环境空气质量标准的建立，可以为环境空气质量管理、保护人体健康、维护生态环境安全，促进人与社会、自然和谐可持续发展发挥积极作用^{[1, 2]}. 20世纪70年代，美国最先构建了污染标准指数(pollution standards index，PSI)，将多个污染物的信息整合在一个指标体系中，通过发布污染标准指数，指导人们的日常生活行为^[3]. 随后，世界各国基于各自的空气质量状况陆续建立了适合本国特色的空气质量指数发布系统，如中国的API (air pollution index )和AQI(air quality index)，美国的PSI和AQI，英国的每日空气质量指数(daily air quality index，DAQI)，澳大利亚的区域污染指数(regional pollution index，RPI)及澳大利亚新南威尔士州的区域环境空气质量指数(regional air quality index，RAQI)等^[4].

目前，空气污染成为中国政府部门和普通老百姓关注的热点，很多学者对中国环境空气质量评价进行了相关研究，并提出了目前存在的问题和改进建议^{[5, 6, 7]}，但深入开展中国和美国等发达国家空气质量指数间的对比研究尚不多见；在可吸入颗粒物为主要污染因子的情景下，有关PM_2.5在PM₁₀中所占的比例已有大量研究^{[8, 9, 10, 11, 12]}，但大部分是针对中国各城市不同季节、区域和污染源场合等空气污染情景下分析PM_2.5和PM₁₀浓度的比值关系，缺乏对AQI标准中设定的PM_2.5和PM₁₀浓度限值的合理性研究. 本研究旨在通过文献调研和实时空气质量监测数据的分析，对中国和美国的空气质量指数(AQI)计算方法进行深入的比较分析，对中国目前AQI的现状和存在问题进行剖析，以期为未来中国AQI的修订提出意见和建议. 1 资料与方法 1.1 资料

空气污染数据： 本研究所用的空气污染数据均来自中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台(http：//113.108.142.147： 20035/emcpublish/)发布的奥体中心监测站逐小时和日平均的AQI和各类污染物(SO₂、NO₂、PM_2.5、PM₁₀、O₃、CO等)的数据，数据期间为2013年4月18日至2013年12月31日.

中美AQI标准和技术规定： 中国空气质量标准来自国家环境保护部发布的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)、《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)(下称《规定》)；美国标准来自美国环境保护署(EPA)官网(http： //www.epa.gov/)发布的一系列标准和技术规范，包括《每日空气质量报告技术帮助文档——空气质量指数(AQI)》、《环境空气质量标准(NAAQS)》、《空气质量指数(AQI)》等. 1.2 方法

本研究首先使用了文献对比分析法，通过文献收集，整理中国和美国空气质量指数及信息发布的发展历程，深入分析和比较中美两国AQI相关工作的最新进展，并对其评价指标、污染物项目分级浓度限值进行对比分析；然后基于环境保护部发布的《规定》给出的空气质量分指数(IAQI)和AQI计算方法，对环境监测总站在2013年4月18日至2013年12月31日期间发布的AQI和各类污染物数据进行统计分析，并选取典型空气污染过程，剖析典型大气污染过程颗粒物的特征.

AQI的计算步骤： ① 对照《规定》表 1中的分级浓度限值分别计算IAQIp，见式(1)；② 依据公式(1)计算各污染物的IAQIp，并根据公式(2)选择IAQIp的最大值确定为AQI；③ 确定空气质量级别、类别及表示颜色、影响与建议措施.

表 1(Table 1)

表 1 中美空气质量指数发展历程 Table 1 Development of air quality index in China and America 国家 指数名称 年份 指标数量 污染物项目及取值时间 24 h平均 1 h平均 8 h平均 API 1997-1999 3 SO2,NOx,TSP 中国[4, 15] API 2000-2011 5 SO2,NO2,PM10 CO,O3 AQI 2012至今 10 SO2,NO2,CO,PM10,PM2.5 SO2,NO2,CO,O3 O3 PSI 1971-1993 5 SO2,TSP O3,NO2 CO 美国[16, 17, 18, 19] PSI 1994-1998 5 SO2,PM10 O3,NO2 CO AQI 1999-2010 7 SO2,PM10,PM2.5 O3,NO2 CO,O3 AQI 2011至今 8 SO2,PM10,PM2.5 O3,SO2,NO2 CO,O3

