数据与科技

“大气国十条”五年考,北方33市治霾成效排名与分析

时间:2018-04-11

“竹外桃花三两枝,春江水暖鸭先知。”春天气候转暖,万物复苏,本该是风和日丽、春光明媚,然而雾霾和沙尘接踵来袭,让北方的人们猝不及防,首都更接连发布几次空气重污染预警。刚度过一个“蓝冬”,雾霾是否又要抬头?经过多年治理,空气究竟改善多少?就在我们困惑不解之际,陈松蹊教授团队的《空气质量研究报告(五)》得出了最新研究成果,这些对上亿条数据的统计学分析结果,将帮助我们像小鸭探知春江水暖一样,更加准确而深入地了解空气质量,了解我们所处的环境。

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

内容介绍

172个站点1亿2千万条数据

多方位评估“京津冀大气污染传输通道”33个城市空气质量

2013年9月,国务院发布《大气污染防治行动计划》(简称“国十条”)。2017年是“国十条”第一阶段目标的收官之年,为了顺利完成“国十条”制定的目标任务,2017年3月环保部协同有关部门和省市制定了《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》。该方案的实施范围为“京津冀大气污染传输通道”,包括北京,天津,河北省的石家庄、唐山、廊坊、保定、沧州、衡水、邢台、邯郸市;山西省的太原、阳泉、长治、晋城市;山东省的济南、淄博、济宁、德州、聊城、滨州、菏泽市;河南省的郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳市,即“2+26”城市

为了综合评估京津冀周边城市的污染状况,报告在此基础上保留了《空气质量评估报告(四)》中的河北省北部3个地级市张家口、承德、秦皇岛。另外为了使山东济南和济宁之间没有“空隙”,又加上了同山东济南接壤的泰安、莱芜2市。所以本报告覆盖的是“2+31”城市

基于172个国控空气质量监测站点污染物监测数据和43个气象站点过去七年的气象数据(数据总量超过1亿2000万条),报告综合评估了这33个城市过去五年(2013年3月至2018年2月)空气质量实际状态和变化趋势。(注:部分城市在2013年3月份并未开始污染物监测,且存在数据缺失,这些城市的数据从开始监测的时刻算起。)

报告的具体目标:

  • 描述过去五年“2+31”城市六种常规污染物去除气象因素影响后的时间和空间分布特征;

  • 分析京津冀及周边晋鲁豫地区每个城市、每个省份和整个地区六种常规污染物的浓度变化趋势,科学计算该区域“国十条”第一阶段目标的实现情况;

  • 对“2+31”城市空气质量情况做出整体总结,为京津冀及周边晋鲁豫地区空气治理提出切实可行的建议。

报告所使用的污染物数据来自于环保部所属的国控站,共172个监测站点(不包含背景站), 选取的数据时段为2013年3月到2018年2月,涵盖5个完整的季节年(从每年3月份到次年2月份)。报告分析了PM2.5、PM10、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)六种空气质量常规污染物的变化情况,本文中我们将介绍PM2.5、PM10和二氧化硫的结果。

由于气象条件对观测到的空气质量浓度影响很大,报告沿用以往的统计学方法,对污染物浓度进行了气象调整,从而剔除气象因素对空气质量的影响。值得一提的是,本次报告采用了2011年3月到2018年2月累计七年的小时气象数据(比污染数据多2年),以构造更稳定的基准气象条件,来计算各季度空气污染物的浓度。

下图给出了这172个污染物监测站点加7个背景站(红色圆点)和43个气象站点(蓝色三角形)的位置。总体可以看出,污染物监测站点与气象站点地理位置比较相近,匹配度高。从中我们也可以看到目前的国控空气质量监测站点过于集中在城市中心,分散度不高。

京津冀及周边晋鲁豫33个城市区划及其站点分布(●代表空气质量监测站点,▲代表气象站点)

东风西风有差异

科学鉴定风向对空气质量的影响

该报告首次计算了五个主要风向下的污染物气象调整浓度,让我们得以了解各城市的污染输入和输出方向(具体请点击“阅读原文”,下载报告全文)。以PM2.5为例,在各个季节静风下浓度(静风下不易扩散)都显著高于其它风向,而不同城市有利减轻污染的风向不同。比如,对于河北北部城市来说,西北风普遍最有利于PM2.5的扩散,东南风普遍较为不利;对于东部沿海城市来说,东北风普遍较好。见下图:

