各國環境空氣質量評價中污染物濃度表示方法比較

潘本鋒，鄭皓皓，王 帥

中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

中國于2012年頒布了《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)[1]，新空氣質量標準規定的污染物基本項目包括6項：SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10，標準規定了上述污染物項目的平均時間、分級標準、濃度限值和單位，新空氣質量標準在客觀評價空氣質量狀況，確保空氣質量評價結果與公眾感受相一致，促進國內大氣污染防治方面發揮了重要作用。世界上大多數國家也都制定了各自的空氣質量標準，其中O3、PM10、PM2.5、CO、SO2、NO2等污染物項目廣泛應用于各國的空氣質量評價和發布，尤其是顆粒物、O3、NO2，是美國、英國、歐盟、韓國、中國、加拿大、澳大利亞等國家和地區共同采用的污染物項目[2-8]。但通過對比各國的空氣質量標準發現，許多國家雖然在評價空氣質量時采用了一部分相同的污染物項目，但各國的污染物濃度表示方法并不完全一致，影響了各個國家之間空氣質量的比較研究，本文對不同國家的空氣污染物濃度表示方法進行了系統地比較研究，并對中國空氣質量標準中空氣污染物濃度的表示方法提出了改進建議。

1 各國污染物濃度表示方法比較

將美國、加拿大、英國、法國、日本、韓國、澳大利亞、中國等國家空氣質量標準[9-15]中部分氣態污染物和顆粒物濃度表示方法進行比較，見表1。

表1 各國空氣質量標準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：“—”表示該國空氣質量標準中無此項污染物。

由表1可見，美國、加拿大、日本、韓國、澳大利亞等國家的空氣質量標準中，對于顆粒態污染物其濃度單位采用質量濃度(μg/m3)，而對于氣態污染物其濃度單位采用體積比濃度(如ppm或ppb)。而中國、英國、法國等國家的空氣質量標準中對顆粒態污染物和氣態污染物濃度單位均采用質量濃度(μg/m3)。

2 中國不同區域城市空氣質量濃度不同表示方法比較

各個國家污染物濃度單位不同，導致國際間相互引用和比較空氣質量監測數據時存在諸多不便，即使采用同樣的濃度單位，也會因為規定的氣體狀態不同使數據缺乏可比性。如美國空氣質量標準中規定的PM2.5濃度為實際狀況下的濃度[16-17]，而中國標準中規定的PM2.5濃度為標準狀況下的濃度[1]。在中國東北、華北、華中、華南、華東、西北、西南七大區域，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，根據各城市、各月平均溫度和大氣壓，將標況濃度換算為實況濃度，并對2種表示結果進行比較。

圖1為北京市PM2.5實況濃度與標況濃度的比較。北京市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標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月實況濃度和標況濃度沒有顯著變化。

圖1 北京市PM2.5實況濃度和標況濃度比較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實況濃度與標況濃度比較。哈爾濱市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標況濃度相比，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月換算為實況濃度后比標況濃度上升了5.4%。

圖2 哈爾濱市PM2.5實況濃度與標況濃度比較Fig.2 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Harbin

圖3為上海市PM2.5實況濃度與標況濃度比較。上海市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標況濃度相比，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實況濃度與標況濃度比較Fig.3 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Shanghai

圖4為鄭州市PM2.5實況濃度與標況濃度比較。鄭州市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標況濃度相比，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實況濃度與標況濃度比較Fig.4 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Zhengzhou

圖5為廣州市PM2.5實況濃度與標況濃度比較。廣州市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標況濃度相比，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實況濃度與標況濃度比較Fig.5 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Guangzhou

圖6為昆明市PM2.5實況濃度與標況濃度比較。昆明市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標況濃度相比，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。和其他地區相比，因昆明市為高原地區，海拔較高，大氣壓較低，故造成實況濃度明顯低于標況濃度。

圖6 昆明市PM2.5實況濃度與標況濃度比較Fig.6 Comparison of the PM2.5 concentration between actual condition and standard condition in Kunming

圖7為蘭州市PM2.5實況濃度與標況濃度比較。蘭州市PM2.5濃度使用實況濃度后，與標況濃度相比，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，同昆明類似，因其海拔較高，大氣壓較低，故導致實況濃度明顯低于標況濃度。

圖7 蘭州市PM2.5實況濃度與標況濃度比較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月平均標況濃度和實況濃度，計算其年均濃度，比較其年均實況濃度和標況濃度之間的差異，結果見圖8。

圖8 不同區域城市PM2.5實況濃度與標況濃度比較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年均濃度使用實況濃度后，與標況濃度相比，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的昆明，下降比例最小的城市為東北地區的哈爾濱。

從各城市每月實況濃度和標況濃度比較可見，夏季實況濃度和標況濃度之間差異較大，冬季差異較小。一般情況下，實況濃度低于標況濃度，但也有例外，如北京市2013年1月，哈爾濱市2013年1、2、12月的實況濃度高于其標況濃度。從不同地區來看，各地區城市實況濃度和標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、西南地區城市實況濃度和標況濃度之間的差異明顯高于全國其他地區。