表 1 中美空气质量指数发展历程 Table 1 Development of air quality index in China and America

(1) IAQI计算方法

(2) AQI计算方法

美国是世界上最早使用污染指数综合表征空气质量的国家，美国环境保护署(EPA)先后发布了PSI和AQI，该指数能够向公众提供及时、准确、易于理解的城市地区空气质量状况，同时可以用来进行环境现状评价、回顾性评价和趋势评价，在国际上有很大的影响力，在世界范围内也得到了广泛的应用^[13]. 中国早在1997就引进了空气污染指数这一概念，最初的污染物仅有3个，即SO₂、NO_x和TSP，随着研究的深入和人们环境保护意识的提高，空气质量指数日益受到重视. 表 1给出了中美两国空气质量指数的发展历程，从中可以看出，近十几年来，美国不断对其空气质量指数进行更新，其AQI污染物项目和发布时段都发生了很大的变化^[4]. 相比较而言，中国1982年颁布实施并于1996年修订且在2000年修改的国家环境空气质量标准(GB 3095-1996)，在2012年2月29日国家环保部发布《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)^[14]和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)^[15]后废止.

由表 1可见： ① 中美两国空气质量指数的指标均呈不断增长趋势，中国环境空气质量标准制定得相对较晚，但发展很快；② 从美国AQI污染物项目及取值时间发展历程可以看出，美国从一开始就确定了NO₂、CO 和O₃等气态污染物浓度限值及取值时间，相比较而言，中国对NO₂、CO、O₃的关注较晚；③ 2012年以后，中国AQI指标在原来的基础上进行了全面的扩充，24 h平均浓度限值中增加了CO 和PM_2.5，1 h平均浓度限值中增加了SO₂和NO₂，8 h平均浓度限值中增加了O₃，指标总量达10个，高于美国，排名世界第一，这也充分体现了中国目前复合性污染的特征. 中国全面扩充后的污染物指标更加能够客观如实地反映中国空气污染特征，贴近市民对空气质量的切身感受，成为目前及以后中国环境空气质量管理和信息发布的主要方式. 2.2 中美AQI计算方法比较分析

AQI的计算是表征一个地区空气质量的关键，对比中美两国AQI的技术规范发现，中美两国AQI计算公式一致[见公式(1)和(2)]，污染物项目的浓度限值则是根据各国的实际情况设定^{[15, 16]}. 中美两国AQI技术规范中SO₂、NO₂、CO有24 h和1 h浓度限值，臭氧8 h和1 h有浓度限值，PM_2.5和PM₁₀只有24 h浓度限值而没有1 h浓度限值，理论上讲，无法计算得到PM_2.5和PM₁₀的1 h分指数，即AQI的实时报发布的污染物IAQI应只包括SO₂、NO₂、CO和O₃的信息. 而在实际发布中，中国和美国分别采用不同的方法计算并发布PM_2.5和PM₁₀的分指数，并在各自空气质量信息实时发布平台实时发布颗粒物的AQI. 2.2.1 美国颗粒物IAQI计算方法分析

为给公众提供颗粒物污染的最新信息，美国空气质量信息发布平台(http： //www.airnow.gov/)利用从全国各地监测点监测到的细颗粒物(PM_2.5)的小时数据生成了颜色分级地图，并给出其空气质量指数. 为了生成颗粒物的颜色分级地图，美国采用临近预报法(NowCast)计算颗粒物AQI值. NowCast算法步骤如下(表 2)： ① 利用最近12 h监测到的PM_2.5的小时浓度值，计算出其极差；② 利用极差算出一个变化率，根据变化率得出表征污染贡献的权重值；③ 利用该权重值和颗粒物浓度计算出PM_2.5空气质量分指数. 该算法能够快速响应变化的空气质量状况，比如火灾期间 的天气状况. 此外，该算法的改进能够在空气质量 差时及时提醒公众注意防范；而空气质量优时，提醒公众可以进行户外运动.

