观点
陈松蹊研究团队:“国十条”大考在即,京津冀空气质量能过关吗?
发布时间:2017-08-07

立秋为漫长的夏天划上了句号

秋高气爽、惠风和畅本是值得期待的转变

但对难得常见蓝天的京津冀而言

却意味着空气可能很快要变“灰”了

今年,《大气污染防治行动计划》期限将至

而环保部年中公布的

PM2.5上半年同比上升14.3%”的消息

让人不禁为京津冀捏把汗

几年过去,污染有没有减少?

咱的空气质量今年能达标吗?

本文介绍的北大统计团队最新研究报告

将帮助我们寻找答案

    这份报告是由北京大学统计科学中心与北京大学光华管理学院陈松蹊研究团队完成的第四份关于国内重点区域空气质量状况评估的研究报告。前三份报告分别发布于2015年、2016年和2017年的三月份,此前我们在“北京大学光华管理学院”微信公众号均向读者进行过介绍(详见文末列表)。
    以下内容摘编自《空气质量评估报告(四)——京津冀2013-2016年区域污染状况评估》,报告研究了六种空气质量常规污染物:PM2.5PM10、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)的数据,我们这里将着重介绍其中PM2.5部分。为方便大众阅读,文中省略了关于研究背景和统计方法的一些具体内容,感兴趣的读者请在点击“阅读原文”下载全文进行阅读。
 

两点说明:
1、由于20131月和2月京津冀地区站点的空气污染物数据有较高比例的缺失,数据质量不高,所以此报告选取的数据时段为20133月到20175月。因此,报告中使用的“年”并非自然年,而是一年的3月份到下一年2月份的“季节年”,涵盖一个完整的四季。
2、由于空气质量状况受气象条件的影响很大,为了得出并比较某一季节不同年份的空气质量数据,报告沿用前三个报告的方法,对污染物浓度进行气象调整,剔除了气象因素对空气质量的影响。计算京津冀地区各个城市在可比气象条件下各污染物的平均值浓度和90%分位数浓度,并对其进行比较和分析(污染物的平均值浓度反映了一个城市空气质量的平均水平,而其90%分位数浓度则刻画了该城市最严重的10%的极端污染状况)。
 

    京津冀地区是中国目前空气污染最严重的区域,也是中国大气污染治理的首要之地。从地理条件来看,京津冀大部分区域(张家口和承德除外)位于华北平原北部,西靠太行山脉,北依燕山,东临渤海,呈现半封闭的地形。京津冀地区的几个主要城市,北京、保定、石家庄、邢台和邯郸都坐落在太行山脚下,大气扩散条件差,非常不利于污染物的扩散。这一地形因素使得该地区的大气环境承载能力并不高,不适合聚集大量的工业,尤其是炼钢、炼铁、炼焦、造水泥等高污染行业。
    然而,2001年后河北省也迅速发展成为一个重工业大省,成为中国乃至世界第一的钢铁生产地区。不仅如此,华北平原南部的山东和河南也是能源消耗大户。如果遇到不利的气象扩散条件,过量的排放极易导致京津冀地区持续的极端污染。


京津冀13PM2.5 2013-2016经气象调整后的年均值浓度变化

    2013年初我国建立大气污染监测网络,实时监测包括PM2.5在内的六种常规污染物(PM2.5PM10、二氧化氮、二氧化硫、臭氧和一氧化碳)的浓度。20139月,国务院发布了《大气污染防治行动计划》[4],即“国十条”,设定了全国主要区域2017年空气质量的具体指标:到2017年,全国地级及以上城市可吸入颗粒物(PM10)浓度比2012年下降10%以上;优良天数逐年提高;京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物(PM2.5)浓度分别下降25%20%15%左右,其中北京市细颗粒物年均浓度控制在60微克/立方米左右。如今,我们已经步入了2017年的考核年,人们普遍关心的问题是“近年来,京津冀地区空气质量是否有所好转,如有好转,改善幅度是多少”,2017年污染物浓度下降的目标能否实现”。
    本报告将通过分析和评估北京市、天津市以及河北省11个地级市共13个城市的空气质量监测数据来回答以上问题。我们将基于73个国控空气质量监测站点(北京市11个、天津市11个,河北省51个)20133月至20175月污染物监测数据和25个气象站点过去七年的气象数据(数据总量超过4400万条),科学分析和评估京津冀地区过去四年多空气质量实际状态和变化趋势。
    以下三个图是京津冀地区13个城市从20133月到20175月经过气象调整,以季节为单位的PM2.5季节均值和90%分位数浓度,以此可以分析京津冀地区PM2.5的情况。

