相信在大城市生活的各位经常会有这样的经历:城市笼罩在灰雾之中,鼻子灵敏的朋友已经咳个不停,但官方宣称空气污染指数仍然停留在“良好”级别。之所以会出现这种现象,未必是因为有关部门有意“修改”了数据,但却主要是因为他们尚未将非常重要的一种污染物——细颗粒物、或称可入肺污染物及PM2.5——纳入监测体系造成的。细颗粒物()是一种对环境和健康有严重影响的物质,而我国是世界上细颗粒物污染最严重的国家。网易探索频道对这个问题有一篇写的简明扼要的导读:《“空气污染指数”为何不准》

  为了让大家对空气污染程度有更直观的参考,我特别制作了这个网页,根据当天中央气象台公布的全国各主要城市的空气质量日报,计算出考虑细颗粒物(PM2.5)以后的空气污染指数估计值。数值背景的颜色分别是香港和美国的空气污染等级。本网页在每天下午6时自动更新。如果各位对这个网页背后的技术问题有兴趣的话,可以参考附在表格后面的说明。

日经细颗粒物改正的主要城市空气质量报告

城市

官方报告值

适用于中国内地、香港标准

经细颗粒物改正后的估计值

适用于美国、加拿大标准

世界卫生组织

空气质量

准则范围

日均

年均

日均

年均

B 北海

B 北京

C 长春

C 长沙

C 成都

C 重庆

D 大连

F 福州

G 广州

G 桂林

G 贵阳

H 海口

H 杭州

H 哈尔滨

H 合肥

H 呼和浩特

J 济南

K 昆明

L 兰州

L 拉萨

L 连云港

N 南昌

N 南京

N 南宁

N 南通

N 宁波

Q 青岛

Q 秦皇岛

S 上海

S 汕头

S 沈阳

S 深圳

S 石家庄

S 苏州

T 太原

T 天津

U 乌鲁木齐

W 温州

W 武汉

X 厦门

X 西安

X 西宁

Y 烟台

Y 银川

Z 湛江

Z 郑州

Z 珠海

注1. 在计算改正空气污染指数时,我们假设可吸入颗粒物(PM10)是主要污染物来源。不过对于国内城市来说,这一假设大多数时候都是成立的。
注2. “官方报告值”的背景色使用香港标准,内地标准的评定值已经在中央气象台公布的空气质量日报中给出;“估计值”的背景色使用美国标准。

中国内地和香港的空气污染标准(适用于官方报告值)

美国和加拿大的空气污染标准(适用于经细颗粒物改正后的估计值)

世界卫生组织对年均颗粒物空气质量准则的制定基础
可吸入颗粒物(PM10)污染指数 细颗粒物(PM2.5)污染指数 死亡风险增加(较准则值)
准则值 20 33 0%
过渡时期目标-3 30 50 ~3%
过渡时期目标-2 50 70 ~9%
过渡时期目标-1 60 90 ~15%

以上资料引自世界卫生组织《关于颗粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空气质量准则(2005年版)》

空气污染指数是如何计算出来的?

  空气污染指数(Air Pollution Index, API)是为了方便公众对污染情况有个直观的认识,根据污染物的浓度计算出来的。一般而言,监控部门会监测数种污染物,并选取其中指数最大者为最终的空气污染指数。在我国,监控的污染物有可吸入颗粒物(PM10)、臭氧、二氧化氮、二氧化硫等。

  对于不同的空气污染指数分级,会有不同的限值。比如,对于可吸入颗粒物(PM10)而言,有如下限值:

API 50 100 200 300 400 500
PM10浓度
(μg/m3)
50 150 350 420 500 600

  然后可以根据下式算出PM10所对应的空气污染指数:
I=fracI_high-I_low}C_high-C_low}(C-C_low)+I_low
  其中
I是PM10所对应的空气污染指数;
C是PM10的浓度;
ChighClow是表中最贴近C的两个值;
IhighIlow是表中最贴近I的两个值。
  比如说,若此时PM10的污染物浓度为100μg/m3,则根据上式可以算得I=frac100-50150-50(100-50)+50=75,即此时PM10的空气污染指数为75。如果在所监测的几种空气污染物中,PM10的空气污染指数最高,那此时的空气污染指数就是75。

  对于细颗粒物,不同污染指数对应的限值如下:

API 50 100 150 200 300 400 500
PM2.5浓度
(μg/m3)
15 40 65 150 250 350 500
可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)有何不同?为何要给出经细颗粒物改正的空气污染指数估计?

