解读空气质量指数

一、什么是空气质量指数

空气质量指数(Air Quality Index,简称AQI),是一个用来定量描述空气质量水平的数值。世界各国制定的空气质量标准不同,AQI的取值范围也各有不同[1]。我国采用的是和美国相似的标准,AQI的取值范围位于0 – 500 之间。

环境空气污染物的种类有很多,常见的有二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O)和悬浮颗粒物。悬浮颗粒物中,直径小于等于10μm的称为PM10,直径小于等于2.5μm的称为PM2.5。其中,现阶段对人们健康影响最大的要数PM2.5。正是由于意识到PM2.5的严重危害,我国于2012年发布,将于2016年1月1日实施的国家标准GB 3095-2012《环境空气质量标准》[2]中,新增了对PM2.5的监测要求并规定了浓度限值。

环境监测部门每天发布的空气质量报告中,会包含各种污染物的浓度值,比如SO2浓度为20.5μg/m3、PM10浓度为150.8μg/m3、PM2.5浓度为130.7μg/m3等等。但是,人们很难从这么多个抽象的浓度数据中判断出到底当前的空气质量处在什么水平。于是就有人想出了一个办法,将各种不同污染物含量折算成一个统一的指数,这就是空气质量指数。

空气质量指数的值在不同的区间,就代表了不同的空气质量水平。比如0 – 50之间,代表“良好”;51 – 100之间,代表“中等”;101 – 150之间,代表“对敏感人群不健康”……等等。为了更直观起见,每个区间都有一个固定的颜色值与它对应:

空气质量指数 质量水平 代表颜色
0 – 50 良好 绿色
51 – 100 中等 黄色
101 – 150 对敏感人群不健康 橙色
151 – 200 不健康 红色
201 – 300 非常不健康 紫色
301 – 500 有毒害 褐红色

这样,只需要根据报告的AQI值,甚至只看颜色,即可直观判断空气质量水平。

二、空气质量指数是怎么算出来的

如前所述,空气质量指数是根据各种污染物的浓度值换算出来的。要计算AQI,就需要事先确定各污染物在不同空气质量水平下的浓度限值。例如,美国环保局(EPA)针对PM2.5的限值定义如下[3]

Clow Chigh Ilow Ihigh 质量水平
0 12.0 0 50 良好
12.1 35.4 51 100 中等
35.5 55.4 101 150 对敏感人群不健康
55.5 150.4 151 200 不健康
150.5 250.4 201 300 非常不健康
250.5 350.4 301 400 有毒害
350.5 500.4 401 500 有毒害

AQI的计算公式如下:

aqi

其中:

I = 空气质量指数,即AQI,输出值;
C = 污染物浓度,输入值;
Clow= 小于或等于C的浓度限值,常量;
Chigh= 大于或等于C的浓度限值,常量;
Ilow= 对应于Clow的指数限值,常量;
Ihigh= 对应于Chigh的指数限值,常量。

利用这个公式,根据污染物浓度C,可以方便地计算出空气质量指数I。比如要计算PM2.5浓度等于68.5μg/m3对应的AQI,查浓度限值表可知,它在55.5和150.4之间。所以Clow = 55.5,Chigh = 150.4,对应的Ilow = 151,Ihigh = 200,套入公式计算:

取整即得AQI=158。各种污染物的AQI值分别算出来后,取数值最大的那个即为最终报告的AQI值。比如SO2浓度为20.5μg/m3,算出来对应的AQI为29;PM10浓度为150.8μg/m3,对应的AQI为98;PM2.5浓度为130.7μg/m3,对应的AQI为190。最终报告的AQI值就是190,而贡献了那个最大值的PM2.5则称为首要污染物。

严格来说,PM2.5对应的AQI是针对24小时平均的PM2.5浓度计算出来的。也就是说,并没有对应于实时PM2.5浓度的AQI。但是为了报告的方便,更直观地体现当前的空气质量水平变化,通常也将实时PM2.5浓度按24小时平均浓度计算出AQI值。这样算有一个假设的前提,就是如果这个浓度持续24小时的话,对应的AQI才成立。

