基于《全球空气质量指导值（2021）》的中国环境空气质量评价与启示

2021年9月22日，世界卫生组织（World Health Organization，WHO）发布了《全球空气质量指导值（2021）》（Global Air Quality Guidelines 2021，以下简称“AQG 2021版”）[1]。这是继《全球空气质量指导值（2005）》后，WHO结合近年来全球空气污染影响人群健康的新证据，采用系统方法进行梳理和评估，从避免空气污染对人群健康影响的角度出发提出对空气质量控制的新建议。AQG 2021版发布后，在国际上引起了政府、社会组织和公众的广泛关注。2012年，我国修订发布了《环境空气质量标准》（GB 3095—2012，以下简称“国家标准”），在国家标准制定过程中参考了AQG 2005版[2]，其主要大气污染物浓度的二级标准限值与AQG第一阶段过渡目标相当。随着国家标准的发布，以及《大气污染防治行动计划》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的实施，我国大气环境质量显著改善，空气质量全面达标的城市逐年增加。2020年，我国地级及以上城市中已有202个城市达到现行国家标准，现行国家标准对于已达标城市持续改善空气质量的促进作用将逐步减弱。为了指导我国城市持续改善空气质量，保护人体健康，国家标准的修订工作也将提上日程[3-6]。本文在梳理AQG 2021版主要更新内容的基础上，分析了我国城市的空气污染特征和在全球国家中的位次，以期为推动我国空气质量标准修订和大气环境质量管理提出政策建议。

AQG 2021版在分析主要大气污染物对人体健康的风险基础上，沿用AQG2005版的指标框架，对细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）等六种主要空气污染物给出了空气质量的指导值（AQG），并针对污染物的特点给出了不同的过渡阶段目标值（Interim Targets，IT）。AQG是基于科学研究结果判断的人群暴露于空气污染引致健康风险的空气污染最低浓度值；IT是基于不同空气污染浓度下健康受到影响的风险水平，为制定空气质量管理阶段性目标提供的参考值。对于每一种污染物，AQG 2021版分别考察了人体在长期暴露下和短期暴露下的健康风险，根据人体健康对于不同污染物的反应机制，选择了不同时间尺度的评价指标，最长的时间尺度为年，最短的时间尺度为小时。总体而言，AQG本身反映的是“大气污染物的浓度低到什么程度，才可能对人体健康没有影响”的科学认知，是一个从公共卫生角度出发所提出的概念。

国际流行病学证据和我国空气质量评价结果均表明，在所有大气污染物中，PM2.5和O3是影响人体健康的主要因素。2019年全球疾病负担（Global Burden of Disease，GBD）研究成果显示，我国环境PM2.5暴露造成的过早死亡人数约占全球总数的1/3，O3暴露造成的过早死亡人数约占全球总数的1/4 ①，PM2.5相关过早死亡人数是O3的15倍，其暴露导致的不良影响要显著高于O3。PM2.5暴露的健康风险主要体现在呼吸系统和心血管系统，大量研究结果显示，长期暴露于PM2.5对我国人群的慢性健康影响要远大于短期暴露的急性健康影响[7-9]。对于PM2.5，表征长期暴露的年均浓度指标比表征短期暴露的日均浓度更为重要。基于保护人体健康的核心目标，PM2.5的长期暴露指标仍是当前我国空气质量评价最为重要的指标。

① 数据来源于Institute for Health Metrics and Evaluation (IHME). GBD compare data visualization[DB/OL]. http://vizhub.healthdata.org/gbd-compare. 其中，筛选条件为Location—中国、Category—空气污染、Level—3、Measure—死亡、Year—2019、Age—总、Sex—合计、Units—#。

在评价指标方面，与AQG 2005版相比，AQG 2021版增加了CO的24小时平均浓度、NO2的24小时平均浓度及O3的峰季值（6个月）三项污染物评价指标。其中，CO的24小时平均浓度、NO2的24小时平均浓度这两项指标体现了近年来流行病学研究中提出的CO和NO2短期暴露对人群健康急性影响的新证据，属于短期暴露指标。针对O3暴露的健康效应，以前的研究大多集中在急性健康影响上，近年来越来越多的研究证实了O3长期暴露对我国居民健康的显著影响[10, 11]；国际上的流行病学证据也同样指出，对于O3污染，需要更加关注长期暴露的健康影响。因此，AQG 2021版增加了O3峰季值（6个月）这一表征长期暴露的指标。新增的这项指标提示各国对于O3的关注应当不仅限于高值期间，这将在很大程度上影响各国未来的O3污染防治策略和工作重心。