  可吸入颗粒物(PM10)指直径小于10微米的颗粒物;细颗粒物(PM2.5)指直径小于2.5微米的颗粒物,又称气溶胶或可入肺颗粒物。对于大城市而言,细颗粒物产生的主要来源是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物,大多含有重金属等有毒物质,而且不易被人体排出。

  根据Donkelaar等人2010年发表的研究结果(Donkelaar et al., 2010, doi:10.1289/ehp.0901623,或参见NASA的新闻稿),我国是世界上细颗粒物污染最严重的国家;最近十几年来许多国内外研究成果也证实,国内大城市的细颗粒物严重超标。但由于种种原因,我国至今还没有将细颗粒物纳入监测体系,这也是大家经常抱怨“空气污染指数不准”的原因。我希望,通过公布经细颗粒物改正的空气污染指数估计,可以让大家对身边的空气污染程度有一个更直观的了解。

既然有关部门没有将细颗粒物(PM2.5)纳入监测体系,你是如何对包含细颗粒物的空气污染指数进行估计的?

  对于大多数城市内地来说,可吸入颗粒物(PM10)在多数情况下都是主要污染物,而可吸入颗粒物和细颗粒物(PM2.5)有着很密切的关系(简单地说,和大苹果和小苹果的关系一样)。许多研究表明,发达国家城市的细颗粒物与可吸入颗粒物之比在0.5-0.8之间(中国内地城市的测定数值列如下表),因此,只要通过空气污染指数反推出可吸入颗粒物的浓度,再乘上这个比值,便可得到细颗粒物(PM2.5)浓度的估计值。本页面的改正估计值,就是根据细颗粒物与可吸入颗粒物的比值为0.5-0.8这个结果推算出来的。不过,用于计算空气污染指数的细颗粒物的限值和可吸入颗粒物是不一样的。这里我使用的是美国环境保护局的标准,具体数值可查询他们的技术文档

数据出处 城市/观测年份 细颗粒物与可吸入颗粒物之比
Wei et al., 1999, Environ. Sci. Technol., 33, 4188 重庆/1997 0.651
Wei et al., 1999, Environ. Sci. Technol., 33, 4188 武汉/1997 0.605
Wei et al., 1999, Environ. Sci. Technol., 33, 4188 兰州/1997 0.519
Wei et al., 1999, Environ. Sci. Technol., 33, 4188 西安/1997 0.604
He et al., 2001, Atmos. Environ., 35, 4959 北京/1999-2000 0.640
Cao et al., 2003, Atmos. Environ., 37, 1451 广州/2001 0.679
Cao et al., 2003, Atmos. Environ., 37, 1451 深圳/2001 0.733
Cao et al., 2003, Atmos. Environ., 37, 1451 珠海/2001 0.708
Wang et al., 2006, EM&A, 119, 425 广州/2004 0.680
Gu et al., 2010, AAQR, 10, 167 天津/2008 0.579

  另外,细颗粒物和可吸入颗粒物的比值是会变化的。以天津为例,这一比值可以在0.215-0.932之间变化(Gu et al., 2010, AAQR, 10, 167),因此在任一时刻,估计值可能和实际情况有出入。但从长期来说,应该是比较准确的。

我所在的城市一般的空气污染水平是怎样的?

  以下是我根据环境保护部发布的《2009年环境保护重点城市环境空气质量状况》(公告2010年第34号)制作的表格,包括内地113座环境保护重点城市的年均空气质量情况。按照环境保护部发布的可吸入颗粒物年均值以及PM2.5/PM10在0.5至0.8之间的区间,我还计算出细颗粒物的范围,以及按照世界卫生组织空气质量准则的评定结果。

城市

可吸入颗粒物
年均污染指数
(官方报告值)

经细颗粒物改正
的年均污染指数
(估计值)