表 2(Table 2)

表 2 美国PM2.5和PM10临近预报(NowCast)计算方法1)Table 2 NowCast method for computing the concentration of PM2.5and PM10in America

表 2 美国PM2.5和PM10临近预报(NowCast)计算方法1)Table 2 NowCast method for computing the concentration of PM2.5and PM10in America

由于目前发布的技术指南中没有明确给出PM_2.5和PM₁₀小时AQI的计算方法，中国环境监测总站网站上规定“颗粒物1 h浓度的AQI的分级浓度限值参照24 h浓度的AQI分级浓度限值”. 通过对2013年4月18日至2013年12月31日期间北京奥体中心监测站的数据分析，选取AQI技术规范表 1^[15]中PM_2.5和PM₁₀的24 h浓度限值计算颗粒物AQI值，考虑到目前多数情况下北京地区空气污染的首要污染物是PM_2.5^[20]，本研究仅计算了PM_2.5 IAQI分指数并进行对比分析. 这里所说的一致性主要是指基于环境监测总站发布的污染物监测数据，利用公式(1)计算得到的PM_2.5空气质量分指数与网上发布的AQI的一致程度. 这一数据可以反映出目前北京的首要污染物还是以PM_2.5为主这一事实.

表 3给出了结果与发布数据的比较以及PM_2.5/PM₁₀比值情况. 可以看出，在重度和严重污染的情况下，计算与发布的一致性达100%，说明北京奥体中心严重污染和重度污染情况下首要污染物是PM_2.5；在天气状况为良、轻度污染和中度的污染时一致性分别为68.3%、96.3%和98.6%，在轻度污染和中度污染情况下，北京奥体中心仍有95%以上的情况以PM_2.5为首要污染物，在良好天气情况下还有68%的情形是以PM_2.5为首要污染物；在优的情况下没有污染物作为首要污染物，故不计算AQI分指数进行一致性分析. 从这些数据分析可以看出，目前北京奥体中心首要污染物为PM_2.5. 表 3中同时还给出了不同等级天气情况下PM_2.5/PM₁₀的值，可见在不同污染等级下PM_2.5在PM₁₀中所占的比例是不一样的，在严重和重度污染情况下，由于PM_2.5主要来自于二次污染物，导致PM_2.5占PM₁₀的比例高达90%以上，而在空气质量为优的情况下，PM_2.5仅占PM₁₀的46%.

表 3(Table 3)

表 3 2013-04-18-2013-12-31 PM2.5AQI分指数一致性分析与PM2.5与PM10的比值 Table 3 Consistent analysis of Individual AQI of PM2.5 and the ratio of PM2.5 to PM10 from 2013-04-18 to 2014-12-31 IAQIPM2.5 计算与发布一致性 PM2.5/PM10 时次 一致性/% 比值 有效时次 0- 50 1699 —0.46 1449 51-100 1365 68.3 0.63 1063 101-150 879 96.3 0.75 714 151-200 469 98.6 0.81 337 201-300 626 100 0.86 500 301-400 176 100 0.91 143 401-500 19 100 0.92 13

表 3 2013-04-18-2013-12-31 PM2.5AQI分指数一致性分析与PM2.5与PM10的比值 Table 3 Consistent analysis of Individual AQI of PM2.5 and the ratio of PM2.5 to PM10 from 2013-04-18 to 2014-12-31

为了探讨中国实时报中用24 h平均替代小时平均计算PM₁₀和PM_2.5空气质量分指数可能会带来的误差，本研究利用《规定》中SO₂、NO₂和CO的24 h平均浓度限值代替1 h平均浓度限值，分别计算IAQI_SO2、IAQI_NO2、IAQI_CO. 对比分析各污染物IAQI可能产生的误差(表 4)，从表 4可以看出： 3种污染物污染等级会向严重方向偏移，即日均值替代小时值会导致报告的指数偏高. 因此，可以推断出，中国实时报发布的PM₁₀和PM_2.5空气质量指数采用24 h平均值代替1 h值计算，AQI污染等级会向严重化方向偏移. 因此，建议中国及时修订和调整PM_2.5和PM₁₀实时报的计算方法，向公众实时发布科学合理的天气污染情况信息.

