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陈松蹊研究团队:“十三五”即将收官,北方68城市蓝天保卫战绩如何 | 北大空气质量报告

发布时间:2020-07-28

时光飞逝,又到了一个“五年目标”的尾声,我们国家的空气污染治理得如何?从目前情况来看,有些城市成绩不错,有些离达标还有点差距;来势汹汹的新冠疫情对空气质量有什么影响?不得已的停工停产却让我们有机会探测到了降低污染的极值范围;那么,困扰了我们多年的雾霾得到驱散了吗?老牌的PM2.5和PM10污染有所好转,然而新的污染物却在悄悄占据“C位”……这些,是北京大学陈松蹊教授研究团队刚刚发布的空气质量分析报告所体现的。

这是自2015年3月以来,该环境统计团队连续推出的第7份系列报告。这次的空气质量数据来源涵盖了京、津2个直辖市和河北、河南、山东、山西、陕西5省所有地级市,达到68个城市,报告分析了新冠肺炎疫情的影响,并同样剔除了气象因素对数据形成的干扰,为我们呈现出更清晰、立体的区域空气质量演变过程。

人类面临越来越多不确定性和挑战,幸而我们总能以专业的能力和认真的态度去改善环境,改善所呼吸的空气。而改善这个世界离不开我们所有人共同的努力。

本文编写自报告内容摘要,阅读完整报告请点击文末链接获取。

▲ 本报告所使用的污染物数据来自于环保部所属的国控站,包含五省二市(即河北、河南、山东、山西、陕西五省及北京、天津二市)全部“2+66”城市354个监测站点(不含背景站),相比第六份报告新增23个城市。

▲ 本报告使用的“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。这同我们之前发布的第三至第六份报告一致。我们的空气质量评估以季节为基本时间单元,其中春季是3月到5月,夏季是6月到8月,秋季是9月到11月,冬季是12月到来年2月。

▲ 本报告将分析六种空气质量常规污染物:PM2.5、PM10、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)和臭氧(O3)。

▲ 本报告沿用前六份报告所提出的统计学气象调整方法,这一方法基于8年历史气象数据构造基准可比气象条件,并在基准气象条件下重新计算污染物的平均浓度,从而去除气象变异的影响。对于2019年也去除了新冠肺炎的影响。

PM2.5和PM10:改善明显但不均衡,“十三五”总体达标仍有压力

2019年PM2.5浓度在扣除气象和疫情影响后下降显著,京津冀位于华北平原的“2+8”市(北京、天津、邯郸、沧州、唐山、邢台、衡水、石家庄、保定、廊坊)下降了14.7微克/立方米(20.2%),这一下降幅度超过上一次2015年的15.5%的降幅。河南、山西2019年PM2.5也下降显著,河南下降了13.7%,山西下降17.3%。以上下降幅度的计算已经去除了气象因素的干扰,这与原始污染物浓度的计算结果有显著区别。2019年PM2.5的下降是二氧化硫、一氧化碳和二氧化氮的大幅下降所致。2019年大气污染大幅度改善一个主要原因是过去几年在京津冀和周边地区逐年增加的散煤替代改气、改电推进力度。

经过近六年的治理,京津冀PM2.5和PM10污染已经有了明显改善。京津冀平原地区“2+8”市PM2.5累积降幅达到51.9%。山东,河南改善幅度次之,分别为32.5%和30.5%;山西和陕西的改善程度较低,累积降幅分别为20.7%和22.3%。PM10累积降幅京津冀平原地区“2+8”市为49.4%;山东和河南次之,分别为30.9%和30.8%;陕西、山西较低,分别为26.5%和18.8%。山西最近两年、陕西最近三年PM2.5和PM10才有下降趋势。

按照“十三五”规划要求,PM2.5未达标(35微克/立方米)地级及以上城市,其PM2.5年均浓度到2020年应该比2015年降低18%。五省二市“2+66”城市2015年PM2.5未达标的城市有67个(张家口2015年已达标)。经过气象及疫情调整后的计算,到2019年有46个在2015-2019年间PM2.5年平均浓度的累计降幅已经达到18%,但仍有21个城市未达到降幅超过18%的标准。分地区看,北京、天津均实现累计降幅18%的指标,河北、河南、山东、山西、陕西分别有11、14、15、3和3个城市实现指标,但有1、3、2、8和7个城市尚未实现。还没有达标的城市主要分布在山西和陕西。

二氧化硫改善成为六年来最大亮点

“2+66”城市二氧化硫浓度近六年稳步显著下降,区域性二氧化硫的显著下降是京津冀及周边晋鲁豫陕地区过去六年大气污染治理的最大亮点,也是区域范围颗粒物浓度显著下降的主要动力。京津冀、河南、山东、山西、陕西过去六年分别降低72.8%、74.2%、74.9%、67.1%、60.9%。“2+66”城市一氧化碳的下降幅度要小于二氧化硫的下降幅度。2019 年一氧化碳年均浓度也有显著下降。相比2018年,京津冀平原“2+8”城市、河南、山东、山西、陕西2019年平均浓度分别下降15.9%、16.7%、6.4%、14.1%、18.7%。