可見，使用不同的表示方法對于顆粒物濃度數值影響較大。目前，各個國家對顆粒物雖然普遍采用了質量濃度，但有的國家使用實況濃度，有的國家使用標況濃度。前述分析表明，相同污染狀況下分別使用實況濃度和標況濃度時，監測結果差異較大。另外，即使同樣使用了標況濃度，也會因為對標準狀況的定義不同使監測結果之間缺乏可比性。

3 不同污染物濃度表示方法優劣比較

3.1 氣態污染物濃度表示方法

通過各個國家環境空氣中氣態污染物濃度表示方法比較可見，氣態污染物的表示方法主要有2種：一種是體積比濃度(ppm或ppb),其代表國家為美國、加拿大、日本、韓國、澳大利亞等；另一種是質量濃度(μg/m3或mg/m3),其代表國家是英國、法國、中國。目前，各國采用的氣態污染物的監測方法多數為光度法，如SO2的監測方法常用紫外熒光法，NO2的監測方法常用化學發光法，CO的監測方法常用紅外吸收法、O3的監測方法常用紫外光度法。光度法的測量原理為檢測器檢測到的光信號與待測組分的濃度成正比，對于氣體組分來說，這個濃度即為體積比濃度，因此氣態污染物的原始測量結果即為體積比濃度。對于氣態污染物，當使用體積比濃度時，無論壓力、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污染物的污染狀況，但體積比濃度可以與質量濃度互相換算，其換算公式如下：

式中：Cm表示氣態污染物質量濃度，μg/m3；Cv表示氣態污染物體積比濃度，ppb；M表示氣態分子的相對分子質量。

由于美國、日本等國家使用的ppm或ppb均不是中國法定計量單位[18-20]，因此不宜直接作為國內氣態污染物的濃度單位，但使用標準狀況下的質量濃度可以間接反映氣態污染物在環境空氣中的體積比，因為在不同壓力、溫度條件下，雖然氣態污染物在實際狀況下質量濃度發生改變，但其換算為標準狀況下的質量濃度和體積比濃度均保持不變，因此使用標準狀況下的質量濃度能夠客觀反映氣態污染物的污染程度，能夠保證不同地區、不同環境條件下的氣態污染物濃度的可比性。

3.2 顆粒物濃度表示方法

通過各個國家環境空氣中顆粒物濃度表示方法比較可見，顆粒物的表示方法普遍采用質量濃度(μg/m3或mg/m3)。但是各個國家規定的氣體狀態不同，如中國在新的空氣質量標準中明確規定，所有污染物的質量濃度均采用標準狀況下(溫度為273 K，壓力為101.325 kPa)的質量濃度。而美國的標準中規定PM10的質量濃度為標準狀況下(溫度為298 K，壓力為101.325 kPa)的質量濃度，而規定PM2.5的質量濃度為實際狀況下的質量濃度[16-17]。標況濃度可以和實況濃度互相換算，其換算公式如下：

式中：C標表示標準狀態下顆粒物濃度，μg/m3；C實表示實際狀態下顆粒物濃度，μg/m3；P標表示標準狀態下大氣壓，kPa；P實表示實際狀態下大氣壓，kPa；T標表示標準狀態下溫度，K；T實表示實際狀態下溫度，K。

常用的顆粒物測量方法為同時測量顆粒物的絕對質量和采樣體積(實際狀況下的采樣體積)，再據此計算出顆粒物濃度，不涉及由體積換算為質量的過程，所以不需要明確溫度、壓力等環境條件。當氣壓和溫度發生改變時，氣體體積隨之發生改變，但顆粒物的實際質量和體積并不隨之改變，因此使用實際狀況下的質量濃度更能客觀反映顆粒物的污染狀況。

4 結論與建議

1)各國對于氣態污染物濃度的表示方法主要有體積比濃度和質量濃度，對于顆粒物濃度的表示方法則普遍采用質量濃度。

2)對于顆粒物的質量濃度，主要有標況濃度和實況濃度2種表示方法；在中國標況濃度和實況濃度的數值存在較大差異，一般情況下，實況濃度低于標況濃度；夏季兩者差異較大，冬季差異較小；不同區域間，國內西南、西北地區城市顆粒物標況濃度和實況濃度的差異明顯大于其他地區；不同標準狀況定義下的標況濃度之間也存在差異，數據缺乏可比性。

3)對于氣態污染物使用體積比濃度更能客觀反映其實際污染狀況，也可以用統一標準狀況定義下的質量濃度來表示,但對于顆粒物使用實際狀況下的質量濃度則能夠更加客觀反映其污染狀況。

4)建議修訂國內環境空氣質量標準中污染物濃度的表示方法，對于氣態污染物繼續使用標準狀況下的質量濃度來表示；對于顆粒物則改用實際狀況下的質量濃度來表示，以保證中國與其他國家之間監測數據的可比性。

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