在指标值方面，AQG 2021版收严了PM2.5、PM10、NO2的指导值（表 1），增设了过渡期目标值，放宽了SO2的指导值，其核心依据主要是基于污染物低浓度水平下对人群健康影响的最新证据。对于PM2.5和PM10，PM2.5年均浓度指导值由10μg/m3调整为5μg/m3，PM10年均浓度指导值由20μg/m3调整为15μg/m3；同时，对于这两种污染物的日均浓度指导值，都根据年均浓度和24小时平均浓度间的统计关系进行了调整。对于O3，AQG 2021版增设了O3日最大8小时均值的IT-2过渡期目标值（120μg/m3）。对于NO2，AQG 2021版收严了NO2年均浓度指导值，由40μg/m3调整为10μg/m3，并增加了IT-1、IT-2、IT-3过渡期目标值，分别为40μg/m3、30μg/m3、20μg/ m3。对于SO2，AQG 2021放宽了24小时平均浓度的指导值，由20μg/m3调整为40μg/m3，主要是考虑到2005版在确定指导值时所采用的研究证据和方法存在较大不确定性。

从评价指标来看，除AQG 2021版新增的O3峰季值指标外，我国国家标准已囊括了其他所有指标（表 1）。从标准限值来看，我国国家标准中PM2.5、PM10的年均/24小时平均浓度、O3的日最大8小时浓度、NO2的年均浓度限值均与AQG 2021版的IT-1目标值相当（表 1），NO224小时平均浓度限值介于IT-1与IT-2之间，SO224小时平均浓度限值大大宽松于IT-1目标值。

从评价方法来看，AQG 2021版中对于PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO的24小时平均浓度、O3日最大8小时平均浓度的评价方法均采用24小时平均浓度序列的第99百分位数，即24小时平均达标要求为一年允许的超标天数不超过4天。而我国《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ 663—2013）中规定的SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO 24小时平均浓度和O3日最大8小时平均浓度的达标评价方法分别采用第98、98、95、95、95和90百分位数。百分位数越高，允许超标的天数就越少，因此即便浓度限值相同，AQG 2021版所采用的第99百分位数相比于我国国家标准以及评价规范中规定的评价方法也更为严格。为了便于在同一尺度下进行国际对比，建议在未来的空气质量评估中，除了使用我国的评价方法外，也同步使用AQG2021版的评价方法，并将其结果作为分析空气质量长期趋势的依据。

综上所述，我国国家标准距离世界卫生组织给出的保障人体健康的污染物浓度基准仍有较大差距。我国需要在促使全国绝大多数城市空气质量达到现行国家标准的基础上，适时提升空气质量标准要求，推进空气质量的持续改善，以进一步保护居民的身体健康。

以AQG2021版提出的指导值和不同过渡期目标值为准绳，对我国337个地级及以上城市的环境空气质量进行评价，在此基础上分析我国环境空气中各项污染物浓度与保护人体健康的基准浓度之间的差距。

对各项污染物达标评价的指标选取和计算方法：①对于污染物的日评价，按照我国《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012）中对评价项目和计算方法的要求，将SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO的24小时平均、O3的日最大8小时平均等6项作为污染物浓度日评价的指标，对国家标准和AQG 2021版污染物浓度限值下的达标天数进行对比分析。②对于污染物年评价，按照我国《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ 663—2013）中对评价项目和计算方法的要求，选取常规SO2、NO2、PM10、PM2.5的年平均值，CO 24小时平均第95百分位数、O3日最大8小时平均第90百分位数等6项作为污染物浓度年评价的指标，对国家标准和AQG 2021版污染物浓度限值下的达标城市数量进行对比分析。需要说明的是，本文分析的空气质量数据均符合《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）修改版要求，其中2017年和2018年数据均根据当时的温度、气压等气象参数进行了折算。国家环境空气质量标准中，一级标准适用于一类环境空气功能区，即自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域，本文为对比国家标准和AQG 2021版，将一级标准同样作为城市评价限值标准之一。