京津冀13市气象调整后PM2.5季节平均值浓度时间序列(微克/立方米)

 京津冀13市气象调整后PM2.5季节90%分位数浓度的时间序列(微克/立方米)

京津冀13
市气象调整后PM2.5季节平均浓度的变化序列(微克/立方米)

    前两张图分别展示了京津冀13个城市过去17个季节(2013年春季至2017年春季)经气象调整的PM2.5均值浓度和90%分位数浓度随时间变化的情况,后一张图展示了各城市调整均值在每个给定季节的时间序列。由此,我们可以总结出京津冀地区过去四年PM2.5浓度具有如下几个特征:

三个区域划分

    从京津冀13PM2.5浓度的季节变化趋势和浓度水平,我们可以清晰地将其划分为三个区域,每个区域内城市间具有相近的PM2.5浓度水平和相似的季节分布特征:(1)沿太行山脉的保定、石家庄、邢台、邯郸和衡水;(2)环渤海的唐山、天津、沧州,外加北京和廊坊;(3)北部的张家口、承德和秦皇岛。三个区域PM2.5污染程度由重到轻分别是沿太行山脉的五个城市、环渤海的五个城市和北部的三个城市。
    我们建议,每个区域内的城市实施相同的大气污染防治措施和策略,对症下药,提高京津冀大气污染防治的效率。

冬重夏轻的季节特征

    京津冀13个城市中,除张家口外,其余12个城市的PM2.5浓度均有比较明显的季节特征,即PM2.5浓度在冬季最高,秋季次之,春季较好,夏季最轻。这一季节特征在沿太行山的五个城市尤为明显。这五个城市冬季的PM2.5平均浓度一般是夏季的23倍。 相比之下,环渤海区域的五个城市季节变化要明显小于沿太行山的五个城市,它们冬夏季的浓度比一般介于12之间。北部城市的季节特征更加微弱。 

    值得一提的是,在PM2.5浓度最低的夏季,平原上的10个城市(除了北部三市)夏季PM2.5浓度在2013年均高于75微克/立方米,平均为90.4微克/立方米,处于中度污染的水平。在2016年,京津冀13个城市夏季的PM2.5浓度平均为54.4微克/立方米,相比2013年下降了39.8%,这反映了区域内空气质量的显著改善。

极端污染情况冬季多发

    90%分位数浓度刻画了各个季节的极端污染情况,代表着在这个季节内只有10%的时间PM2.5浓度高于该浓度。我们发现,除了北部个别城市之外,沿太行山和环渤海城市的极端污染在冬季最严重。其中,2013年和2016年冬季最严重的城市是石家庄(90%分位数分别是489微克/立方米和402微克/立方米),20142015年冬季最严重的是保定(90%分位数分别是382微克/立方米和340微克/立方米)。2013-2015年,京津冀地区的极端污染严重程度也在不断下降,但是在2016年有所反弹。而对北京的计算结果显示,其冬季90%分位数浓度从2013年的240微克/立方米下降到2015年的229微克/立方米,但在2016年又上升至261微克/立方米。
    以下两个图分别给出了经气象调整后,在一个给定季节下,PM2.5浓度的季均值过去四年的变化;以及京津冀13个城市2013年至2016年,经气象调整后的年均值。

京津冀13市气象调整后PM2.5年平均浓度变化序列(微克/立方米)

京津冀13市气象调整后PM2.5四年(季节年)累计降幅及年平均降幅

改善情况在2016年出现反弹

    我们发现,四年来,PM2.5浓度在每个季度平均同比都有一定下降,年均值浓度的下降得益于整体浓度下降,而非某一个季节的贡献,但下降幅度在2016年有所减缓,部分城市不降反升。相比于2015年,沿太行和环渤海城市平均分别只下降了3.9微克/立方米和3.1微克/立方米,而北部城市上升0.4微克/立方米。这主要是由于2016年秋季和冬季PM2.5浓度的大幅升高。例如,保定2016年秋冬季节PM2.5浓度较2015年分别上升了19.1微克/立方米和19.4微克/立方米,涨幅分别为20.8%12.4%。石家庄2016年秋冬季节PM2.5的浓度与2015年相比,更是上升了47.9微克/立方米和57.4微克/立方米,涨幅分别达到66%46%。