表 4(Table 4)

表 4 SO2、NO2、CO 日均值代替小时均值计算结果 Table 4 Calculation results of using 24 hours breakpoints to replace 1 hour breakpoints of SO2,NO2,CO 指数等级 级别 SO2 NO2 CO 小时均值 日均值 小时均值 日均值 小时均值 日均值 0-50 优 4889 4410 4358 1278 4904 4362 51-100 良 4 479 450 2337 74 603 101-150 轻度污染 4 1 1153 1 114 151-200 中度污染 1 201-300 重度污染 301-400 401-500 严重污染

表 4 SO2、NO2、CO 日均值代替小时均值计算结果 Table 4 Calculation results of using 24 hours breakpoints to replace 1 hour breakpoints of SO2,NO2,CO

由上述分析可见，在颗粒物成为首要污染物的情况下，颗粒物浓度限值是决定空气质量指数(AQI)是否能客观反映实际的污染状况的关键因素. 美国颗粒物的分级浓度限值随着空气质量标准的修订和相关健康风险评价以及美国空气质量实际情况的研究成果而不断更新且越来越严格^{[21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}. 与美国相比，中国颗粒物监测起步较晚，在制定空气质量指标和AQI技术规范时，PM₁₀和PM_2.5分级浓度限值设定上主要参考的是美国的标准^[4]. 对比当前中美两国PM₁₀和PM_2.5浓度限值，图 1给出了中美PM_2.5和PM₁₀的分级浓度限值，可以看出，中国PM₁₀分级浓度限值与美国的分级完全一致；而在IAQI<200时，中国PM_2.5的分级浓度限值松于美国，但在IAQI>200的高浓度限值区域，中国与美国PM_2.5的分级浓度限值完全一致. 由此可见，中美PM_2.5的分级浓度限值的差别只是在IAQI小于200的情况下，即优、良、轻度和中度污染4种情况.

图 1

Fig. 1

图 1 中美PM10和PM2.5 AQI分级浓度限值比较 Fig. 1 Comparison of PM10 and PM 2.5 breakpoints between China and America

表 5给出的是中美两国AQI计算时使用的浓度限值及PM_2.5/PM₁₀的比值情况，从中可以看出，当AQI<50时，即空气质量为优时，美国PM_2.5/PM₁₀浓度限值在1999、2006和2012年3个阶段PM_2.5/PM₁₀的比值分别为0.30、0.29和0.22，呈递减趋势，反映出美国空气质量改善的实际；而中国PM_2.5/PM₁₀浓度限值的比值为高达0.7，是美国的2-3倍；当AQI<200时，中国PM_2.5/PM₁₀的比值范围为0.43-0.7，而美国1999、2006和2012年PM_2.5/PM₁₀的比值范围分别为0.30-0.43、0.29-0.42、0.22-0.42；AQI>200时，中国和美国不同年份的PM_2.5/PM₁₀的比值一致. 由此可见，AQI<50时，中国的PM_2.5/PM₁₀浓度限值设置与实际情况存在较大的差异. 如上文所述，在空气质量为优的情况下，北京奥体中心监测数据显示PM_2.5/PM₁₀为0.46，远远小于《规范》中的0.70；AQI<200时，美国PM_2.5/PM₁₀比值越来越严格，而中国PM_2.5的分级浓度限值松于美国. 综上所述，中国目前的颗粒物分级浓度限值存在一定的修改空间，尚不能够有效地反映我国当前颗粒物污染实际水平，也满足不了环境管理的需求，急需开展相关的研究并对《规范》进行修改和完善，结合中国大气污染的特征完善颗粒物AQI计算方法.

表 5(Table 5)

表 5 中美PM2.5/PM10浓度限值比值对比情况 /μg ·m-3Table 5 Comparison of ratios of PM2.5 to PM10 breakpoints in China and America/μg ·m-3 AQI 中国[15]2012年至今 美国[17, 18, 19] 1999年 2006年 2012年 PM10 PM2.5 PM2.5/PM10 PM10 PM2.5 PM2.5/PM10 PM10 PM2.5 PM2.5/PM10 PM10 PM2.5 PM2.5/PM10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 50 35 0.70 50 15 0.30 54 15.4 0.29 54 12 0.22 100 150 75 0.50 150 65 0.43 154 40.4 0.26 154 35.4 0.23 150 250 115 0.46 250 100 0.40 254 65.4 0.26 254 55.4 0.22 200 350 150 0.43 350 150 0.43 354 150.4 0.42 354 150.4 0.42 300 420 250 0.60 420 250 0.60 424 250.4 0.59 424 250.4 0.59 400 500 350 0.70 500 350 0.70 504 350.4 0.70 504 350.4 0.70 500 600 500 0.83 600 500 0.83 604 500.4 0.83 604 500.4 0.83

表 5 中美PM2.5/PM10浓度限值比值对比情况 /μg ·m-3 Table 5 Comparison of ratios of PM2.5 to PM10 breakpoints in China and America/μg ·m-3

