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环境工程

空气质量指数 (AQI) 模拟器 — US EPA 方法

输入 PM2.5、PM10、臭氧、NO₂、SO₂ 的浓度，利用 US EPA 方法的分段线性插值计算空气质量指数 (AQI)。实时可视化综合 AQI、健康影响类别、主要污染物质和各物质的贡献。

参数设置
PM2.5 浓度
µg/m³
直径 2.5 µm 以下的细颗粒物（24h 平均）
PM10 浓度
µg/m³
直径 10 µm 以下的粗颗粒物（24h 平均）
O₃（臭氧）浓度
ppb
对流层臭氧（8h 平均），光化学烟雾的主要成分
NO₂（二氧化氮）浓度
ppb
车辆尾气和燃烧产生（1h 平均）
SO₂（二氧化硫）浓度
ppb
煤炭和燃料油燃烧产生（1h 平均）
计算结果
—
PM2.5 AQI
—
PM10 AQI
—
O₃ AQI
—
综合 AQI
—
类别
—
主要污染物
—
子 AQI 水平条形图 — 按类别彩色背景

5 种物质的子 AQI 用水平条表示。背景为 6 级类别色带（绿→黄→橙→红→紫→栗），最高的条形支配综合 AQI。

各物质子 AQI（Chart.js）
PM2.5 浓度 vs AQI — 非线性断点
理论与主要公式

$$I = \frac{I_{hi}-I_{lo}}{C_{hi}-C_{lo}}\,(C-C_{lo})+I_{lo}$$

分段线性插值公式。当污染物质浓度 C 在区间 [C_lo, C_hi] 内时，将其线性插值到对应的子 AQI 区间 [I_lo, I_hi]。每个区间的斜率不同，因此整体形成非线性的阶跃函数。

$$\mathrm{AQI}_{\text{total}} = \max\bigl(I_{\mathrm{PM2.5}},\ I_{\mathrm{PM10}},\ I_{\mathrm{O_3}},\ I_{\mathrm{NO_2}},\ I_{\mathrm{SO_2}}\bigr)$$

综合 AQI 是 5 种物质子 AQI 的最大值。显示最大值的物质成为「主要污染物」，表示健康风险的主要原因。加入 CO 后成为 6 种物质，即完整的 US EPA 官方框架。

空气质量指数 (AQI) 是什么

🙋
天气预报中常听说「今天 AQI 是 150」，但那个数字到底代表什么？没有单位，也不太好理解…
🎓
问得好。AQI（Air Quality Index，空气质量指数）是将各种大气污染物质用「对健康的影响」这个共同的标度来表示的无量纲指标。PM2.5、PM10、臭氧、NO₂、SO₂、CO 这 6 种是代表性污染物，它们各自用不同的单位测量（µg/m³ 或 ppb），但通过将其正规化到 0～500 范围内，可以「PM2.5 坏和臭氧坏，哪个对身体伤害更大？」进行直接对比。美国 EPA 方法将 AQI=100 设计成恰好对应「健康基准的上限」。
🙋
明白了，就是统一的标度。但从浓度怎样计算 AQI？应该不是「浓度 × 某个倍数」这么简单吧？
🎓
没错，这就是有趣的地方，并不是线性比例关系。US EPA 公开了「断点表」，例如 PM2.5 的话，12 µg/m³ 以下为 AQI 0-50，12.1～35.4 为 51-100，35.5～55.4 为 101-150……，按这样分段。每个区间内进行线性插值，所以整体上就成为阶梯状的折线函数。「PM2.5 从 12 变成 12.1，AQI 一下从 50 跳到 51」这样的情况就会发生。这是因为 EPA 根据疫学证据制定的区间划分，反映了污染物质对健康的影响不是线性的这一事实。
🙋
那么，计算出 5 种物质的 AQI 后，最终的「综合 AQI」怎么决定？是平均值？还是加总？
🎓
采用「最大值」。这被称为 worst-of 方法，即「被最坏的污染物拖累」的概念。理由很简单：PM2.5 的 AQI 是 200，臭氧是 30 的情况下，空气差明显是因为 PM2.5，如果平均化反而会淡化危险性。取最大值就能保证始终评估「最坏的情况」，这种保守的做法很科学。然后，那个显示最大值的物质被称为「主要污染物（governing pollutant）」，作为对策的目标物质明确显示。
🙋
主要污染物质会随季节和地点变化吗？比如东京的冬天和夏天不同？
🎓
完全是这样。支配物质随季节和地区的变化很大。冬季城市地区温度低，大气稳定，地表附近容易积累 PM2.5——供暖、车辆、大陆越界污染叠加，PM2.5 成为支配物质。而夏季城市和郊外受强日射影响，NOx + VOC 通过光化学反应生成臭氧，臭氧成为支配物质。SO₂ 在煤炭燃煤多的地区为主要污染，NO₂ 在交通繁忙的大城市干线道路沿线为主要污染，这些由人为活动的模式决定。所以不仅看「综合值」，还要确认「哪种物质坏」对于制定对策很重要。
🙋
最后，有没有一个实用的目安，比如 AQI 超过 100 就该戴口罩？
🎓
根据 EPA 的类别，101-150「敏感群体不健康」是指哮喘和心脏病患者、儿童和老年人应减少户外活动的水平。151-200「不健康」是普通人也要避免长时间户外运动，201-300「非常不健康」时全员推荐 N95 口罩、室内躲避，301+ 是「危害」级别，几乎是禁止外出。实际上，跑步和儿童户外游戏以 AQI 100 为目安，HEPA 空气净化机的常规使用以 AQI 50 为目安是很多家庭的做法。但世卫组织最新指南（2021）要求更严格，EPA 的 AQI 50（PM2.5 为 12 µg/m³）按世卫标准就已经「不健康」了。地区差异很大，所以最好把住在地地区的基准也一起确认。

