潘本鋒，鄭皓皓，王 帥

中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

中國(guó)于2012年頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[1]，新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的污染物基本項(xiàng)目包括6項(xiàng)：SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了上述污染物項(xiàng)目的平均時(shí)間、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、濃度限值和單位，新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在客觀評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量狀況，確?？諝赓|(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與公眾感受相一致，促進(jìn)國(guó)內(nèi)大氣污染防治方面發(fā)揮了重要作用。世界上大多數(shù)國(guó)家也都制定了各自的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中O3、PM10、PM2.5、CO、SO2、NO2等污染物項(xiàng)目廣泛應(yīng)用于各國(guó)的空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)和發(fā)布，尤其是顆粒物、O3、NO2，是美國(guó)、英國(guó)、歐盟、韓國(guó)、中國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)共同采用的污染物項(xiàng)目[2-8]。但通過(guò)對(duì)比各國(guó)的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，許多國(guó)家雖然在評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量時(shí)采用了一部分相同的污染物項(xiàng)目，但各國(guó)的污染物濃度表示方法并不完全一致，影響了各個(gè)國(guó)家之間空氣質(zhì)量的比較研究，本文對(duì)不同國(guó)家的空氣污染物濃度表示方法進(jìn)行了系統(tǒng)地比較研究，并對(duì)中國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中空氣污染物濃度的表示方法提出了改進(jìn)建議。

1 各國(guó)污染物濃度表示方法比較

將美國(guó)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)、日本、韓國(guó)、澳大利亞、中國(guó)等國(guó)家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[9-15]中部分氣態(tài)污染物和顆粒物濃度表示方法進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1 各國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中部分污染物濃度表示方法比較Table 1 Comparison of the unit of some pollutant concentration in the air quality standard among some countries

注：“—”表示該國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)此項(xiàng)污染物。

由表1可見(jiàn)，美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)家的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于顆粒態(tài)污染物其濃度單位采用質(zhì)量濃度(μg/m3)，而對(duì)于氣態(tài)污染物其濃度單位采用體積比濃度(如ppm或ppb)。而中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)顆粒態(tài)污染物和氣態(tài)污染物濃度單位均采用質(zhì)量濃度(μg/m3)。

2 中國(guó)不同區(qū)域城市空氣質(zhì)量濃度不同表示方法比較

各個(gè)國(guó)家污染物濃度單位不同，導(dǎo)致國(guó)際間相互引用和比較空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)存在諸多不便，即使采用同樣的濃度單位，也會(huì)因?yàn)橐?guī)定的氣體狀態(tài)不同使數(shù)據(jù)缺乏可比性。如美國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PM2.5濃度為實(shí)際狀況下的濃度[16-17]，而中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PM2.5濃度為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的濃度[1]。在中國(guó)東北、華北、華中、華南、華東、西北、西南七大區(qū)域，分別選擇哈爾濱、北京、鄭州、廣州、上海、蘭州、昆明作為代表城市，以2013年各城市PM2.5濃度為例，根據(jù)各城市、各月平均溫度和大氣壓，將標(biāo)況濃度換算為實(shí)況濃度，并對(duì)2種表示結(jié)果進(jìn)行比較。

圖1為北京市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度的比較。北京市PM2.5濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比濃度值顯著下降，變化比例為-10.4%～0.3%，下降比例最大的是7月，而在1月實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度沒(méi)有顯著變化。

圖1 北京市PM2.5實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度比較Fig.1 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Beijing

圖2為哈爾濱市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較。哈爾濱市PM2.5濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，1、2、12月濃度上升，其他月濃度下降，濃度值變化比例為-10.6%～5.4%，濃度下降比例最大的是7月，而在1月?lián)Q算為實(shí)況濃度后比標(biāo)況濃度上升了5.4%。

圖2 哈爾濱市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.2 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Harbin

圖3為上海市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較。上海市PM2.5濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-11.2%～-2.4%，下降比例最大的是7月，下降比例最小的是1月。

圖3 上海市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.3 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Shanghai

圖4為鄭州市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較。鄭州市PM2.5濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-11.8%～-1.9%，下降比例最大的是8月，下降比例最小的是1月。

圖4 鄭州市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.4 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Zhengzhou

圖5為廣州市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較。廣州市PM2.5濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-10.0%～-5.0%，下降比例最大的是6月，下降比例最小的是12月。

圖5 廣州市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.5 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Guangzhou

圖6為昆明市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較。昆明市PM2.5濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-26.0%～-22.4%，下降比例最大的是6月，下降比例最小的是12月。和其他地區(qū)相比，因昆明市為高原地區(qū)，海拔較高，大氣壓較低，故造成實(shí)況濃度明顯低于標(biāo)況濃度。

圖6 昆明市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.6 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Kunming