三、我国的空气质量指数标准,和存在的问题

配合GB 3095-2012的推出,我国环保部制订了一份试行的环境空气质量指数(AQI)技术规定[4],同样将于2016年1月1日实施。

在这份试行的技术规定中,AQI的级别和美国标准一样分为6个等级,采用相同的颜色标识。各级别对应的AQI值也完全一致。只是每个级别的描述有所不同,从好到差依次称为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染。但各级别对应的健康影响和建议措施,又基本等同。

空气质量指数 美国标准 中国标准
0 – 50 良好
51 – 100 中等
101 – 150 对敏感人群不健康 轻度污染
151 – 200 不健康 中度污染
201 – 300 非常不健康 重度污染
301 – 500 有毒害 严重污染

此外,计算AQI使用的公式也和美国标准完全一样,但是每个级别对应的污染物浓度限值是不同的。同样以PM2.5的限值为例,两国标准中规定的浓度限值对比如下:

空气质量指数 美国浓度限值 中国浓度限值
0 0 0
50 12.0 35
100 35.4 75
150 55.4 115
200 150.4 150
300 250.4 250
400 350.4 350
500 500.4 500

结合上面的AQI计算公式可以看出,在PM2.5浓度高于150μg/m3时,两国标准计算出来的AQI基本等同;而在PM2.5浓度低于150μg/m3时,两国标准计算出来的AQI有明显差异。

例如当PM2.5浓度等于32.5μg/m3时,我国标准计算出的AQI值为47,属于“优”的级别;而按照美国标准计算出来的AQI为94,属于“中等”的级别。又如当PM2.5浓度等于68.5μg/m3时,我国标准计算出的AQI值为92,属于“良”的级别;而按照美国标准计算出来的AQI为158,属于“不健康”的级别。

从下图可以比较直观地看出同样的PM2.5浓度水平下,按照中美两国标准计算出来的AQI的差别:
中美AQI对比

由于我国试行的技术标准中,在浓度限值的设置上与美国标准存在差异,使得同样的污染物浓度换算出来的AQI值偏低。但是另一方面,它规定的AQI级别、表示颜色、和针对各AQI级别给出的健康影响及建议措施又基本上等同于美国标准,这就难免会给人们造成困扰了。比如上面例子中那个PM2.5浓度等于68.5μg/m3的情况,到底是该按照中国标准算出“良”,认为空气质量可以接受,放心外出呢?还是该按照美国标准算出“不健康”,认为对所有人都有健康危害,减少外出呢?

另外一个存在的问题是,根据中美两国的AQI计算标准,当污染物浓度超出最高上限时,AQI的值最高也只能是500,因为在这之上的指数是不存在的。这种情况下,称为“爆表”或”Beyond Index”,也就是用空气质量指数已经无法描述这糟糕的空气质量了。

然而在现实中,中美两国的空气质量水平差距极大。美国大部分地区的AQI值常年保持在100以下,超过300以上的情况极为罕见,所以设置500为最大值绝对够用了。而在中国,“爆表”现象则在全国各地常有发生。而一旦发生“爆表”的情况,就只能通过污染物的浓度值来进一步描述污染的严重程度了,这就违背了设置AQI作为统一的空气质量衡量指标的初衷。这说明在我国当前的空气质量水平下,设置500为最大值是不合理的,需要对AQI超出500的计算方法做出进一步的规定。

我国环保部门将这份技术标准作为试行标准,而不是正式标准,显然也是考虑到了今后进一步改进的可能。希望在正式标准出台之前,能进一步修改完善,消除可能造成人们困扰的因素。也希望越来越多的人能够了解到空气质量指数真正的含义,推动空气质量指数技术标准的完善,使其更有利于空气质量的改善和人们的身体健康。

附录:参考资料

  1. Wikipedia: Air Quality Index
  2. 环境空气质量标准 (GB 3095—2012)
  3. Technical Assistance Document for the Reporting of Daily Air Quality (EPA-454/B-13-001)
  4. 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行) (HJ 633—2012 )

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