山西近六年二氧化硫和一氧化碳虽然下降明显,但是仍是五省二市七个区域中浓度最高的地区,同时唐山、临汾、大同等重工业城市仍全年保持较高污染水平,以上地区二氧化硫和一氧化碳仍需进一步治理。

二氧化氮:多年“顽疾”显示好转迹象

“2+66”城市二氧化氮改善程度一直不及二氧化硫和一氧化碳,但2019年二氧化氮在京津冀平原“2+8”城市、河南、陕西出现改善迹象,分别下降4.7、3.6、2.5微克/立方米,这是一个可喜的迹象。然而山东、山西只下降0.7、0.3微克/立方米,过去三年分别减少0.3、-3.2微克/立方米,这两个省还没有找到减少二氧化氮的有效方案。

二氧化氮主要来源于机动车尾气及生物质燃烧,鉴于本研究涉及的国控站点多在城市中心区,其所度量的二氧化氮应该主要源于机动车排放,故机动车排放的控制应是下一步大气治理的重点。我们建议各省市采取措施有效减少机动车所生成的二氧化氮浓度,这在遏制臭氧的上升同时也为颗粒物浓度下降提供新的路径。


“2+66”城市去除气象和疫情因素影响后PM2.5、PM10、二氧化硫和一氧化碳年平均浓度时间序列

(一氧化碳单位为毫克/立方米,其余污染物单位为微克/立方米)

实线(虚线)代表在5%统计学显著水平比上年有(无)显著增加或减少

其中河北北部:张家口、承德、秦皇岛;环渤海:唐山、天津、沧州,北京、廊坊;

沿太行山脉:保定、石家庄、邢台、邯郸、衡水。

“2+66”城市去除气象和疫情因素影响后二氧化氮和臭氧8小时年(或春夏)平均浓度时间序列(微克/立方米)实线(虚线)代表在5%统计学显著水平比上年有(无)显著增加或减少

PM2.5尚未唱罢臭氧欲争“C位”

臭氧常被形容为“在天是佛,近地成魔”,由于其强氧化性,能与呼吸道中的细胞、流体和组织快速反应,导致肺功能减弱和组织损伤。长短期暴露在高浓度臭氧中都可能会对呼吸系统、肺部、眼部等造成损害。同时,臭氧可促使空气中的大量气体污染物转化为颗粒物,进而转化为PM2.5。因此,近地面臭氧浓度超标的危害程度不亚于PM2.5超标。目前臭氧污染已经成为发达国家面临的主要大气问题,而中国这几年臭氧污染问题也日益突出,臭氧和 PM2.5已成为中国大气污染的两个首要污染物。“2+66”城市所在的五省二市过去六年8小时(中午12点-晚上7点)臭氧浓度均呈现上升的趋势,2019年持续恶化且未有减缓趋势。相较于2018年,京津冀平原“2+8”城市、河南、山东、山西、陕西2019年春夏平均浓度上升3.1%、3.6%、5.2%、5.6%、4.4%,区域内臭氧污染加重的问题日益突出。京津冀平原上“2+8”市、山东、山西、河南、陕西过去六年累积增幅分别为33.1%、24.4%、74.6%、40.7%和34.9%,2019臭氧年浓度最高的前8个城市均在山东省,山西的春夏平均臭氧浓度几乎翻倍,在逼近山东、河南的水平,情况也令人担忧。

我们建议像管控PM2.5一样,对京津冀地区乃至全国主要污染区域设定臭氧改善的具体数值目标,以便采取有力措施通过显著降低区域内二氧化氮和一氧化碳浓度及时遏制其增长的趋势、有效降低臭氧浓度。避免部分地区面临颗粒物和臭氧“双面夹击”的局面。

防控新冠疫情探测出空气质量控制极限值

受新冠疫情影响,1月23日武汉封城后全国迅速采取大规模人群居家隔离、复工延迟等举措以控制疫情。疫情防控举措对大气污染有何影响?为此我们做了统计学的准实验。我们使用Difference in adjusted-Difference方法来估计2020年2月的污染物浓度在不受疫情防控措施影响下的预期水平。

“2+66”城市2020年2月疫情调整前后主要污染物平均浓度降幅(负数表示调整后浓度上升)

“2+66”城市2020年2月疫情调整前后主要污染物的平均浓度降幅如上图所示。对于颗粒物浓度,受疫情影响,五省二市中共57个城市有额外下降,导致PM2.5和PM10在2020年2月平均浓度降幅平均值达29.8和17.8微克/立方米,其中山东、河南受疫情影响降幅较大。