圖7為蘭州市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較。蘭州市PM2.5濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值顯著下降，濃度值變化比例為-22.7%～-14.0%，下降比例最大的是8月，下降比例最小的是1月，同昆明類(lèi)似，因其海拔較高，大氣壓較低，故導(dǎo)致實(shí)況濃度明顯低于標(biāo)況濃度。

圖7 蘭州市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.7 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Lanzhou

分別使用哈爾濱、北京、鄭州、廣州、上海、蘭州、昆明各城市的PM2.5月平均標(biāo)況濃度和實(shí)況濃度，計(jì)算其年均濃度，比較其年均實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度之間的差異，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 不同區(qū)域城市PM2.5實(shí)況濃度與標(biāo)況濃度比較Fig.8 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition among cities from different areas

由圖8可以看出，東北、華北、華中、華南、華東、西北、西南七大區(qū)域的代表城市哈爾濱、北京、鄭州、廣州、上海、蘭州、昆明，其PM2.5年均濃度使用實(shí)況濃度后，與標(biāo)況濃度相比，濃度值普遍下降，濃度值變化比例為-24.4%～-1.0%，下降比例最大的城市為西南地區(qū)的昆明，下降比例最小的城市為東北地區(qū)的哈爾濱。

從各城市每月實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度比較可見(jiàn)，夏季實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度之間差異較大，冬季差異較小。一般情況下，實(shí)況濃度低于標(biāo)況濃度，但也有例外，如北京市2013年1月，哈爾濱市2013年1、2、12月的實(shí)況濃度高于其標(biāo)況濃度。從不同地區(qū)來(lái)看，各地區(qū)城市實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度之間的差異按照從大到小排列為西南>西北>華南>華中>華東>華北>東北，其中西北、西南地區(qū)城市實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度之間的差異明顯高于全國(guó)其他地區(qū)。

可見(jiàn)，使用不同的表示方法對(duì)于顆粒物濃度數(shù)值影響較大。目前，各個(gè)國(guó)家對(duì)顆粒物雖然普遍采用了質(zhì)量濃度，但有的國(guó)家使用實(shí)況濃度，有的國(guó)家使用標(biāo)況濃度。前述分析表明，相同污染狀況下分別使用實(shí)況濃度和標(biāo)況濃度時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果差異較大。另外，即使同樣使用了標(biāo)況濃度，也會(huì)因?yàn)閷?duì)標(biāo)準(zhǔn)狀況的定義不同使監(jiān)測(cè)結(jié)果之間缺乏可比性。

3 不同污染物濃度表示方法優(yōu)劣比較

3.1 氣態(tài)污染物濃度表示方法

通過(guò)各個(gè)國(guó)家環(huán)境空氣中氣態(tài)污染物濃度表示方法比較可見(jiàn)，氣態(tài)污染物的表示方法主要有2種：一種是體積比濃度(ppm或ppb),其代表國(guó)家為美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)、澳大利亞等；另一種是質(zhì)量濃度(μg/m3或mg/m3),其代表國(guó)家是英國(guó)、法國(guó)、中國(guó)。目前，各國(guó)采用的氣態(tài)污染物的監(jiān)測(cè)方法多數(shù)為光度法，如SO2的監(jiān)測(cè)方法常用紫外熒光法，NO2的監(jiān)測(cè)方法常用化學(xué)發(fā)光法，CO的監(jiān)測(cè)方法常用紅外吸收法、O3的監(jiān)測(cè)方法常用紫外光度法。光度法的測(cè)量原理為檢測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào)與待測(cè)組分的濃度成正比，對(duì)于氣體組分來(lái)說(shuō)，這個(gè)濃度即為體積比濃度，因此氣態(tài)污染物的原始測(cè)量結(jié)果即為體積比濃度。對(duì)于氣態(tài)污染物，當(dāng)使用體積比濃度時(shí)，無(wú)論壓力、溫度如何變化，其體積比濃度始終不變，因此使用體積比濃度更能客觀表示氣態(tài)污染物的污染狀況，但體積比濃度可以與質(zhì)量濃度互相換算，其換算公式如下：

式中：Cm表示氣態(tài)污染物質(zhì)量濃度，μg/m3；Cv表示氣態(tài)污染物體積比濃度，ppb；M表示氣態(tài)分子的相對(duì)分子質(zhì)量。

由于美國(guó)、日本等國(guó)家使用的ppm或ppb均不是中國(guó)法定計(jì)量單位[18-20]，因此不宜直接作為國(guó)內(nèi)氣態(tài)污染物的濃度單位，但使用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度可以間接反映氣態(tài)污染物在環(huán)境空氣中的體積比，因?yàn)樵诓煌瑝毫?、溫度條件下，雖然氣態(tài)污染物在實(shí)際狀況下質(zhì)量濃度發(fā)生改變，但其換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度和體積比濃度均保持不變，因此使用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度能夠客觀反映氣態(tài)污染物的污染程度，能夠保證不同地區(qū)、不同環(huán)境條件下的氣態(tài)污染物濃度的可比性。