世界卫生组织
年均准则值
量度结果

可满足的
世界卫生组织
空气污染控制目标

A 鞍山

81

131-164

超标6-9倍

A 安阳

74

117-158

超标5-8倍

B 保定

69

107-153

超标4-7倍

B 宝鸡

69

107-153

超标4-7倍

B 包头

79

127-162

超标5-9倍

B 北海

52

73-105

超标3-4倍

过渡时期目标-1

B 北京

86

141-169

超标6-9倍

B 本溪

70

109-154

超标5-7倍

C 长春

68

105-152

超标4-7倍

C 常德

73

115-1457

超标5-8倍

C 长沙

71

111-155

超标5-7倍

C 长治

63

95-141

超标4-6倍

C 常州

69

107-153

超标4-7倍

C 成都

80

129-163

超标6-9倍

C 赤峰

70

109-154

超标5-7倍

C 重庆

78

125-161

超标5-8倍

D 大连

59

87-128

超标3-5倍

过渡时期目标-1

D 大庆

49

68-97

超标2-4倍

过渡时期目标-2

D 大同

64

97-144

超标4-6倍

F 佛山

58

85-125

超标3-5倍

过渡时期目标-1

F 抚顺

75

119-159

超标5-8倍

F 福州

58

85-125

超标3-5倍

过渡时期目标-1

G 广州

60

89-131

超标4-6倍

过渡时期目标-1

G 桂林

49

68-97

超标2-4倍

过渡时期目标-2

G 贵阳

62

93-137

超标4-6倍

H 海口

38

57-80

超标2-3倍

过渡时期目标-2

H 邯郸

76

121-159

超标5-8倍

H 杭州

74

117-158

超标5-8倍

H 哈尔滨

76

121-159

超标5-8倍

H 合肥

81

131-164

超标6-9倍

H 呼和浩特

62

95-141

超标4-6倍

H 湖州

68

105-152

超标4-7倍

J 嘉兴

72

113-156

超标5-7倍

J 吉林

73

115-157

超标5-8倍

J 济南

87

143-170

超标6-10倍

J 焦作

65

99-147

超标4-6倍

J 金昌

69

107-153

超标4-7倍

J 济宁

81

131-164

超标6-9倍

J 九江

55

79-115

超标3-5倍

过渡时期目标-1

J 荆州

66

101-150

超标4-6倍

J 锦州

69

107-153

超标4-7倍

K 开封

73

115-157

超标5-8倍

K 克拉玛依

53

75-109

超标3-4倍

过渡时期目标-1

K 昆明

59

87-128

超标3-5倍

过渡时期目标-1

L 兰州

100

156-182

超标8-12倍

L 拉萨

49

68-97

超标2-4倍

过渡时期目标-2

L 连云港

71

111-155

超标5-7倍

L 临汾

68

105-152

超标4-7倍

L 柳州

53

75-109

超标3-4倍

过渡时期目标-1

L 洛阳

74

117-158

超标5-8倍

L 泸州

61

91-134

超标4-6倍

M 马鞍山

64

97-144

超标4-6倍

M 绵阳

62

93-137

超标4-6倍

M 牡丹江

58

85-125

超标3-5倍

过渡时期目标-1

N 南昌

65

99-147

超标4-6倍

N 南京

75

119-159

超标5-8倍

N 南宁

50

69-99

超标3-4倍

过渡时期目标-2

N 南通

64

97-144

超标4-6倍

N 宁波

68

105-152

超标4-7倍

P 攀枝花

76

121-159

超标5-8倍

P 平顶山

74

117-158

超标5-8倍

Q 青岛

74

117-158

超标5-8倍

Q 秦皇岛

59

87-128

超标3-5倍

过渡时期目标-1

Q 齐齐哈尔

63

95-141

超标4-6倍

Q 泉州

54

77-112

超标3-5倍

过渡时期目标-1

Q 曲靖

65

99-147

超标4-6倍

R 日照

68

105-152

超标4-7倍

S 三亚

27

44-62

略微超标

过渡时期目标-3

S 上海

66

101-150

超标4-6倍

S 汕头

54

77-112

超标3-5倍

过渡时期目标-1

S 韶关

56

81-118

超标3-5倍

过渡时期目标-1

S 绍兴

75

119-159

超标5-8倍

S 沈阳

80

129-163

超标6-9倍

S 深圳

54

77-112

超标3-5倍

过渡时期目标-1

S 石家庄

77

123-160

超标5-8倍

S 石嘴山