为了进一步阐述在不同空气质量情况下PM_2.5在PM₁₀中的比例，分别选取2013年4月和8月北京两次典型污染过程，详细分析不同污染等级下PM_2.5与PM₁₀的比值(表 6)，从表 6可以看出，4月18日和25日以及8月9日和18日，北京奥体中心空气质量为优，对应的PM_2.5/PM₁₀值分别为0.32、0.33、0.48、0.43，均小于0.5，这一结果与前文所述一致；4月22日和23日及8月11日空气质量为重度污染，PM_2.5/PM₁₀的比值均超过0.80；良的情况下PM_2.5/PM₁₀的比值变化范围较广. 总之，在空气质量为优的情况下PM_2.5在PM₁₀中所占的比例一般小于0.5；随着空气污染程度的加重，PM_2.5在PM₁₀中所占比例也随之升高；重度污染时，甚至可超过0.90，说明PM_2.5是PM₁₀中的主要成分.

表 6(Table 6)

表 6 北京典型污染日 PM2.5/PM10浓度比值Table 6 Ratio of PM2.5/PM10 breakpoints in typical pollution days of Beijing 典型过程 监测时间 发布的AQI AQI类别 PM2.5/μg·m-3 PM10/μg·m-3 PM2.5/PM10 2013-04-18 38 优 11.09 41.77 0.32 2013-04-19 78 良 52.67 89.63 0.64 2013-04-20 93 良 69.42 86.32 0.83 2013-04-21 170 中度 129.00 161.57 0.81 2013-04-22 209 重度 164.20 174.05 0.94 4月 2013-04-23 228 重度 180.26 199.11 0.92 2013-04-24 138 轻度 91.96 124.35 0.52 2013-04-25 38 优 11.79 38.67 0.33 2013-04-26 96 良 64.82 138.12 0.50 2013-04-27 97 良 65.65 130.52 0.51 2013-04-28 102 轻度 71.42 118.54 0.58 2013-04-29 53 良 14.82 62.12 0.27 2013-08-09 44 优 20.50 43.75 0.48 2013-08-10 139 轻度 99.56 157.38 0.60 2013-08-11 204 重度 163.73 198.00 0.84 2013-08-12 69 良 49.36 59.91 0.84 8月 2013-08-13 114 轻度 85.88 101.94 0.88 2013-08-14 93 良 66.75 90.00 0.73 2013-08-15 158 中度 120.75 144.48 0.87 2013-08-16 166 中度 127.25 176.37 0.81 2013-08-17 74 良 43.71 67.95 0.45 2013-08-18 39 优 12.21 35.14 0.43

表 6 北京典型污染日 PM2.5/PM10浓度比值 Table 6 Ratio of PM2.5/PM10 breakpoints in typical pollution days of Beijing

通过上述案例分析发现，我国现行空气质量指数标准在AQI<200时的颗粒物的分级浓度限值的设置上与实际情况有较大的差异. 特别是在空气质量指数为优(AQI<50)时，标准中的PM_2.5/PM₁₀高达70%，这与实际情况存在严重不符，不能客观地反映我国空气污染的真实状况. 建议中国及时修正和调整颗粒物实时报的计算方法；重新科学合理地确定PM_2.5和PM₁₀分级浓度限值. 4 结论

(1)中美AQI计算公式一致，AQI标准分级、污染物项目、平均时间和浓度限值等依据各自环境空气质量标准而制定；在PM_2.5和PM₁₀空气质量分指数计算中，美国采用NowCast计算方法，该算法能够快速响应变化的空气质量状况；中国采用颗粒物24 h平均值代替1 h平均值计算PM_2.5和PM₁₀的空气质量分指数的做法会将污染等级严重化.

(2)中国颗粒物浓度限值存在一定的问题，主要表现在AQI<200时的中国PM_2.5 24 h平均浓度限值评定标准较宽松，由此导致PM_2.5/PM₁₀比值出现与实际不符的现象；在空气质量优的情况下，即当AQI=50时，PM_2.5/PM₁₀比值为0.7，与实际情况不相符.

(3)北京奥体中心监测点数据分析结果表明，AQI<50时，PM_2.5/PM₁₀比值小于0.5，且PM_2.5/PM₁₀的比值随着污染指数的增大而增大. 建议中国尽早修订和调整颗粒物实时报的浓度限值并完善其计算方法.