况浓度明显低于标况浓度。

图6 昆明市PM2.5实况浓度与标况浓度比较Fig.6 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Kunming

图7为兰州市PM2.5实况浓度与标况浓度比较。兰州市PM2.5浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比，浓度值显著下降，浓度值变化比例为-22.7%～-14.0%，下降比例最大的是8月，下降比例最小的是1月，同昆明类似，因其海拔较高，大气压较低，故导致实况浓度明显低于标况浓度。

图7 兰州市PM2.5实况浓度与标况浓度比较Fig.7 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Lanzhou

分别使用哈尔滨、北京、郑州、广州、上海、兰州、昆明各城市的PM2.5月平均标况浓度和实况浓度，计算其年均浓度，比较其年均实况浓度和标况浓度之间的差异，结果见图8。

图8 不同区域城市PM2.5实况浓度与标况浓度比较Fig.8 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition among cities from different areas

由图8可以看出，东北、华北、华中、华南、华东、西北、西南七大区域的代表城市哈尔滨、北京、郑州、广州、上海、兰州、昆明，其PM2.5年均浓度使用实况浓度后，与标况浓度相比，浓度值普遍下降，浓度值变化比例为-24.4%～-1.0%，下降比例最大的城市为西南地区的昆明，下降比例最小的城市为东北地区的哈尔滨。

从各城市每月实况浓度和标况浓度比较可见，夏季实况浓度和标况浓度之间差异较大，冬季差异较小。一般情况下，实况浓度低于标况浓度，但也有例外，如北京市2013年1月，哈尔滨市2013年1、2、12月的实况浓度高于其标况浓度。从不同地区来看，各地区城市实况浓度和标况浓度之间的差异按照从大到小排列为西南>西北>华南>华中>华东>华北>东北，其中西北、西南地区城市实况浓度和标况浓度之间的差异明显高于全国其他地区。

可见，使用不同的表示方法对于颗粒物浓度数值影响较大。目前，各个国家对颗粒物虽然普遍采用了质量浓度，但有的国家使用实况浓度，有的国家使用标况浓度。前述分析表明，相同污染状况下分别使用实况浓度和标况浓度时，监测结果差异较大。另外，即使同样使用了标况浓度，也会因为对标准状况的定义不同使监测结果之间缺乏可比性。

3 不同污染物浓度表示方法优劣比较

3.1 气态污染物浓度表示方法

通过各个国家环境空气中气态污染物浓度表示方法比较可见，气态污染物的表示方法主要有2种：一种是体积比浓度(ppm或ppb),其代表国家为美国、加拿大、日本、韩国、澳大利亚等；另一种是质量浓度(μg/m3或mg/m3),其代表国家是英国、法国、中国。目前，各国采用的气态污染物的监测方法多数为光度法，如SO2的监测方法常用紫外荧光法，NO2的监测方法常用化学发光法，CO的监测方法常用红外吸收法、O3的监测方法常用紫外光度法。光度法的测量原理为检测器检测到的光信号与待测组分的浓度成正比，对于气体组分来说，这个浓度即为体积比浓度，因此气态污染物的原始测量结果即为体积比浓度。对于气态污染物，当使用体积比浓度时，无论压力、温度如何变化，其体积比浓度始终不变，因此使用体积比浓度更能客观表示气态污染物的污染状况，但体积比浓度可以与质量浓度互相换算，其换算公式如下：

式中：Cm表示气态污染物质量浓度，μg/m3；Cv表示气态污染物体积比浓度，ppb；M表示气态分子的相对分子质量。

由于美国、日本等国家使用的ppm或ppb均不是中国法定计量单位[18-20]，因此不宜直接作为国内气态污染物的浓度单位，但使用标准状况下的质量浓度可以间接反映气态污染物在环境空气中的体积比，因为在不同压力、温度条件下，虽然气态污染物在实际状况下质量浓度发生改变，但其换算为标准状况下的质量浓度和体积比浓度均保持不变，因此使用标准状况下的质量浓度能够客观反映气态污染物的污染程度，能够保证不同地区、不同环境条件下的气态污染物浓度的可比性。

3.2 颗粒物浓度表示方法

通过各个国家环境空气中颗粒物浓度表示方法比较可见，颗粒物的表示方法普遍采用质量浓度(μg/m3或mg/m3)。但是各个国家规定的气体状态不同，如中国在新的空气质量标准中明确规定，所有污染物的质量浓度均采用标准状况下(温度为273 K，压力为101.325 kPa)的质量浓度。而美国的标准中规定PM10的质量浓度为标准状况下(温度为298 K，压力为101.325 kPa)的质量浓度，而规定PM2.5的质量浓度为实际状况下的质量浓度[16-17]。标况浓度可以和实况浓度互相换算，其换算公式如下：

式中：C标表示标准状态下颗粒物浓度，μg/m3；C实表示实际状态下颗粒物浓度，μg/m3；P标表示标准状态下大气压，kPa；P实表示实际状态下大气压，kPa；T标表示标准状态下温度，K；T实表示实际状态下温度，K。

常用的颗粒物测量方法为同时测量颗粒物的绝对质量和采样体积(实际状况下的采样体积)，再据此计算出颗粒物浓度，不涉及由体积换算为质量的过程，所以不需要明确温度、压力等环境条件。当气压和温度发生改变时，气体体积随之发生改变，但颗粒物的实际质量和体积并不随之改变，因此使用实际状况下的质量浓度更能客观反映颗粒物的污染状况。