3.2 顆粒物濃度表示方法

通過(guò)各個(gè)國(guó)家環(huán)境空氣中顆粒物濃度表示方法比較可見(jiàn)，顆粒物的表示方法普遍采用質(zhì)量濃度(μg/m3或mg/m3)。但是各個(gè)國(guó)家規(guī)定的氣體狀態(tài)不同，如中國(guó)在新的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，所有污染物的質(zhì)量濃度均采用標(biāo)準(zhǔn)狀況下(溫度為273 K，壓力為101.325 kPa)的質(zhì)量濃度。而美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定PM10的質(zhì)量濃度為標(biāo)準(zhǔn)狀況下(溫度為298 K，壓力為101.325 kPa)的質(zhì)量濃度，而規(guī)定PM2.5的質(zhì)量濃度為實(shí)際狀況下的質(zhì)量濃度[16-17]。標(biāo)況濃度可以和實(shí)況濃度互相換算，其換算公式如下：

式中：C標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下顆粒物濃度，μg/m3；C實(shí)表示實(shí)際狀態(tài)下顆粒物濃度，μg/m3；P標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓，kPa；P實(shí)表示實(shí)際狀態(tài)下大氣壓，kPa；T標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度，K；T實(shí)表示實(shí)際狀態(tài)下溫度，K。

常用的顆粒物測(cè)量方法為同時(shí)測(cè)量顆粒物的絕對(duì)質(zhì)量和采樣體積(實(shí)際狀況下的采樣體積)，再據(jù)此計(jì)算出顆粒物濃度，不涉及由體積換算為質(zhì)量的過(guò)程，所以不需要明確溫度、壓力等環(huán)境條件。當(dāng)氣壓和溫度發(fā)生改變時(shí)，氣體體積隨之發(fā)生改變，但顆粒物的實(shí)際質(zhì)量和體積并不隨之改變，因此使用實(shí)際狀況下的質(zhì)量濃度更能客觀反映顆粒物的污染狀況。

4 結(jié)論與建議

1)各國(guó)對(duì)于氣態(tài)污染物濃度的表示方法主要有體積比濃度和質(zhì)量濃度，對(duì)于顆粒物濃度的表示方法則普遍采用質(zhì)量濃度。

2)對(duì)于顆粒物的質(zhì)量濃度，主要有標(biāo)況濃度和實(shí)況濃度2種表示方法；在中國(guó)標(biāo)況濃度和實(shí)況濃度的數(shù)值存在較大差異，一般情況下，實(shí)況濃度低于標(biāo)況濃度；夏季兩者差異較大，冬季差異較小；不同區(qū)域間，國(guó)內(nèi)西南、西北地區(qū)城市顆粒物標(biāo)況濃度和實(shí)況濃度的差異明顯大于其他地區(qū)；不同標(biāo)準(zhǔn)狀況定義下的標(biāo)況濃度之間也存在差異，數(shù)據(jù)缺乏可比性。

3)對(duì)于氣態(tài)污染物使用體積比濃度更能客觀反映其實(shí)際污染狀況，也可以用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)狀況定義下的質(zhì)量濃度來(lái)表示,但對(duì)于顆粒物使用實(shí)際狀況下的質(zhì)量濃度則能夠更加客觀反映其污染狀況。

4)建議修訂國(guó)內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中污染物濃度的表示方法，對(duì)于氣態(tài)污染物繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的質(zhì)量濃度來(lái)表示；對(duì)于顆粒物則改用實(shí)際狀況下的質(zhì)量濃度來(lái)表示，以保證中國(guó)與其他國(guó)家之間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可比性。

[1] 環(huán)境保護(hù)部科技標(biāo)準(zhǔn)司.環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3095—2012[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[2] 潘本鋒，李莉娜.環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)計(jì)算方法與分級(jí)方案比較[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，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，王帥，趙熠琳，等.關(guān)于環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的一些思考[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)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] 王帥，杜麗，王瑞斌，等.國(guó)內(nèi)外環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)分析和比較[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，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] 潘本鋒，宮正宇，王帥，等.環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題及建議[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，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] 陳魁，董海燕，郭勝華，等.我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的比較[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)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] 錢(qián)一晨，金晶.典型國(guó)家和國(guó)際環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比研究[J].能源研究與信息，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，車(chē)飛，等.中外環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較[J].環(huán)境科學(xué)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] 馬同森，韓家顯.法定計(jì)量單位在分析化學(xué)領(lǐng)域中的正確應(yīng)用[J].化學(xué)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.法定計(jì)量單位在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，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] 劉春華.環(huán)境監(jiān)測(cè)中常用的法定計(jì)量單位[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，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.