二氧化氮受疫情影响最为显著,五省二市2020年2月平均浓度一致下降,降幅平均值为16.9微克/立方米(39.6%)。这是由于二氧化氮主要污染来源之一为城市交通,后者因疫情管控受到严格控制。二氧化硫和一氧化碳浓度受疫情影响相对较小。五省二市2020年2月二氧化硫平均浓度降幅平均值为1.7微克/立方米;一氧化碳2020年2月平均浓度降幅平均值为0.18毫克/立方米。

由于二月份疫情期间主要重工业品的产量,除了建材和发电外,同去年同期和疫情爆发前的12月和1月均没有太大变化,有的品种甚至增加,我们认为疫情期间PM2.5的下降主要是由于人群隔离所导致的二氧化氮下降所产生的。

新冠疫情为我们提供了获得冬季中国北方地区大气污染下界的机会。从以上汇总的污染物受疫情影响的下降的百分比值,我们得到在目前供暖,电力和基本生产的排放模式下,中国北方冬季PM2.5最多还有30.9%的下降空间,二氧化氮最多39.6%,而二氧化硫和一氧化碳的下降空间最小,分别只有10.0%和13.9%。

但由于在一般情况下并无法实施疫情期间的防控措施,所以以上极限并不能轻易达到。这说明,北方地区在目前的排放模式下达到PM2.5达到35微克/立方米以下的目标,会有相当大的挑战。我们注意到北方地区在过去几年开始的散煤替代、煤改气、煤改电对大气污染所带来的大气污染的改善已经有相当多的释放。所以产业结构的改善和升级应该是改善北方地区大气污染的根本途径。

建议提高“良”的标准,帮助人群加强防护

中国空气质量已有非常显著的改善。“2+66”城市PM2.5年中位数浓度已从2015年的76.6微克/立方米,降至2019年的55.5微克/立方米。我们认为目前以PM2.5为75微克/立方米作为空气质量“良”的上限已过于宽松。我们注意到印度和孟加拉国PM2.5“良”的标准分别为60和65微克/立方米,均比中国目前使用的WHO“过渡时期”的初级指标所建议的75微克/立方米严格。建议使用WHO“过渡时期”第二级指标所给定的50微克/立方米作为“良”的上限,以减少中国公民的长期污染暴露水平。



PM2.5在50和75微克/立方米标准下,2015、2018和2019年各地区平均优良率占比情况

如上图所示,在50微克/立方米为“良”标准下,虽然各城市优良空气占比平均下降17.45%,但2019年除安阳(48.6%)、太原(49.9%)外,所有城市“优良空气”占比都超过50%,其中22个城市优良空气占比在60%以上。各城市的“蓝天”天数仍然会保持在50%以上。大量科学研究发现长期暴露在PM2.5浓度35微克/立方米至75微克/立方米的空气中会对人体健康造成危害。使用50微克/立方米作为“良”的上界,将提高中国手机、网页污染等级提示的标准,将使中国人群能实行更有效的保护措施,减少我国人群污染暴露水平。提高“良”的标准也会降低未来个人及国家的医疗健康开支,为下一步大气污染防治行动计划提供更高的目标和新的动能。

课题组成员

孙浩轩,北京大学前沿交叉学科研究院硕士研究生

游威,北京大学光华管理学院本科生

郭斌,西南财经大学统计研究中心,统计学院副教授

罗山杉,北京师范大学数学学院本科生

郑翔宇,北京大学光华管理学院博士研究生

韩天实,北京大学光华管理学院硕士研究生

王心怡,北京大学元培学院本科生

刘睿,北京大学数学科学学院本科生

黄雅轩,北京大学元培学院本科生

何婧,西南财经大学统计学院助理教授

陈力,北京大学前沿交叉学科研究院硕士研究生

王恒放,Iowa State University统计系博士研究生

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

陈松蹊,北京大学讲席教授,国家特聘专家;光华管理学院商务统计与经济计量联席系主任;北京大学统计科学中心创始主任。全职北大之前是Iowa State University统计学教授。他是美国科学促进会、数理统计学会,美国统计学会会士。2017年获教育部自然科学奖一等奖。已经发表96篇学术论文,SCI H-index 31。他的研究方法包括:高维数据统计推断和大数据统计算法。自2014年开始对中国大气污染进行统计学分析,提出去除气象干扰的空气质量评估方法和人努力-天帮忙指数,过去六年团队发布了七份空气质量评估报告。

系列报告回顾

《空气质量评估报告:北京城区2010-2014年PM2.5污染状况研究》(2015年3月)

《空气质量评估报告(二):中国五城市空气污染状况之统计学分析》(2016年3月)

《空气质量评估报告(三):北京地区2013-2016年区域污染状况评估》(2017年3月)

《空气质量评估报告(四):京津冀2013-2016年区域污染状况评估》(2017年8月)

《空气质量评估报告(五):“2+31”城市2013-2017年区域污染状况评估》(2018年4月)

《空气质量评估报告(六)——“2+43”城市2013-2018年区域污染状况评估》(2019年4月)

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空气质量评估报告(七)

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