4 结论与建议

1)各国对于气态污染物浓度的表示方法主要有体积比浓度和质量浓度，对于颗粒物浓度的表示方法则普遍采用质量浓度。

2)对于颗粒物的质量浓度，主要有标况浓度和实况浓度2种表示方法；在中国标况浓度和实况浓度的数值存在较大差异，一般情况下，实况浓度低于标况浓度；夏季两者差异较大，冬季差异较小；不同区域间，国内西南、西北地区城市颗粒物标况浓度和实况浓度的差异明显大于其他地区；不同标准状况定义下的标况浓度之间也存在差异，数据缺乏可比性。

3)对于气态污染物使用体积比浓度更能客观反映其实际污染状况，也可以用统一标准状况定义下的质量浓度来表示,但对于颗粒物使用实际状况下的质量浓度则能够更加客观反映其污染状况。

4)建议修订国内环境空气质量标准中污染物浓度的表示方法，对于气态污染物继续使用标准状况下的质量浓度来表示；对于颗粒物则改用实际状况下的质量浓度来表示，以保证中国与其他国家之间监测数据的可比性。

[1] 环境保护部科技标准司.环境空气质量标准:GB 3095—2012[S].北京：中国环境科学出版社，2012.

[2] 潘本锋，李莉娜.环境空气质量指数计算方法与分级方案比较[J].中国环境监测，2016,32(1):13-17.

PAN Benfeng, LI Lina. Comparison of the calculating method and classifying program of air quality index among some countries[J].Environmental Monitoring in China,2016,32(1):13-17.

[3] 丁俊男，王帅，赵熠琳，等.关于环境空气质量评价的一些思考[J].环境监控与预警，2012,4(5):38-53.

DING Junnan, WANG Shuai, ZHAO Yilin， et al. Research on estimate of ambient air quality[J].Environmental Monitoring and Forewarning,2012,4(5):38-53.

[4] 王帅，杜丽，王瑞斌，等.国内外环境空气质量指数分析和比较[J].中国环境监测，2013,29(6):58-65.

WANG Shuai, DU Li, WANG Ruibin， et al. Comparison of air quality index between China and foreign countries[J].Environmental Monitoring in China,2013,29(6):58-65.

[5] 潘本锋，宫正宇，王帅，等.环境空气质量指数在应用中存在的问题及建议[J].中国环境监测，2015,31(1):64-67.

PAN Benfeng, GONG Zhengyu, WANG Shuai， et al. Defects and revising suggestions of the application of ambient air quality index[J].Environmental Monitoring in China,2015,31(1):64-67.

[6] 陈魁，董海燕，郭胜华，等.我国环境空气质量标准与国外标准的比较[J].环境与可持续发展，2011(1):47-51.

CHEN Kui, DONG Haiyan, GUO Shenghua, et al. Comparison on the ambient air quality standard between China and foreign countries[J].Environment and Sustainable Development,2011(1):47-51.

[7] 钱一晨，金晶.典型国家和国际环境空气质量标准对比研究[J].能源研究与信息，2013,29(2):67-73.

QIAN Yichen, JIN Jing. A comparison study on the typical national ambient air quality standards and some international standards[J].Energy research and information,2013,29(2):67-73.

[8] 王宗爽，武婷，车飞，等.中外环境空气质量标准比较[J].环境科学研究，2010,23(3):253-260.

WANG Zongshuang, WU Ting, CHE Fei, et al.Comparison between domestic and international ambient air quality standards[J].Research of Environmental Sciences,2010,23(3):253-260.

[9] USEPA. National Ambient Air Quality Standards (NAAQS)[EB/OL].[2016-05-07].http://www.epa.gov/air/criteria.html.

[10] Government of Canada.National Ambient Air Quality Objectives(NAAQOs)[EB/OL].[2016-05-07].http://www.hc-sc.gc.ca/ewh-sent/air/out-ext/a3.

[11] Department for Environment Food and Rural Affairs.UK and EU Air quality limits[EB/OL].[2016-05-07].https://uk-air.defra.gov.uk/air-pollution/uk-eu-limits.

[12] The Ministry of Environment Ministry.French standards[EB/OL].[2016-05-07].http://www.airparif.asso.fr/en/reglementation/normes-francaises.

[13] The Ministry of Environment Government of Japan. Environmental quality standards in Japan:Air quality[EB/OL].[2016-05-07].http://www.env.go.jp/en/air/aq/aq.html.

[14] Ministry of the Environment.Air quality standards in Korea[EB/OL].[2016-05-07].http://www.airkor-ea.or.kr/eng/information/airQualityStandards.

[15] Australian Government,Department of the Environ-ment.Air quality standards[EB/OL].[2016-05-07].http://www.environment.gov.au/atmos-quality/standards.html.

[16] USEPA. Reference method for the determination of fine particulate matter as PM2.5in the atmosphere[R].North Carolina:USEPA,2011.

[17] USEPA.Reference method for the determination of particulate matter as PM10in the atmosphere[R].North Carolina:USEPA,2011.

[18] 马同森，韩家显.法定计量单位在分析化学领域中的正确应用[J].化学研究，1999,10(3):57-60.

MA Tongsen, HAN Jiaxian.Correct application of the lawful metrological units to analytical chemistry[J].Chemical Research,1999,10(3):57-60.

[19] 程建海.法定计量单位在环境监测中的应用[J].中国环境监测，1991,7(3):22-36.

CHENG Jianhai.The application of lawful metrological units in environmental monitoring[J].Environmental Monitoring in China,1991,7(3):22-36.

[20] 刘春华.环境监测中常用的法定计量单位[J].中国环境监测，1995,11(1):57-58.

LIU Chunhua. The normal lawful metrological units in environmental monitoring[J].Environmental Monitoring in China,1995,11(1)：57-58.