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      2. 陳松蹊研究團隊:“十三五”北方68城市藍天保衛戰績如何

        時光飛逝,又到了一個“五年目標”的尾聲,我們國家的空氣污染治理得如何?從目前情況來看,有些城市成績不錯,有些離達標還有點差距;來勢洶洶的新冠疫情對空氣質量有什么影響?不得已的停工停產卻讓我們有機會探測到了降低污染的極值范圍;那么,困擾了我們多年的霧霾得到驅散了嗎?老牌的PM2.5和PM10污染有所好轉,然而新的污染物卻在悄悄占據“C位”……這些,是北京大學陳松蹊教授研究團隊剛剛發布的空氣質量分析報告所體現的。

        這是自2015年3月以來,該環境統計團隊連續推出的第7份系列報告。這次的空氣質量數據來源涵蓋了京、津2個直轄市和河北、河南、山東、山西、陜西5省所有地級市,達到68個城市,報告分析了新冠肺炎疫情的影響,并同樣剔除了氣象因素對數據形成的干擾,為我們呈現出更清晰、立體的區域空氣質量演變過程。

        人類面臨越來越多不確定性和挑戰,幸而我們總能以專業的能力和認真的態度去改善環境,改善所呼吸的空氣。而改善這個世界離不開我們所有人共同的努力。

        本文編寫自報告內容摘要,閱讀完整報告請點擊鏈接獲取。

        ▲本報告所使用的污染物數據來自于環保部所屬的國控站,包含五省二市(即河北、河南、山東、山西、陜西五省及北京、天津二市)全部“2+66”城市354個監測站點(不含背景站),相比第六份報告新增23個城市。

        ▲本報告使用的“年”并非自然年,而是一年的3月份到下一年2月份的“季節年”,涵蓋一個完整的四季。這同我們之前發布的第三至第六份報告一致。我們的空氣質量評估以季節為基本時間單元,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月到來年2月。

        ▲本報告將分析六種空氣質量常規污染物:PM2.5、PM10、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)和臭氧(O3)。

        ▲本報告沿用前六份報告所提出的統計學氣象調整方法,這一方法基于8年歷史氣象數據構造基準可比氣象條件,并在基準氣象條件下重新計算污染物的平均濃度,從而去除氣象變異的影響。對于2019年也去除了新冠肺炎的影響。

        PM2.5和PM10:改善明顯但不均衡,“十三五”總體達標仍有壓力

        2019年PM2.5濃度在扣除氣象和疫情影響后下降顯著,京津冀位于華北平原的“2+8”市(北京、天津、邯鄲、滄州、唐山、邢臺、衡水、石家莊、保定、廊坊)下降了14.7微克/立方米(20.2%),這一下降幅度超過上一次2015年的15.5%的降幅。河南、山西2019年PM2.5也下降顯著,河南下降了13.7%,山西下降17.3%。以上下降幅度的計算已經去除了氣象因素的干擾,這與原始污染物濃度的計算結果有顯著區別。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年大氣污染大幅度改善一個主要原因是過去幾年在京津冀和周邊地區逐年增加的散煤替代改氣、改電推進力度。

        經過近六年的治理,京津冀PM2.5和PM10污染已經有了明顯改善。京津冀平原地區“2+8”市PM2.5累積降幅達到51.9%。山東,河南改善幅度次之,分別為32.5%和30.5%;山西和陜西的改善程度較低,累積降幅分別為20.7%和22.3%。PM10累積降幅京津冀平原地區“2+8”市為49.4%;山東和河南次之,分別為30.9%和30.8%;陜西、山西較低,分別為26.5%和18.8%。山西最近兩年、陜西最近三年PM2.5和PM10才有下降趨勢。

        按照“十三五”規劃要求,PM2.5未達標(35微克/立方米)地級及以上城市,其PM2.5年均濃度到2020年應該比2015年降低18%。五省二市“2+66”城市2015年PM2.5未達標的城市有67個(張家口2015年已達標)。經過氣象及疫情調整后的計算,到2019年有46個在2015-2019年間PM2.5年平均濃度的累計降幅已經達到18%,但仍有21個城市未達到降幅超過18%的標準。分地區看,北京、天津均實現累計降幅18%的指標,河北、河南、山東、山西、陜西分別有11、14、15、3和3個城市實現指標,但有1、3、2、8和7個城市尚未實現。還沒有達標的城市主要分布在山西和陜西。

        二氧化硫改善成為六年來最大亮點

        “2+66”城市二氧化硫濃度近六年穩步顯著下降,區域性二氧化硫的顯著下降是京津冀及周邊晉魯豫陜地區過去六年大氣污染治理的最大亮點,也是區域范圍顆粒物濃度顯著下降的主要動力。京津冀、河南、山東、山西、陜西過去六年分別降低72.8%、74.2%、74.9%、67.1%、60.9%?!?+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 年一氧化碳年均濃度也有顯著下降。相比2018年,京津冀平原“2+8”城市、河南、山東、山西、陜西2019年平均濃度分別下降15.9%、16.7%、6.4%、14.1%、18.7%。