2021年，全国337个地级及以上城市PM2.5 24小时平均浓度（保留沙尘）达到国家标准二级限值的天数比例为93.8%（图 1a），达到一级限值的天数为71.2%；如果分别使用AQG 2021版中IT-1、IT-2、IT-3、IT-4和指导值进行评价，则达到对应标准的天数比例分别为93.8%、84.9%、73.8%、54.1% 和27.6%。共有236个城市的PM2.5年均浓度（扣除沙尘）达到国家二级（同AQG IT-1）标准（图 1b）；123个达到AQG IT-2标准，主要分布在东南沿海、西北和西南地区；19个城市达到国家一级（同AQG IT-3）标准，主要分布在西南等边疆地区；仅10个城市达到AQG IT-4标准；无城市达到AQG标准。101个超过国家二级标准的城市主要分布在华北、华中和新疆等地区。

2021年全国337个地级及以上城市PM10 24小时平均浓度（保留沙尘）达到国家标准二级限值的天数比例为95.0%（图 1c），达到一级限值的天数为56.1%；对应AQG 2021版中IT-1、IT-2、IT-3、IT-4和指导值的达标天数比例分别为95.0%、86.6%、76.2%、56.1% 和50.0%。共有276个城市的PM10年均浓度（扣除沙尘）达到国家二级（同AQGIT-1）标准（图 1b）；79个城市达到国家一级标准；有152个城市达到AQGIT-2标准；22个城市达到AQGIT-3标准；仅有6个城市达到AQGIT-4标准；2个城市（昌都和林芝市）达到AQG标准。61个超过国家二级标准的城市主要分布在华北和新疆等地区。

2021年全国337个地级及以上城市NO2 24小时平均浓度达到国家标准二级限值（同一级限值）的天数比例为99.8%（图 1e）；对应AQG 2021版中IT-1、IT-2和AQG进行评价的达标天数比例分别为100%、94.8% 和64.7%。共有336个城市能达到国家二级（同国家一级和AQG IT-1）标准；270个城市可以达到AQG IT-2的浓度限值（图 1f）；121个城市可以达到AQG IT-3浓度限值；仅有以西南边疆为主的15个城市可以达到AQG浓度限值。仅兰州市1个城市超过国家二级标准。

随着大气污染防治工作推进，传统煤烟型大气污染已大幅改善。在国家标准和AQG 2021版各阶段的浓度限值下，全国337个地级及以上城市SO2和CO 24小时平均浓度达标天数比例均超过99%（图 1g、图 1i），仅有极其个别天数超标。2021年，SO2全国337个地级及以上城市均能达到国家二级标准（图 1h）；331个城市达到国家一级标准。AQG 2021版并未设置SO2年均浓度限值。全国337个地级及以上城市CO 24小时平均第95百分位数浓度均能达到国家和AQG 2021版限值（图 1j）。

2021年全国337个地级及以上城市O3达标天数比例在国家二级（同AQG IT-1）和一级（同AQG）标准限值下分别达到95.6% 和65.9%（图 1k）。在AQG IT-2限值下，达标天数比例为81.2%；在AQG限值下，达标天数比例为65.9%。287个城市O3日最大8小时平均浓度90百分位数达到国家二级标准限值要求（同AQG IT-1的浓度值）；68个城市达到AQG IT-2的浓度值（图 1l）；呼伦贝尔市、伊春市、黑河市、恩施土家族苗族自治州、达州市、甘孜藏族自治州、黔东南苗族侗族自治州等7个城市达到国家一级标准（同AQG的浓度值）。

需要注意的是，虽然我国关于O3浓度的限值和AQG能够对应，但是我国国家标准的评价方法是第90百分位数（可以有36天的浓度超过限值），而AQG评价所要求的是第99百分位数（只有3天的浓度可以超过限值），因此我国的标准要求和AQG的要求存在较大差异。若采用AQG 2021版的评价方法，使用O3日最大8小时平均浓度99百分位数进行评价，则O3的达标城市数量将大幅下降。2021年，全国337个地级及以上城市中，仅有115个城市达到AQG IT-1的浓度限值要求（同国家二级标准限值）；仅林芝市、塔城地区、阿勒泰地区等3个城市达到AQG IT-2的浓度限值要求；我国所有城市均未达到AQG的浓度限值要求（同国家一级标准限值）。

AQG2021版的一个重大创新在于，首次提出了O3峰季值指标。AQG 2021版中O3峰季值指标的定义为“连续6个月的O3日最大8小时平均浓度的最大值”。对于我国而言，绝大多数城市的O3浓度高值出现在夏季（5—9月），但是仍存在部分城市，冬季也出现O3的高值，因此对我国而言，不同城市的O3浓度峰季所对应的月份并不一致。