京津冀及周边晋鲁豫地区33市2014年到2017年气象调整后PM2.5季节平均浓度(微克/立方米)地图

33城PM2.5浓度具有明显的季节和区域特征。太行山东侧从保定向南到河南北部和山东西部为PM2.5高浓度区域, 尤其在污染最严重的秋冬两季。 这一高浓度区域的PM2.5水平在过去四年呈下降趋势,其中河北省的下降主要发生在2015和2017年,而河南北部和山东西部发生在2016年和2017年。山西省过去四年的PM2.5改善甚微。

PM2.5污染排名刷新

谁在逆势坐“前排”?

京津冀及周边晋鲁豫地区33市气象调整后PM2.5季节年平均浓度(微克/立方米)年际变化、城市排名图

⁕ 新乡、濮阳、鹤壁和晋城4城市因为2014年某些季度数据缺失而仅给出2015年至2017年平均浓度,2014、2017季节年的排名均以当年浓度为基准

从城市排名上看,廊坊、天津和北京的排名下降(改善)幅度最大,其中廊坊和天津在2017年退出最严重16强行列,北京更是从第17名下降至第30名,达到了“国十条”设立的2017年年均值60微克/立方米的目标。在2017年退出最严重16强行列的城市还有淄博、唐山和济南,它们分别从2014年的第14、11、16名下降至第18、21、22名。

相比之下,焦作(第19上升至第5)和开封(第22上升至第11)的排名上升幅度最大。2017年加入前16名的还有濮阳、晋城和新乡,这些城市由于2015年之前数据缺失严重,它们的PM2.5年均浓度是从2015年开始的。

二氧化硫改善情况

成大气污染治理最大亮点

京津冀各城市自2013年起逐渐推行“煤改气”、“煤改电”和燃煤脱硫。得益于此,京津冀二氧化硫的降低趋势显著,尤其是沿太行山地区。晋鲁豫地区中,山东九市的二氧化硫浓度降低也很显著,近两年每年降幅均超过25%。区域性二氧化硫的显著下降是京津冀和晋鲁豫过去五年大气污染治理的最大亮点,也是区域范围PM2.5和PM10显著下降的主要推手。我们注意到虽然山西省二氧化硫浓度在2017年下降很多,但是并没有反映到PM2.5和PM10上,并且出现PM2.5不降反升的情况。山西省的情况值得进一步研究。

京津冀及周边晋鲁豫地区33市气象调整后二氧化硫季节年平均浓度(微克/立方米)年际变化、城市排名图

⁕ 新乡、濮阳、鹤壁和晋城4城市因为2014年某些季度数据缺失而仅给出2015年至2017年平均浓度,2014、2017季节年的排名均以当年浓度为基准

33个城市二氧化硫的排名与PM10、PM2.5的排名出入较大。唐山市的颗粒物浓度较低,但是二氧化硫浓度在2017年位居第四位。非常明显的是,北京市的二氧化硫情况从2014年到2017年在所有城市中排名最末,即浓度最低。

对于二氧化硫的排名,2017年较2014年退出最严重16强城市有秦皇岛、焦作、济南和德州。进入最严重16强城市有晋城、沧州、长治和新乡,其中沧州和长治也是所有33个城市中排名上升最多的城市,均上升了14名。

各城市空气质量改善显著

但是不均衡

经过五年的治理,京津冀地区PM2.5和PM10污染已经有了明显改善。京津冀13市PM2.5和PM10平均浓度分别从2013年的103.78微克/立方米和178.35微克/立方米下降到2017年的64.05微克/立方米和114.72微克/立方米,降幅达32.28%和35.68%;北京市PM2.5平均季节年浓度从2013的84.2微克/立方米下降到2017年的55.3微克/立方米,均达到了“国十条”设立的2017年目标。

“2+31”城市气象调整后PM2.5、PM10和二氧化硫年平均浓度时间序列(微克/立方米)