常见问题

美国 EPA 方法的 AQI 通过对每种污染物将浓度 C 用分段线性插值公式 I = (I_hi - I_lo)/(C_hi - C_lo)·(C - C_lo) + I_lo 转换成 0～500 范围的子 AQI，然后取最大值作为综合 AQI。例如 PM2.5 为 35 µg/m³ 时在区间 [12.1, 35.4] → [51, 100] 内，I = 49/23.3·22.9 + 51 ≈ 99。区间边界由 EPA 根据公共卫生证据制定，呈非线性阶跃，不是简单的比例计算。
综合 AQI 采用 5～6 种物质子 AQI 中的「最大值」（用最坏指标评估的方法）。显示最大值的物质被称为「主要污染物（governing pollutant）」，作为健康风险的主要因素显示。例如 PM2.5 的子 AQI 为 99，其他全部 70 以下，则综合 AQI = 99，主要污染物 = PM2.5。冬季城市地区通常 PM2.5 为主，夏季郊区通常 O₃ 为主，支配物质随季节和地区变化。
AQI 分为 0-50 优良（绿色）、51-100 良好（黄色）、101-150 敏感群体不健康（橙色）、151-200 不健康（红色）、201-300 非常不健康（紫色）、301+ 危害（栗色）6 个等级。超过 101 时，支气管疾病、心脏病、儿童和老年人等敏感群体开始受影响；超过 151 时，普通人也开始受影响；超过 201 时，应避免户外活动。日本的环保标准（PM2.5 为 35 µg/m³/日）大致相当于 AQI 100。
世卫组织 2021 年修订版对 PM2.5 的标准为 15 µg/m³/日，比美国 EPA 严格约 2.3 倍。日本的环保标准（PM2.5：35 µg/m³/日，日平均 35 µg/m³ 的年度 98 百分位数）比世卫更宽松，接近 EPA 水平。本工具使用 EPA 的官方 AQI 断点，若要按世卫标准评估，显示值会约为 2 倍以上较低。中国的 AQI（HJ 633-2012）采用与 EPA 基本相同的框架，但部分断点有所不同。

现实世界应用

环境监测和空气质量公报：美国 AirNow、日本的空气豆君网站、中国的全国空气质量发布平台等公共网站实时将全国测点数据转换为 AQI 并向公众公开。市民通过地图上的颜色（绿到栗色）直观了解大气状态，用于外出判断和运动限制决策。本工具是为想从公开数据出发自行重现断点计算的工程师、研究者和健康管理负责人准备的基础工具。