本研究采用2017—2020年我国各城市的O3浓度逐日数据，分析337个城市在不同年份的O3浓度峰季值出现的月份，结果如图 2所示：我国48% 的城市O3浓度峰季值出现在4—9月，20% 的城市O3浓度峰季值出现在3—8月；90% 的城市O3浓度峰季落在日历年内；10% 的城市O3浓度峰季存在跨日历年的情况，主要落在12月至次年5月。

从空间分布情况来看，O3峰季所覆盖的月份呈现出明显的地域特征。全国绝大部分地区的O3峰季值起始月份在3月、4月或5月；但东北、西南和华南沿海地区的城市O3峰季值起始月份处于秋季和冬季，显示这些地区的夏季O3浓度并不显著高于冬季。对于东北地区而言，主要原因是夏季气温不高O3浓度不高；对于西南和华南沿海地区，主要原因是冬季气温也比较高，导致冬季也会出现O3浓度较高的情况。

AQG2021版对O3峰季的定义指出，峰季通常是一个日历年（北半球）或跨越两个日历年（南半球）的暖季，在赤道附近这种明显的季节性模式可能并不明显，但可从监测数据或建模数据中识别出6个月峰季滑动均值。对于我国而言，如果仅考虑一个日历年内的O3峰季值，达到AQG2021版的城市数量会高于考虑跨年的O3峰季值达标城市数量，这个差异在2017—2020年介于3 ~ 13个城市（图 3）。

使用O3日最大8小时平均浓度第99百分位数和O3日最大8小时平均浓度峰季值这两项指标进行比较，两者的超标城市在空间分布有巨大差异。2018—2021年，O3日最大8小时平均浓度第99百分位数超标的城市主要分布在胡焕庸线以东，对人类活动影响的反映较为直接；而O3日最大8小时浓度峰季值的超标城市有相当一部分分布在胡焕庸线的西侧。如图 4所示，西北地区（陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆5个省份）的城市主要分布第二象限，即O3日最大8小时平均浓度第99百分数浓度达标，但O3峰季值浓度超标，造成这一情况的原因可能与西北地区O3背景浓度较高，且缺乏NOx进行滴定有关。这一现象提醒我们在下一步进行O3浓度标准的修订时，需要审慎地选择指标项和指标值，尽量通过标准的修订，引导空气质量改善向更大发挥保护人体健康的作用倾斜。

从6项污染物综合达标情况来看，2021年，我国337个地级及以上城市的空气质量优良天数（即6种大气污染物浓度均低于日评价标准限值的天数）比例为87.4%，如果使用国家标准中一级标准的限值进行评价，则达标天数为37.9%，颗粒物（PM2.5和PM10）以及O3超标是影响优良天数的核心因素。如采用AQG2021版中的AQG限值进行评价，则2021年我国337个地级及以上城市的空气质量优良天数为19.8%，对空气质量达标率影响最大的污染物是颗粒物，O3和NO2超标也将成为影响空气质量达标率的重要因素，SO2和CO对空气质量达标基本不产生影响（表 2）。

2021年，仅考虑年评价并使用我国评价方法的情况下，全国337个地级及以上城市中，有216个城市6项污染物均能达到国家二级标准限值要求（表 3），仅3个城市能达到国家一级标准限值要求，所有城市均无法达到AQG2021版的指导值，PM2.5浓度无法达到指导值是其中最大的短板。

AQG2021版修订的指导值给世界各国的空气质量管理提出了新的挑战。在分析我国空气质量和AQG2021版差距的同时，也通过横向对比分析了我国空气质量在全球的水平。由于不同国家的空气质量监测体系存在较大差别，基于监测数据的直接比较存在较大困难，因此，结合地面监测数据、空气质量模型和卫星遥感等数据，并经过人口加权处理后的污染物人群暴露水平通常被用于跨国别的空气质量比较，世界卫生组织等机构联合开展的全球疾病负担（global burden of disease，GBD）研究为各国的横向比较提供了较为客观公正的第三方数据基础[12]。

根据GBD研究发布的数据，2019年，全球203个国家中，没有任何一个国家的人口加权PM2.5年均浓度达到AQG 2021版的指导值，有5个国家PM2.5浓度低于6 μg/m3，34个国家PM2.5浓度达到IT-4目标值；152个国家PM2.5浓度达到IT-1目标值；51个国家PM2.5浓度仍未达到IT-1目标值（图 5a）。

