美国环境空气监测数据质量核查工作的经验与启示

师耀龙，杨 婧，柴文轩，滕 曼，姚雅伟，楚宝临, 付 强

中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

美国环境空气监测数据质量核查工作的经验与启示

师耀龙，杨 婧，柴文轩，滕 曼，姚雅伟，楚宝临, 付 强

中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

国控网城市环境空气自动监测点位的监测事权上收后，对监测数据精密度和准确度的定量化评价已成为考核运维公司工作成果、评估国控网数据质量、编制数据质量报告的迫切需求。为加强中国环境空气数据质量核查体系的建设，总结了美国环境空气监测数据质量核查体系及其相关的技术规范，简要介绍其包含的各类核查项目和主要特点，提出了建设中国环境空气数据质量核查体系的建议。

环境空气监测；精密度；准确度；数据质量核查

Abstract:After the authority of urban automated monitoring stations in the ambient air quality monitoring network of China was transferred to the national government, considering the requirement for evaluating the monitoring corporation, assessing the data quality of national monitoring network and preparing the data quality report, the quantitative evaluation for the precision and accuracy of air monitoring data was urgently needed. In order to strengthen the construction of the ambient air data quality assessment system in China, this article summarized the ambient air monitoring data quality assessment system and relevant technical regulations in the U.S., introduced the characteristics of each audit program, and presented suggestions for the construction of ambient air data quality assessment system in China.

Keywords:ambient air monitor;precision;accuracy;data quality assessment

根据《国家生态环境质量监测事权上收实施方案》的要求，2016年将完成1 436个国家环境空气监测网(简称“国控网”)城市环境空气自动监测点位的监测事权上收工作，全部点位将由国家统一监测，并以其监测数据对各城市环境空气质量进行统一考核。如何定量化评价国控网的监测数据质量已经成为国控网质量管理工作中亟待解决的新问题[1-2]。

国控网监测数据质量核查是指在监测点位现场比对分析仪测定的污染物浓度相对于真实浓度的偏差，并以偏差数据为基础，评估监测数据的精密度和准确度的方法[3-4]。完善的数据质量核查体系包含明确的质量目标、完整的计划、统一的作业流程、科学的统计方法等要素，以保证核查结果能够代表性的反映不同点位、不同区域、不同时段监测数据的精密度和准确度。一套有效的数据质量核查体系是国控网质量体系的重要组成部分，在为说清监测数据质量、编制监测数据质量报告提供数据支撑的同时，督促各运维机构贯彻国控网质量体系的各项要求[5]，及时发现和解决存在的质量问题。

目前，环保部正在抓紧编制包括臭氧和颗粒物在内的现场比对技术规范，中国环境监测总站已经展开相关的数据质量核查工作[4]，但国控网监测数据质量核查体系仍需进一步完善。美国在其环境空气监测质量管理工作中建成了美国环保署-区域中心-运维机构组成的三级数据质量核查体系[6-7]，并在联邦法规中明确了环境空气监测数据质量核查体系的各项要求，并编制了作业指导书以指导区域中心和运维机构实施的质量核查工作[8-12]，其建设、运行环境空气监测数据质量核查体系过程中积累的经验值得中国借鉴。

本文通过总结美国环境空气监测数据质量核查体系，结合中国实际情况，提出了针对国控网数据质量核查工作的建议。同时，对如何科学、客观评价国控网监测数据的精准度进行了初步的探讨。

1 美国环境空气监测数据质量核查体系

根据污染物的不同，美国环保署开展的数据质量核查工作可分为针对气态污染物的核查和针对颗粒物的核查。根据实施的主体不同，其核查工作可分为由运维机构实施的检查(简称“自查”)和由美国环保署下辖的区域中心实施的检查(简称“外查”)。自查和外查结果均报送至美国环保署，经汇总统计后，以图表形式形成定量化的数据质量报告(图1)。

图1 美国环境空气监测数据质量核查体系Fig.1 The data quality assessment system of the US ambient air monitoring

1.1针对气态污染物的数据质量核查体系

美国环保署对气态污染物的数据质量核查主要分为3类：①单点质控检查；②年度性能审核；③气态污染物国家核查计划(NPAP)。除NPAP为区域中心进行的外查外，其余两项均为运维机构进行的自查。

1.1.1 单点质控检查

各点位每2周采用可溯源的标准气体对其气态污染物(O3、SO2、NO2、CO)分析仪进行一次单点质控检查，并通过汇总统计，考察分析仪在污染物日常浓度附近测量的精准度。

1.1.1.1 检查浓度点的选择

美国环保署基于其历史监测数据的统计结果，规定O3、SO2、NO2检查浓度点范围为5～80 nmol/mol，CO为0.5～5 μmol/mol，该浓度区间已经覆盖其绝大多数点位的日常浓度。此外，美国环保署建议各点位采用其过去3年各项气态污染物的平均浓度(O3为日最大滑动8 h的平均浓度)作为检查浓度点[12-13]。