⁕ 虚线表示变化在统计学意义上不显著

沿太行山脉:保定、石家庄、邢台、邯郸和衡水

环渤海:唐山、天津、沧州,北京和廊坊

河北北部:张家口、承德和秦皇岛

河南:安阳、鹤壁、焦作、开封、濮阳、新乡、郑州

山东:滨州、德州、菏泽、济南、济宁、莱芜、聊城、泰安、淄博

山西:太原、阳泉、长治、晋城

山东9城市和河南7城市也完成了“国十条”所规定的PM2.5下降20%的目标。相比之下,山东和河南的减少程度低于京津冀。京津冀平原上“2+8”市PM2.5四年累积降幅为31.2%,而山东、河南、山西省分别为26%、20%和2.6%。PM10四年累积降幅京津冀平原上“2+8”市为28.3%,而山东、河南、山西省分别为19.4%、15.3%和4.9%。鲁豫16市PM2.5年平均值每年减少5微克/立方米左右,远小于京津冀平原上“2+8”市平均每年减少10微克/立方米的水平。山西省近两年PM2.5浓度在持续增加!这些反应了京津冀及周边晋鲁豫大气污染治理的不平衡。山西省要加大颗粒物治理的力度。

2017年秋冬两季京津冀鲁豫地区PM2.5浓度下降明显,沿太行山脉、环渤海、河北北部、山东和河南这五个区域PM2.5秋冬两季四年累积降幅分别为29.1%、29.2%、22.5%、22.6%和14.4%。山西省不降反升,秋冬两季四年累积增幅为3.9%。相比 2016 年,2017 年秋冬两季京津冀鲁豫地区PM2.5浓度明显下降,这跟工业供暖季限产有很大的关系。沿太行山脉、环渤海和河北北部三个区域PM2.5分别下降 20.5%、21.9%和 13.5%。山东、河南分别下降 5.0%和5.2%,而山西升高了9.0%。

尽管过去四年PM10有显著的下降,但2017年“2+31”城市中仍有29个城市的PM10的年均浓度在100微克/立方米以上。近两年几乎所有“2+31”城市PM2.5在PM10中的比例有下降的趋势,说明PM10减少程度低于PM2.5。

治理大气污染的根本

能源使用与监测还需这样做

“京津冀大气污染通道”的33个城市,为什么在5年当中空气改善情况出现明显差异?这和能源使用情况密切相关。我们知道,化石类能源燃烧所产生的排放是产生大气污染物的主要原因,为此报告进一步分析了2011年以来京津冀晋鲁豫四省二市的煤炭消耗及主要工业产品产量情况

▲ 京津冀晋鲁豫四省二市年度煤炭消费量(万吨)

⁕ 1995-2014年数据来自国家统计局网站,2015-2017年数据来自中国煤炭资源网

从上图可以看出,这些城市的煤炭消耗量有增有减。京津冀三省市从2013年的3.9亿吨下降到2017年的2.9亿吨,降幅为25.6%;晋鲁豫三省从2013年的9.5亿吨到2017年的9.2亿吨,仅下降了3.2%,低于全国同期的6.9%;而山东省每年超过4亿吨以上的巨大消耗量是影响四省二市煤炭下降幅度的主要原因。

▲ 冀晋鲁豫四省“其它类”年度煤炭消耗总量(万吨)

继续对煤炭数据进行分析,可以发现近几年煤炭消费的下降主要在含散煤的“其它类”。河北、河南和山西从2014年开始“其它类”煤炭消耗均有显著的下降,目前三省均控制在每年1300万吨以下;而山东“其它类”煤炭消耗过去几年变化不大,高居4500万吨左右。因此,报告建议将京津冀、山东、河南和山西的煤炭消耗量纳入重点监测指标,同时将降低煤炭消耗的重点放在山东省的“其它类”,以促进“京津冀大气污染传输通道”的大气污染防治取得进一步成效。

根据“国十条”给北京市设定的2017年目标(60微克/立方米),以及考虑到近几年我国空气质量的改善情况,报告认为以75微克/立方米作为二十四小时“优良空气”的上界已过于宽松,应对该标准进行调整。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。这将为下一步的大气污染防治提供新的目标和动能。

下期内容预告

二氧化氮和臭氧最新情报和城市污染预警坐标

课题组成员

刘慧杰

北京大学前沿交叉学科研究院硕士研究生,主要完成人

郭斌

西南财经大学统计学院副教授,主要完成人

叶方舒

北京大学环境科学与工程学院本科生

李一溪

北京大学城市与环境学院本科生

郑翔宇

北京大学光华管理学院硕士研究生

何婧

西南财经大学统计学院助理教授

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

以往“空气质量评估报告”报道,请点击:

京津冀臭氧评估【京津冀空气质量报告】

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