空气污染指数模式的改进

作者简介：陶志华(1973-)，男，浙江台州人，工程师。

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空气污染指数模式的改进
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Improvement of Air Pollution Parameter Mode
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陶志华秦浙新韩梁钧
(浙江省台州市环境监测中心站台州318000)


摘要我国目前以空气污染指数API报告各城市的环境空气质量。由于我国各地环境空气质量状况差异很大，该方法在报告城市空气质量时具有较大的片面性，不能综合反应污染状况。本文针对现行的API指数法进行了模式推算和改进，新的计算模式可更客观全面地反映城市空气质量。
关键词空气污染指数（API）空气质量计算模式
AbstractAir pollution inedx(API)is currently used to evaluate ambient 
air quality.By reason of the obvious differences of air pollution in 
some cites in China,the method is so unilateral that we revised the
 modulation of API to make it more objective and more comprehensive.
Key wordsAir Pollution Index(API)Air QualityCalculational Mode

1空气污染指数简介
我国现行的空气污染指数API（Air Pollution Index）计算方法为：根据某一污染物的浓度求得该污染物的API分指数I， 然后在各分指数中选取其中的最大值作为全市的API，即 API=max（ISO2，INO2，IPM10）,再根据表1确定空气质量级别。

表1空气污染指数范围及相应的空气质量级别

空气污染指数API空气质量级别空气质量状况对健康的影响

0~5051~100ⅠⅡ优良可正常活动
101~150151~200Ⅲ1Ⅲ2轻微污染轻度污染易感人群症状有轻度加剧 ，健康人群出现刺激症状。
201~250251~300Ⅳ1Ⅳ2中度污染中度重污染心脏病和肺病患者症状显著加剧，运动耐受力降低，健康人群中普遍出现症状。
301~500Ⅴ重污染健康人运动耐受力降低，有强烈症状，提前出现某些疾病。

2指数模式在实际应用中存在的问题
该指数法在计算中选取API各分指数中的最大值作为API指数，用以反映全市空气质量。由于我国各地环境空气质量状况差异很大，近年来绝大多数城市的首要污染物始终是PM10，这就使得SO2、NO2的监测在空气质量公报中得不到体现。在比较两地空气质量时，由于B市（IPM10=101，ISO2=10，INO2=10，轻微污染）首要污染物的分指数略高于A市（IPM10=100，ISO2=95，INO2=95，良），虽然B市的SO2和NO2两指标远优于A市，但API指数反映的空气质量还是不如A市，这种比较存在着很大的片面性。为了使API指数在反映城市空气质量时更综合全面，有必要对API计算模式进行适当的改进。
3API模式的改进
3.1改进方法
将API指数的计算过程中的各污染分指数按从大到小的顺序设为I1、I2、I3。
设X=I1，Y=(I2+ I3)/2
则X为首要污染物的污染指数；Y为其余污染物的污染指数均值；
我们可将综合污染指数API′表示为X和Y的函数，这样就能兼顾首要污染物和其余污染物的共同影响。在X轴与Y轴的直角坐标平面内，一定的大气污染程度和大气质量可以用坐标系上的一个点P（X、Y）表示。当X和Y愈大时，大气质量愈差，因此API′与X2+Y2 成正比，即：
API′=αX2+Y2
式中：α为比例常数
在X、Y两项指标中，X对空气质量的好坏起较大作用，我们对最大值X加较大的权。设定X的权为XY，Y的权为1，由此可得：
API′=2αX2·XY+Y2XY+1=2αX2-XY+Y2（1）
取F=API′API ，可得  
FYX
=2αYX2-YX+1
=2αYX-122+34（2）
不难发现FYX的图象为一双曲线，在YX=12时达到极值，函数图象如下：
改进API指数计算模式的目的，是为了综合反映各污染物的影响，因此，有必要确定YX的临界
值m。当YX＞m时，可认为除首要污染物外的其余污染物对环境空气质量有较大的贡献率，应适当