城市规划和排放控制事前评估：新建工厂、交通基础设施建设的环境影响评估 (EIA) 中，利用扩散模拟（AERMOD、CALPUFF）得到浓度预测，转换为 AQI 并在地图上绘制影响范围。例如「新电厂导致周边 5km 范围 SO₂ 增加 +30 ppb，最坏情况下 AQI 从 80 恶化到 125」这样的定量讨论成为可能。通过本模拟器将 5 种物质浓度各自变化，可以把握哪种物质对 AQI 恶化影响最大，有助于优先顺序排列和法规设计。

建筑物换气和空气净化机控制：商业大楼、学校、医院等采用根据室外 AQI 自动控制进气量的智能 HVAC 系统。AQI 超过 100 时减少进气，转为 HEPA 内循环，超过 200 时全关闭，这样的控制逻辑设计时 AQI 断点理解是必需的。家用 IoT 联网空气净化机也采用相同逻辑，根据室外传感器值自动切换运行模式。

流行病学研究和健康影响评估：长期 PM2.5 暴露与循环系统疾病死亡率的关系（Pope 等、Beelen 等研究）虽然用实际浓度 µg/m³ 来评估，但在向市民公开和进行风险交流时会转换为 AQI。「AQI 上升 50，死亡率增加约 X%」这样转译，使非专业人士也能理解健康风险。事前用本工具体感浓度和 AQI 的关系，有助于理解论文数值并应用到自己所在地区。

常见误解和注意点

最大的误解是「AQI 与浓度成正比」。看本工具的图就会明白，AQI vs 浓度是阶跃状的折线，特别是 PM2.5，低浓度区（～12 µg/m³）的斜率（50/12 ≈ 4.2）、中浓度区（35.5～55.4）的斜率（49/19.9 ≈ 2.5）和高浓度区（150.5～250.4）的斜率（99/99.9 ≈ 1.0）有很大差别。「浓度加倍 AQI 也加倍」不成立。低浓度时浓度小幅上升会大幅推高 AQI，高浓度时浓度增加对 AQI 上升作用不大——这反映了高浓度「已经足够坏」的饱和现象。需要按比率讨论时一定要用浓度进行。

其次，「平均时间混用」的问题。US EPA 的 AQI 断点按物质的平均时间不同——PM2.5、PM10 是 24h 平均，O₃ 是 8h 平均，NO₂、SO₂ 是 1h 平均，CO 是 8h 平均。本工具直接使用输入的值，但用实测数据计算时一定要按各物质公式规定的平均时间。把 1h 的 PM2.5 值当成 24h 值输入会在峰值时显示比实际更坏的 AQI。实时显示的「nowcast AQI」采用从短时间值推算 24h 值的另一套补正公式（加权移动平均），严格讲与本工具的单纯分段插值不同。

最后，「AQI 相同不代表健康影响相同」。AQI=100 的状态下，PM2.5 支配还是臭氧支配还是 SO₂ 支配，受影响的人群和应对方法完全不同。PM2.5 主要时 N95 口罩和室内躲避有效，臭氧主要时关闭室内通风（室内臭氧浓度会比室外低），SO₂ 主要时哮喘患者特别要注意等，对策会有根本性的不同。不仅要看综合 AQI，还要查看「主要污染物」和「各物质子 AQI」，这是现代空气质量交流的基本。本工具特别显示主要污染物也是出于这个考虑。

使用指南

  1. 输入 PM2.5、PM10、臭氧（O₃）、NO₂ 的测量浓度，单位为 µg/m³。例如 PM2.5 为 35 µg/m³，PM10 为 80 µg/m³ 时，在各输入字段中设置数值
  2. 模拟器对每种污染物应用 US EPA 方法的 AQI 计算公式，计算各物质的 AQI 值。同时显示 PM2.5 的 AQI、PM10 的 AQI、O₃ 的 AQI、NO₂ 的 AQI
  3. 最高值的污染物被判定为综合 AQI，健康影响类别（优良/良好/敏感群体不健康等）自动确定。通过实时结果显示可确认主要污染物和污染度

具体计算例

工业区监测案例：PM2.5 为 42 µg/m³，PM10 为 95 µg/m³，O₃ 为 78ppb，NO₂ 为 65ppb。各物质的 AQI 换算中，PM2.5 计算出 AQI=135（敏感群体不健康），PM10 计算出 AQI=168，O₃ 计算出 AQI=142，综合 AQI 为 168，主要污染物被判定为 PM10。此时对呼吸道疾患者和儿童发出健康警告。

实务中的注意点