69

107-153

超标4-7倍

S 苏州

70

109-154

超标4-7倍

T 泰安

73

115-157

超标5-8倍

T 太原

78

125-161

超标5-8倍

T 台州

64

97-144

超标4-6倍

T 唐山

64

97-144

超标4-6倍

T 天津

75

119-159

超标5-8倍

T 铜川

60

89-131

超标3-6倍

过渡时期目标-1

U 乌鲁木齐

95

153-177

超标7-11倍

W 潍坊

77

123-160

超标5-8倍

W 威海

58

85-125

超标3-5倍

过渡时期目标-1

W 温州

64

97-144

超标4-6倍

W 武汉

78

125-161

超标5-8倍

W 芜湖

61

91-134

超标4-6倍

W 无锡

67

103-151

超标4-7倍

X 西安

82

133-165

超标6-9倍

X 厦门

55

79-115

超标3-5倍

过渡时期目标-1

X 湘潭

74

117-158

超标5-8倍

X 咸阳

73

115-157

超标5-8倍

X 西宁

97

154-179

超标7-12倍

X 徐州

79

127-162

超标5-9倍

Y 延安

69

107-153

超标4-7倍

Y 阳泉

61

91-134

超标4-6倍

Y 扬州

68

105-152

超标4-7倍

Y 烟台

66

101-150

超标4-7倍

Y 宜宾

61

91-134

超标4-6倍

Y 宜昌

68

105-152

超标4-7倍

Y 银川

70

109-154

超标5-7倍

Y 岳阳

77

123-160

超标5-8倍

Z 枣庄

95

153-177

超标7-11倍

Z 张家界

59

87-128

超标3-5倍

过渡时期目标-1

Z 湛江

43

62-88

超标2-3倍

过渡时期目标-2

Z 郑州

75

119-159

超标5-8倍

Z 中山

51

71-102

超标3-4倍

过渡时期目标-1

Z 珠海

48

67-96

超标2-4倍

过渡时期目标-2

Z 株洲

76

121-159

超标5-8倍

Z 淄博

71

111-155

超标5-7倍

Z 遵义

70

109-154

超标5-7倍

  我们可以注意到,这113座城市没有一座能达到世界卫生组织的空气质量准则值,也就是细颗粒物年均浓度低于10μg/m3。在这113座城市中,空气质量最好的是海南省三亚市,其细颗粒物年均浓度估计在13.5-21.6μg/m3之间,它也是我国内地唯一一座能达到世界卫生组织除准则外最苛刻的标准(过渡时期目标-3)的城市。大庆等7座城市可满足过渡时期目标-2,而北海等20座城市可满足世界卫生组织的最低标准——过渡时期目标-1。我国污染最重的城市有兰州、西宁和乌鲁木齐,其中兰州的细颗粒物年均浓度估计在75-120μg/m3间,超过世界卫生组织准则值差不多10倍。

拉萨也超标?

  细颗粒物并不一定是由人为排放造成,天然矿物的粉尘也可能满足细颗粒物的定义标准。在卫星记录下的2001-2006年全球细颗粒物分布图上,我们可以看到藏北、中亚以及北非等地有大片的细颗粒物高值区,这些比较可能是天然原因形成的。然而,在人口密集区,过高浓度的细颗粒物几乎可以肯定是由于人为排放的原因造成的。

你的计算结果让人吃惊,不过发达国家也不见得能好得到哪去吧?

  世界卫生组织对准则值的制定,是以总死亡率、心肺疾病的死亡率以及肺癌的死亡率是否增加作为参考依据的。也就是说,当细颗粒物浓度超过年均准则值的时候(即超过10μg/m3时),总死亡率、心肺疾病的死亡率和肺癌的死亡率会显著增加。这一准则值的制定是建立在许多研究的基础上的。这在他们的技术文档里有详尽的说明。

  确实,发达国家并不都能达到这一准则值。根据Donkelaar等人2010年发表的研究结果(Donkelaar et al., 2010, doi:10.1289/ehp.0901623,或参见NASA的新闻稿),美国有差不多1/3的国土超过标准,西欧地区更是几乎全数超标。不过,我们同时也可以注意到,他们超标的幅度相对来说并不大,几乎都在2-3倍之内,不能达到世界卫生组织最初步的过渡时期目标-1的地区很少见。以下我基于Donkelaar等人的结果,给出部分世界主要城市的细颗粒物污染水平估计值。

城市 细颗粒物
年均污染指数
(2001-2006年平均)
世界卫生组织
年均准则值
量度结果
可满足的
世界卫生组织
空气污染控制目标
伦敦 ~70 超标2.5倍 过渡时期目标-2
巴黎 ~70 超标2.5倍 过渡时期目标-2
莫斯科 ~60 超标2倍 过渡时期目标-2
新德里 ~160 超标8倍
北京 ~160 超标8倍
东京 ~80 超标3倍 过渡时期目标-1
悉尼 ~10 达标 符合准则值
温哥华 ~35 略微超标 过渡时期目标-3
纽约 ~59 超标2倍 过渡时期目标-2

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