1.1.1.2 汇总统计方法

美国环保署规定精密度的数据质量目标为变异系数(CV)≤7%，准确度的数据质量目标为偏倚(bias)≤7%，并明确了通过标准偏差的区间估计计算变异系数和通过置信区间估计计算偏倚的方法。各点位变异系数计算方法见公式1。偏倚的计算方法见公式2[8]。

(1)

(2)

此外，美国环保署还规定各运维机构可通过汇总其负责区域内所有点位固定周期内单点质控检查数据，并计算95%可能性区间，并以此区间为依据筛选异常的单点质控检查结果。可能性区间的计算方法见公式3。

(3)

1.1.2 年度性能审核

为保证各点位在常见的浓度区间监测数据的准确度，美国环保署要求各运维机构需每年对其负责的所有点位的气态污染物分析仪进行至少1次多浓度点的性能审核[8]。美国环保署根据历史监测数据的分布情况，在联邦管理法规中规定了各气态污染物在性能审核中浓度的选择区间(表1)，并要求各点位性能审核中至少要选择3个浓度区间，且选择的浓度区间能够覆盖80%的日常监测数据。

表1 各类气态污染物的检查区间Table 1 The audit level of O3, SO2, NO2 and CO

美国环保署规定第1、2区间O3、SO2、NO2合格标准为相对偏差≤±15%或偏差≤±1.5 nmol/mol；而CO的合格标准为相对偏差≤±15%或偏差≤±0.3 μmol/mol。3～10区间O3、SO2、NO2、CO的合格标准均为≤±15%。

1.1.3 气态污染物国家能力核查计划(NPAP)

除要求各运维公司进行周期性的自查外，美国环保署通过各区域中心执行的NPAP项目，周期性的对各点位的分析仪进行外查。联邦法规中明确要求NPAP每年应抽取20%以上的点位进行多浓度点核查[8]，浓度区间和合格标准与运维机构进行的年度多点性能审核一致，但检查方式在其基础上进行了明显的升级。在运维机构进行的多点核查中，采用的是可溯源的标准气体通过动态气体校准仪的稀释后通入分析仪后面板的进样口以考察其各浓度点测量的准确度。而NPAP要求将固定浓度的标准气体通过点位上方的气态污染物采样口输入分析仪中，在检查分析仪测量性能的同时，评价采样管路造成的浓度变化，完整的考核点位的测定浓度与真实浓度的偏差[11]。

根据NPAP特殊的检查方式，美国环保署在各区域中心配置了专门用于NPAP的特种检查车辆，车辆配有完备的标准气体、空压机、零气发生器、臭氧传递标准、管路等，能够保证检查人员在抵达现场后快速启动工作。

为规范NPAP项目的实施，美国环保署专门编制了详细的作业指导书[11]对项目计划、仪器的维护、工作前校准、管路损失、现场检查流程等各项关键环节进行指导。特别是对于各类标准气体或校准仪，要求在工作前对其进行校准或检定，以保证标准量值在工作周期中的精准度，保证NPAP的数据质量。

1.2针对颗粒物的数据质量核查体系

不同于气态污染物，固定浓度的颗粒物标准气体难以获得，因此颗粒物监测的现场检查工作主要通过手工采样器现场比对的方式进行。美国环保署对颗粒物连续监测的数据质量核查主要分为两类： 现场比对和细颗粒物能力考核(PEP)。PEP为区域中心执行的外查，现场比对为运维机构进行的自查。

1.2.1 现场比对

美国环保署通过现场比对的结果对运维机构颗粒物监测的精密度进行评价。运维机构通过联邦参比方法(FRM)或等效方法(FEM)每年至少对15%的点位的颗粒物连续监测仪器进行现场比对。现场比对每6 d或12 d进行一次，通过汇总运维机构负责区域内所有比对点位固定周期的比对结果，参考公式4和公式5计算该质控机构固定周期内颗粒物浓度监测数据的变异系数(CV)。美国环保署对PM2.5分析仪监测数据精密度的质控目标为CV控制在10%以内，对PM2.5-10分析仪的质控目标为CV控制在15%以内[8]。

(4)

(5)

1.2.2 细颗粒物能力考核(PEP)

美国环保署通过各区域中心执行PEP核查。

工作人员携带经过审核合格的手工采样器至现场点位，以手工采样器测定的颗粒物浓度为标准，对现场颗粒物监测设备进行比对核查[9-10]。

联邦管理法规要求对于负责点位数量小于5个的运维机构，每年应对其进行至少8次有效的PEP核查；对于负责点位数量小于等于5个的运维机构，每年应对其进行至少5次有效的PEP核查；每年应至少检查15%的点位，6年内将PEP核查覆盖至全部点位。