        山西近六年二氧化硫和一氧化碳雖然下降明顯,但是仍是五省二市七個區域中濃度最高的地區,同時唐山、臨汾、大同等重工業城市仍全年保持較高污染水平,以上地區二氧化硫和一氧化碳仍需進一步治理。

        二氧化氮:多年“頑疾”顯示好轉跡象

        “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、陜西出現改善跡象,分別下降4.7、3.6、2.5微克/立方米,這是一個可喜的跡象。然而山東、山西只下降0.7、0.3微克/立方米,過去三年分別減少0.3、-3.2微克/立方米,這兩個省還沒有找到減少二氧化氮的有效方案。

        二氧化氮主要來源于機動車尾氣及生物質燃燒,鑒于本研究涉及的國控站點多在城市中心區,其所度量的二氧化氮應該主要源于機動車排放,故機動車排放的控制應是下一步大氣治理的重點。我們建議各省市采取措施有效減少機動車所生成的二氧化氮濃度,這在遏制臭氧的上升同時也為顆粒物濃度下降提供新的路徑。

        “2+66”城市去除氣象和疫情因素影響后PM2.5、PM10、二氧化硫和一氧化碳年平均濃度時間序列

        (一氧化碳單位為毫克/立方米,其余污染物單位為微克/立方米)

        實線(虛線)代表在5%統計學顯著水平比上年有(無)顯著增加或減少

        其中河北北部:張家口、承德、秦皇島;環渤海:唐山、天津、滄州,北京、廊坊;

        沿太行山脈:保定、石家莊、邢臺、邯鄲、衡水。

        “2+66”城市去除氣象和疫情因素影響后二氧化氮和臭氧8小時年(或春夏)平均濃度時間序列(微克/立方米)實線(虛線)代表在5%統計學顯著水平比上年有(無)顯著增加或減少

        PM2.5尚未唱罷臭氧欲爭“C位”

        臭氧常被形容為“在天是佛,近地成魔”,由于其強氧化性,能與呼吸道中的細胞、流體和組織快速反應,導致肺功能減弱和組織損傷。長短期暴露在高濃度臭氧中都可能會對呼吸系統、肺部、眼部等造成損害。同時,臭氧可促使空氣中的大量氣體污染物轉化為顆粒物,進而轉化為PM2.5。因此,近地面臭氧濃度超標的危害程度不亞于PM2.5超標。目前臭氧污染已經成為發達國家面臨的主要大氣問題,而中國這幾年臭氧污染問題也日益突出,臭氧和PM2.5已成為中國大氣污染的兩個首要污染物?!?+66”城市所在的五省二市過去六年8小時(中午12點-晚上7點)臭氧濃度均呈現上升的趨勢,2019年持續惡化且未有減緩趨勢。相較于2018年,京津冀平原“2+8”城市、河南、山東、山西、陜西2019年春夏平均濃度上升3.1%、3.6%、5.2%、5.6%、4.4%,區域內臭氧污染加重的問題日益突出。京津冀平原上“2+8”市、山東、山西、河南、陜西過去六年累積增幅分別為33.1%、24.4%、74.6%、40.7%和34.9%,2019臭氧年濃度最高的前8個城市均在山東省,山西的春夏平均臭氧濃度幾乎翻倍,在逼近山東、河南的水平,情況也令人擔憂。

        我們建議像管控PM2.5一樣,對京津冀地區乃至全國主要污染區域設定臭氧改善的具體數值目標,以便采取有力措施通過顯著降低區域內二氧化氮和一氧化碳濃度及時遏制其增長的趨勢、有效降低臭氧濃度。避免部分地區面臨顆粒物和臭氧“雙面夾擊”的局面。

        防控新冠疫情探測出空氣質量控制極限值

        受新冠疫情影響,1月23日武漢封城后全國迅速采取大規模人群居家隔離、復工延遲等舉措以控制疫情。疫情防控舉措對大氣污染有何影響?為此我們做了統計學的準實驗。我們使用Difference in adjusted-Difference方法來估計2020年2月的污染物濃度在不受疫情防控措施影響下的預期水平。

        “2+66”城市2020年2月疫情調整前后主要污染物平均濃度降幅(負數表示調整后濃度上升)

        “2+66”城市2020年2月疫情調整前后主要污染物的平均濃度降幅如上圖所示。對于顆粒物濃度,受疫情影響,五省二市中共57個城市有額外下降,導致PM2.5和PM10在2020年2月平均濃度降幅平均值達29.8和17.8微克/立方米,其中山東、河南受疫情影響降幅較大。

        二氧化氮受疫情影響最為顯著,五省二市2020年2月平均濃度一致下降,降幅平均值為16.9微克/立方米(39.6%)。這是由于二氧化氮主要污染來源之一為城市交通,后者因疫情管控受到嚴格控制。二氧化硫和一氧化碳濃度受疫情影響相對較小。五省二市2020年2月二氧化硫平均濃度降幅平均值為1.7微克/立方米;一氧化碳2020年2月平均濃度降幅平均值為0.18毫克/立方米。