GBD研究发布的我国人口加权的PM2.5暴露水平为47.7 μg/m3，在全球203个国家中位于第175位，比我国PM2.5污染更严重的28个国家主要分布在非洲、中东（主要是由于沙尘影响）以及南亚。需要指出的是，考虑到GBD数据获取的多源性和差异性，我们也根据我国2019年地级及以上城市PM2.5监测数据计算了全国人口加权浓度，约为40 μg/m3，按此排名处于全球第165位，依然排名靠后。

根据GBD研究发布的数据，2019年，全球203个国家中，28个国家的人口加权O3浓度峰季值低于30 ppbv，接近60 μg/m3这一AQG2021版指导值；52个国家低于35 ppbv，接近70 μg/m3这一第2阶段目标值；164个国家低于50 ppbv，接近100 μg/m3这一第1阶段目标值；39个国家的O3浓度仍高于第1阶段目标值（图 5b）。需要说明的是GBD提供的O3浓度单位为ppbv，为将相关结果与AQG 2021提供的指导值和过渡阶段目标值进行对比，需要将O3浓度单位换算为μg/m3。考虑到各国空气质量标准中的参考温度、气压等气象条件不一致，无法统一折算，此处为了简化计算，选择参考温度为20℃，大气压力为1013.25 hPa时的状态，折算系数设置为2。

GBD研究显示，我国人口加权的O3暴露水平为48.9 ppbv，约等于98 μg/m3，在全球203个国家中位于第158位，污染程度高于纬度较高的欧美国家。比我国O3污染更严重的45个国家主要是非洲和亚洲的中低纬度国家。需要指出的是，根据2019年337个地级及以上城市O3监测数据，计算出全国人口加权O3浓度约为58 ppbv，按此排名处于全球第195位，处于全球后10位。

AQG 2021版加严了PM2.5、PM10、NO2等污染物浓度的指导值，增设了O3浓度峰季值指标。总体而言，“清洁空气”的要求较AQG 2005版有所提高，我国国家标准与其要求有较大差距，大多与其第一阶段过渡期目标值相当。此外，AQG 2021版采用日最大8小时平均浓度第99百分位数进行评价，比我国评价规范中要求的评价方法更为严格。

若将AQG 2021版中的指导值作为标准来评价我国空气质量，则2021年我国337个地级及以上城市达标天数比例仅为19.8%，所有城市的年评价指标均不能达标。我国人口加权的PM2.5和O3暴露水平在全球203个国家中均处于世界中后水平，与我国经济发展水平在全球的排名并不匹配。京津冀及周边地区和汾渭平原等大气污染防治重点区域，区域内城市达到AQG的天数平均比例仅为8.1% 和8.5%。因此，我国仍需进一步加大力度，坚定不移推动空气质量持续改善。

AQG 2021版沿用了不同阶段目标值的设计，用以鼓励空气质量较差的地区通过逐步改善达到阶段目标，不断接近并最终达到指导值。建议在综合评估不同污染物达标情况的基础上，结合AQG 2021版提出的新要求，研究我国下一阶段环境空气质量标准中各项污染物的浓度限值要求。需要强调的是，AQG2021版的编制原则单纯基于对人体健康保护，并未全面考虑社会、经济、控制成本等因素，如何选取符合我国社会、经济发展阶段的评价指标和评价方法，需要深入的思考和研究。AQG 2021版制定中所采用的流行病学证据表明，大多数污染物长期暴露的慢性健康影响高于短期暴露的急性健康影响，从保护人体健康的角度出发，建议在空气质量标准修订和大气环境管理中突出年均浓度等反映长时间大气环境质量的指标，相对弱化日均浓度等短期指标。针对AQG 2021版新增的O3浓度峰季值和O3浓度百分位数，虽然我国达到两项标准的城市数量总体相当，但达标城市的空间分布存在巨大差异，建议进行O3浓度标准的修订时，审慎地选择指标项和指标值，尽量通过标准的修订，引导空气质量改善向更大发挥保护人体健康的作用倾斜。结合空气质量标准的修订，根据《大气污染防治法》的要求，推动地方政府进一步改善空气质量，是实现美丽中国大气环境改善目标的重要手段。建议将空气质量达标管理制度化，要求城市研究、编制、实施空气质量限期达标规划，推动空气质量持续改善。