通过汇总固定周期内对某运维机构负责点位进行的全部PEP核查结果，参考公式6可计算该运维机构颗粒物监测数据的置信区间，该区间即为该运维机构颗粒物监测的偏倚。美国环保署对PM2.5分析仪监测数据准确度的质控目标为偏倚控制在±10%以内，对PM2.5-10分析仪为偏倚控制在±15%以内[8]。

(6)

式中：n为固定周期内某运维机构进行的PEP核查次数；di为各次PEP核查的相对偏差(以PEP项目手工方法测得的浓度为真值)；t0.95,n-1为n-1自由度下95%位的t分布值。

由于手工方法测量颗粒物浓度受到采样环节与称量环节等多方面的影响，美国环保署专门编制了用于PEP项目的现场作业指导书和质量保证计划，对滤膜性能、滤膜运输、滤膜称量、空白滤膜、切割流量校准、采样器验漏、采样器传感器(温度、气压、流量)校准等各项关键环节的操作进行了详细的说明，并对各项关键参数提出了明确的测量质量目标(MQO)。通过在采样环节和称量环节的质控措施，有效控制手工方法测量颗粒物浓度的误差和不确定度[10]。

此外，为审核用于PEP项目现场的手工采样器的性能，美国环保署在比对平台上对用于现场检查的手工采样器进行了连续的集中比对，并通过汇总统计手工采样器比对的历史数据，提出了明确的合格标准(相对偏差≤15%)。通过审核手工采样器的性能，及时筛查出不合格的手工采样器，从源头上保证了PEP项目现场检查结果的准确[9]。

1.3美国环境空气监测数据质量核查工作的主要特点

1.3.1 职责分工明确

数据质量核查体系中明确了美国环保署-区域中心-运维机构的分工，做到了外查和自查相结合。美国环保署的空气质量计划与标准办公室(Office of Air Quality Planning and Standards)制定技术规范和核查计划指导区域中心与运维公司的外查和自查活动，并汇总统计核查结果用于评价各点位、各运维机构监测数据的精准度。运维机构通过周期性的自查活动，在上报美国环保署用于评估数据质量的同时，能够及时发现自身运维工作存在的问题。通过区域中心执行的外查项目(NPAP、PEP)，美国环保署能够获得来自运维机构外部的核查数据，在客观的评价数据质量的同时，以外查压力督促各运维机构时刻关注监测数据质量，保证质量体系的有效运行。

1.3.2 数据利用充分

美国环保署以数据质量核查结果为基础，结合各类统计学方法，在评估监测数据质量，编制监测数据质量报告的同时，根据数据质量的变化趋势，及时更新各类数据质量目标(DQO)和MQO，通过质量目标驱动数据质量的持续提升。

1.3.3 规范体系健全

美国环保署通过联邦法规、技术导则、作业指导书等覆盖各类数据质量核查的文件，构建了适用于数据质量核查工作的技术体系和质量体系。在通过技术体系保障和指导核查工作的同时，以质量体系保障核查数据质量，使核查体系运行高效、质量可控。

1.3.4 注重技术保障

美国环保署在进行数据质量核查工作的同时，及时更新核查技术和统计算法。并通过网络平台保障各类核查数据能够及时上传至美国环保署，并自动生成各类可视化图表供管理人员参考。

2 建设国控网监测数据质量核查体系的思考

目前，环保部已通过颗粒物、臭氧等重要污染物的飞行检查工作并开展对各地方、各运维公司的数据质量核查工作，但在核查计划制定、责任分工、规范编制、数据收集、利用、计算等方面仍有较大的提升空间。

参考美国环境空气监测数据质量核查体系的经验，中国未来应进一步建立健全国控网监测数据质量核查体系(图2)，为此归纳总结了6项具体建议。

图2 未来国控网监测数据质量核查体系Fig.2 The future data quality assessment system of national ambient air monitoring network

2.1完善核查项目，制定核查计划

监测运维事权上收后，环保部需要对国控网全部点位6项常规污染物监测数据质量进行评估，并以此为参考考核各运维公司的工作成果，这就要求加快构建涵盖6项常规污染物监测数据精准度的核查项目。此外，应尽快出台国控网数据质量核查计划，明确各项核查项目执行频率，规定各地区、各运维公司负责区域执行各项核查项目的点位数量，保证核查结果能够代表固定周期内不同点位、不同区域、不同运维公司的数据质量的真实情况。在事权上收完成后一定周期内，应在核查能力允许的情况下，增加外部核查的密度，以持续的核查压力督促各运维公司贯彻质量体系，保障监测数据质量。