污染降幅最大的城市是……

    过去四年,京津冀地区的PM2.5浓度总体有显著降低,13个城市的年平均浓度从2013年的100.1微克/立方米下降到2016年的72.5微克/立方米,降幅超过27%。其中沿太行区域五个城市(保、石、邢、邯、衡)的PM2.5平均浓度从2013年的130.6微克/立方米降至2016年的91.1微克/立方米,降幅达30.3%,超过京津冀的平均降幅。环渤海区域的五个城市(唐、津、京、廊、沧)PM2.5平均浓度从2013年的97.1微克/立方米降至2016年的73.6微克/立方米,降幅为24.2%,略低于京津冀的平均降幅。而北部区域的三个城市(张、承、秦)的PM2.5年平均浓度从2013年的54微克/立方米降至2016年的39.9微克/立方米,降幅26.2%,基本与京津冀的平均降幅持平。
    分城市来看,石家庄、邢台、邯郸、唐山、廊坊、承德、张家口的降幅均超过了27%,其中,邢台降幅最大,累积降幅超过了40%;秦皇岛、天津、保定的降幅介于10%20%之间;北京四年累计降幅最低,仅为6.7%,这导致北京的PM2.5浓度由2013年在13个城市中排名第10上升至2016年的第6名。在13个城市中,石家庄虽然累积降幅为27%左右,但其2013年和2016年的PM2.5调整浓度均居13市之首。
    看到这里,心急的小伙伴可能想问:说了这么多,京津冀空气质量今年到底能不能达标?别急,我们用报告里的更多干货让你心里有谱!

整体过关有希望

    经过四年的治理,京津冀地区PM2.5PM10污染已经有了明显改善:13PM2.5PM10平均浓度分别从2013年的100.1微克/立方米和182.7微克/立方米下降到2016年的72.5微克/立方米和125.7微克/立方米,降幅达27%31%。就整个区域而言,只要2017年的颗粒物浓度比2016年没有大的反弹,京津冀地区应该可以完成“国十条”所设下降25%的目标。

北京达标挑战大

    需要强调的是,京津冀13市颗粒物污染浓度的改善情况并不均衡。其中北京市PM2.5平均浓度从2013年的82.7微克/立方米下降到2016年的77.2微克/立方米,降幅仅为6.7%,距离“国十条”设立的2017PM2.5年均值60微克/立方米的目标相距还远。尽管2017年春季北京PM2.5的季平均浓度为57微克/立方米,但考虑到PM2.5春夏低、秋冬高的季节特征,北京2017年达标将面临极大挑战。

谁在拖首都空气的后腿?

    北京市PM2.5平均浓度过去四年仅下降6.7% ,是京津冀13市最低的。然而北京过去四年二氧化硫浓度下降超过40%,浓度水平一直处于京津冀13市最低;与此同时,反映北京市机动车排放水平的二氧化氮浓度近四年下降不大。这说明机动车对北京大气污染贡献很大;现有的机动车排放管理措施并不见效。建议北京市使用经济手段替代行政手段减少道路拥堵和调节车辆的使用量,从而实现二氧化氮浓度的大幅度下降。这将为北京PM2.5下降提供新的途径,同时也能遏制臭氧增加的势头。

源头减排也要着眼鲁豫晋三省

    归根结底,大气污染还须从源头预防和治理。得益于京津冀过去四年控制煤炭消耗总量、提高煤炭燃烧效率的措施,排放监管力度的加大和排放标准的提高,PM2.5和二氧化硫浓度显著下降。然而二氧化氮的下降非常有限,臭氧污染不降反增(关于臭氧和相关污染物的报告,请关注接下来的微信推送),这提示了京津冀下一步大气污染防治重点也应放在控制机动车排放和生物质燃烧上;与此同时,冬秋季相对严重的大气污染状况无疑要求进一步减少煤炭消耗。目前,京津冀加上晋鲁豫四省二市每年近13亿吨的消耗,远远超过了京津冀这个半封闭区域的大气环境承载上限。山东2016年的煤炭消耗量是4.37亿吨,是河北的1.6倍。中国产煤第一大省山西的消费量略高于河北;河南省略低于河北。我们建议将山东、山西、河南三省的煤炭消耗减少也列为京津冀大气污染防控的考核、预警指标之一。
 

课题组成员

陈磊,北京大学光华管理学院博士研究生,主要完成人
郭斌,西南财经大学统计学院助理教授,主要完成人
黄家盛,北京大学数学学院博士研究生,主要完成人
张澍一,北京大学光华管理学院博士研究生
王恒放Iowa State University统计系博士研究生
何婧,西南财经大学统计学院助理教授
陈松蹊,北京大学光华管理学院、统计科学中心讲席教授,课题负责人
 

以往空气质量评估报告,请点击:

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