        由于二月份疫情期間主要重工業品的產量,除了建材和發電外,同去年同期和疫情爆發前的12月和1月均沒有太大變化,有的品種甚至增加,我們認為疫情期間PM2.5的下降主要是由于人群隔離所導致的二氧化氮下降所產生的。

        新冠疫情為我們提供了獲得冬季中國北方地區大氣污染下界的機會。從以上匯總的污染物受疫情影響的下降的百分比值,我們得到在目前供暖,電力和基本生產的排放模式下,中國北方冬季PM2.5最多還有30.9%的下降空間,二氧化氮最多39.6%,而二氧化硫和一氧化碳的下降空間最小,分別只有10.0%和13.9%。

        但由于在一般情況下并無法實施疫情期間的防控措施,所以以上極限并不能輕易達到。這說明,北方地區在目前的排放模式下達到PM2.5達到35微克/立方米以下的目標,會有相當大的挑戰。我們注意到北方地區在過去幾年開始的散煤替代、煤改氣、煤改電對大氣污染所帶來的大氣污染的改善已經有相當多的釋放。所以產業結構的改善和升級應該是改善北方地區大氣污染的根本途徑。

        建議提高“良”的標準,幫助人群加強防護

        中國空氣質量已有非常顯著的改善?!?+66”城市PM2.5年中位數濃度已從2015年的76.6微克/立方米,降至2019年的55.5微克/立方米。我們認為目前以PM2.5為75微克/立方米作為空氣質量“良”的上限已過于寬松。我們注意到印度和孟加拉國PM2.5“良”的標準分別為60和65微克/立方米,均比中國目前使用的WHO“過渡時期”的初級指標所建議的75微克/立方米嚴格。建議使用WHO“過渡時期”第二級指標所給定的50微克/立方米作為“良”的上限,以減少中國公民的長期污染暴露水平。

        PM2.5在50和75微克/立方米標準下,2015、2018和2019年各地區平均優良率占比情況

        如上圖所示,在50微克/立方米為“良”標準下,雖然各城市優良空氣占比平均下降17.45%,但2019年除安陽(48.6%)、太原(49.9%)外,所有城市“優良空氣”占比都超過50%,其中22個城市優良空氣占比在60%以上。各城市的“藍天”天數仍然會保持在50%以上。大量科學研究發現長期暴露在PM2.5濃度35微克/立方米至75微克/立方米的空氣中會對人體健康造成危害。使用50微克/立方米作為“良”的上界,將提高中國手機、網頁污染等級提示的標準,將使中國人群能實行更有效的保護措施,減少我國人群污染暴露水平。提高“良”的標準也會降低未來個人及國家的醫療健康開支,為下一步大氣污染防治行動計劃提供更高的目標和新的動能。

        課題組成員

        孫浩軒,北京大學前沿交叉學科研究院碩士研究生

        游威,北京大學光華管理學院本科生

        郭斌,西南財經大學統計研究中心,統計學院副教授

        羅山杉,北京師范大學數學學院本科生

        鄭翔宇,北京大學光華管理學院博士研究生

        韓天實,北京大學光華管理學院碩士研究生

        王心怡,北京大學元培學院本科生

        劉睿,北京大學數學科學學院本科生

        黃雅軒,北京大學元培學院本科生

        何婧,西南財經大學統計學院助理教授

        陳力,北京大學前沿交叉學科研究院碩士研究生

        王恒放,Iowa State University統計系博士研究生

        陳松蹊,北京大學光華管理學院、統計科學中心講席教授,課題負責人

        陳松蹊,北京大學講席教授,國家特聘專家;光華管理學院商務統計與經濟計量聯席系主任;北京大學統計科學中心創始主任。全職北大之前是Iowa State University統計學教授。他是美國科學促進會、數理統計學會,美國統計學會會士。2017年獲教育部自然科學獎一等獎。已經發表96篇學術論文,SCI H-index 31。他的研究方法包括:高維數據統計推斷和大數據統計算法。自2014年開始對中國大氣污染進行統計學分析,提出去除氣象干擾的空氣質量評估方法和人努力-天幫忙指數,過去六年團隊發布了七份空氣質量評估報告。

        系列報告回顧

        《空氣質量評估報告:北京城區2010-2014年PM2.5污染狀況研究》(2015年3月)

        《空氣質量評估報告(二):中國五城市空氣污染狀況之統計學分析》(2016年3月)

        《空氣質量評估報告(三):北京地區2013-2016年區域污染狀況評估》(2017年3月)

        《空氣質量評估報告(四):京津冀2013-2016年區域污染狀況評估》(2017年8月)

        《空氣質量評估報告(五):“2+31”城市2013-2017年區域污染狀況評估》(2018年4月)

        《空氣質量評估報告(六)——“2+43”城市2013-2018年區域污染狀況評估》(2019年4月)


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