2.2明确责任分工，成立区域中心

在未来国控网的数据质量核查体系中，应明确各项核查项目的实施主体。运维公司作为运维工作的实施主体，应承担相应的数据质量核查项目，特别是一些间隔较短、频率较高的核查项目。此类核查结果在上报环保部用于评估监测数据质量，掌握质量变化趋势的同时，能够帮助运维公司查找负责点位的质量问题，及时纠偏。

与此同时，运维公司作为被考核对象，不能仅依靠其自查结果对其进行考核。因此，环保部门应通过类似于NPAP或PEP项目的外查工作，对运维公司负责区域的数据质量进行外查，从外部对其数据的精准度进行客观评估，在考核各公司运维工作的同时，为评估国控网数据质量提供客观数据。

与美国不同，中国尚未建立区域中心，对运维公司进行数据质量外查的力量较弱。以颗粒物核查项目为例，参考美国环保署PEP项目6年覆盖全部点位的要求，国内每年需进行约250次颗粒物外查，仅依靠中国环境监测总站现有核查力量较难实现。因此，可考虑吸收技术实力较强的地方环境监测站或社会检测机构成立区域质量核查中心[14]，通过政府购买服务的形式使其执行环保部制定的数据质量核查计划，并将数据上报至环保部，用于从外部评价各运维公司负责区域监测数据的准确度和精密度，客观评估国控网数据质量。

2.3修订相关标准，统一核查方法

环保部门应针对不同核查项目尽快修订相关技术标准，统一数据质量核查方法，保证核查项目的数据质量。在气态污染物数据质量核查相关规范中，应充分考虑其浓度区间的选择和核查方法选择，保证核查项目能够反映日常浓度区间中真实的精准度。在颗粒物数据质量核查相关规范中，应充分考虑参比采样器的审核、切割流量校准、验漏、传感器校准、称量条件等各项关键环节，保证手工方法测量的颗粒物标准浓度的精准度。

2.4建设网络平台，数据实时上传

目前，国内尚缺乏统一的环境空气监测质控数据网络平台，在未来的数据质量核查工作中，将难以实时收集运维公司和区域中心进行的数据质量核查数据，也无法自动生成各点位、各运维公司、各地区数据质量的可视化图表，将消耗大量人力用于数据的录入、检查、汇总、统计与做图。因此，应尽快建设统一的质控数据网络平台，实现核查数据实时上传，平台自动完成汇总、统计、做图，充分利用核查大数据，为管理部门及时掌握国控网数据质量及其变化趋势提供准确便捷的数据服务。

2.5研究统计方法，明确质量目标

大量的数据质量核查结果需要经过科学的汇总统计后才能正确的反应固定周期内各点位、各运维公司、各地区监测数据的精准度。但是，通过对已经进行的国控网臭氧和颗粒物的飞行检查数据进行汇总统计发现，由于个别点位的数据存在严重的异常偏离，导致照搬美国环保署的统计方法难以正确的反映中国监测数据的准确度和精密度。因此，国内应加强相关统计方法研究，以科学、准确的评估监测数据的精准度。

数据质量核查结果经过汇总统计后，可以为制定质量目标提供数据支撑，有助于通过目标驱动监测数据质量的进步。但应当注意的是，国内处在环境空气自动监测的大发展时期，数据质量可能在未来一段时间内迅速提升，数据质量目标应根据核查结果进行及时更新，以适应数据质量的提升速度，持续驱动数据质量的进步。

2.6针对异常点位，开展重点检查

针对数据审核工作、数据质量监视系统及其他途径发现的出现连续异常浓度的点位，应建立数据质量核查响应机制，迅速启动由中国环境监测总站或区域中心实施的现场核查，对影响仪器测量的关键参数、关键环节进行现场检查，并进行连续的现场比对，以评估该点位相关污染物测量的精准度，调查连续异常浓度的出现原因。

3 总结

综上所述，在参考美国环境空气监测数据质量核查体系的经验基础上，国家应加快建设区域质量核查中心，修订核查标准，建设质控数据平台，建立健全的环境空气监测网数据质量核查体系。通过覆盖至国控网各点位、各运维公司、各地区、各时段的自查和外查项目，在评估国控网监测数据精准度的同时，以核查压力有效提升监测事权上收后国控网的监测数据质量。

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ExperienceandIlluminationofDataQualityAssessmentSystemforAmbientAirMonitoringintheUnitedStates

SHI Yaolong, YANG Jing, CHAI Wenxuan, TENG Man, YAO Yawei, CHU Baolin, FU Qiang

State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

X830.5

A

1002-6002(2017)03- 0008- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.02

2016-10-18；

2016-11-15

国家环保公益性行业科研专项“国家环境监测网环境空气自动监测(PM2.5、O3)质量保证与质量控制技术体系研究与示范”(201409011)

师耀龙(1988-)，男，河北保定人，博士，工程师。

楚宝临