增加按首要污染物求得的API指数值；当YX＜m时，可认为由于其余污染物相对于首要污染物对环境影响要小得多，在反映空气质量时，应适当拉低依据首要污染物确定的API指数值；当YX=m时，改进后的指数计算值与现行的API指数值相等，即FYX=1。
在空气质量分级中，Ⅱ级空气API限值为100，为Ⅲ级空气API限值200的12；Ⅰ级空气API的限值为50，也为Ⅱ级空气API限值的12，我们可考虑取m=12；同时参照FYX=2αX2-XY+Y2在YX=12时达到极值这一特征，我们可认为取m=YX=12是较合理的。
当m=12时，由F12=1可知
F12=2αYX-122+34=1
解得α=63
得 α=63代入（1）式得API′=233X2-XY+Y2（3）
得 α=63代入（2）式得FYX=233YX2-YX+1
（4）
由（4）式可知，当12≤YX≤1时，随首YX的增大，FYX也逐渐增大，就是说，非首要污染物的影响增加量在API′计算模式中得到了反映。
当0≤YX≤12时，取FYX在12，1区间的曲线以曲线顶点12，1作中心对称图形，可得FYX在0，12区间的函数式：
FYX=2-233
YX2-YX+1（5）
FYX曲线在［0，1］区间是一平滑曲线，当X =05时不存在拐点。
由FYX=API′API=API′X可得，当0＜XY＜12时，
API′=2X-233X2-XY+Y2（6）
至此，我们得到了改进后的API′计算式，即：
0≤YX＜12时
API′=2X-233X2-XY+Y2

=2X-115X2-XY+Y2
12≤YX≤1时
API′=233X2-XY+Y2

=115X2-XY+Y2（7）
（7）由于FYX=API′API，因此FYX曲线能直观地表示，API′与API的差别，曲线见下图：
 
当12≤YX≤1，非首要污染物在总污染物中占据了一定的比重时， API′＞API；在0≤YX＜12范围内，由于非首要污染物的浓度相对较低，则API′＜API，这样使用API′计算模式就可使空气污染指数表现为以首要污染物为主，所有污染物共同作用的结果。
3.2新旧模式的计算比较
假定某日A地各项污染物的API分指数分别为：IPM10=105，ISO2=90， INO2=75；B地各污染物的API分指数分别为：IPM10=105，ISO2=20， INO2=16。
按现行的API指数计算法可得：APIA=APIB =105
如果按改进后的API'模式计算，则A地API′=111；而B地的 API′=98
API′A=111＞APIA=APIB=105＞API′B=98
3.3改进模式在空气质量周报、日报、预报中的应用
3.3.1API′模式的可操作性
API的改进计算法API′在API的基础上进行计算，增加了Y以及API'的两个计算式，由于计算公式较简便，且城市空气质量周报、日报、预报的数据量较少，API′模式的采用基本不会增加计算工作量。API′计算法在表述空气质量时仍沿用了现行的API分级标准、空气质量级别划分法以及各污染物的分指数计算法，因此具有可操作性，在实际应用、推广中是可行的。
3.3.2API′模式可能带来的差异
新的模式API′与API计算结果的最大差别为233-1×100%=155%，新模式考虑了所有污染物的作用，但不会对按原方法确定的指数值和空气质量级别产生显著的改变。
在API′模式中，首要污染物的报出仍按原方法实施，即在首要污染物分指数大于50时报出。这样就有可能出现当API′小于50，空气质量优时，首要污染物也出现在公报上的情况。据此分析我们能了解到当天首要污染物的污染分指数略高于50，其余污染物的污染分指数远低于50，这正是API′模式的应用给人们带来比原先更多信息量的反映。
4结论
改进后的空气污染指数计算式可表示为：
0≤YX＜12时 API′=2X-115X2-XY+Y2
12≤YX≤1时API′=115X2-XY+Y2

式中：X为首要污染物的污染分指数；
Y为其余污染物的污染分指数平均值。
改进模式在周报、日报、预报中报告空气质量级别和空气质量状况时，仍采用现行的标准。经改进的模式增加了空气质量公报中体现的信息量，能更全面、客观地反映空气质量状况。