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李克強總理在2017年兩會政府工作報告中，把治霾提到了“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的高度，更提出要加強大氣治理研究的科學性、精準性。這段話不僅說到了許多人心坎里，也點出了科學治霾的方向和當務之急。近年來，首都北京被貼上了“霧霾”這個新標簽，人們在艱難呼吸的同時，也渴望弄明白：自己身處一個什么樣的空氣環(huán)境？這個環(huán)境正在發(fā)生怎樣的變化？今天，本文將為各位讀者介紹北大陳松蹊研究團隊的最新研究成果，就最近四年的空氣污染數(shù)據(jù)進行深度分析，從統(tǒng)計學的角度撥開北京空氣迷霧。

研究背景：基于大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析

2015年3月和2016年3月，陳松蹊帶領的北大光華和北大統(tǒng)計科學中心團隊先后發(fā)布了兩份空氣質(zhì)量評估報告，《空氣質(zhì)量評估報告：北京城區(qū)2010-2014年PM2.5污染狀況研究》和《空氣質(zhì)量評估報告（二）：中國五城市空氣污染狀況之統(tǒng)計學分析》。今天下午，《空氣質(zhì)量評估報告（三）：北京地區(qū)2013-2016年區(qū)域污染狀況評估》在北京大學正式發(fā)布。

這份報告集中研究分析了北京市全部空氣質(zhì)量監(jiān)測站點2013年至2016年四年間共超過一千多萬條的污染物濃度和氣象數(shù)據(jù)。同之前的兩個報告相比，所使用的監(jiān)測站點的數(shù)量從原來的4個增加到36個，所研究的污染物從只有PM2.5增加到同時包括PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳和臭氧在內(nèi)的六種常規(guī)污染物。

在方法上，本報告將之前兩個報告所使用的對氣象變量在時間維度上的調(diào)整方法進行擴展，加入了在空間維度上的氣象調(diào)整，提出了時-空氣象調(diào)整方法，對北京2013年至2016年的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行了全面、綜合、系統(tǒng)的分析。

為方便閱讀，我們將摘取該報告內(nèi)容進行分期推送，本期將圍繞北京市PM2.5數(shù)值四年來的總體表現(xiàn)進行介紹和分析。

北京市目前共有36個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點，其中12個為國控站，23個為市控站點，1個為美國駐華使館。為了更好地分析北京市污染分布的區(qū)域性特征，研究團隊將北京的36個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點劃分為三個區(qū)域：中心區(qū)域、南部區(qū)域和北部區(qū)域。中心和南部區(qū)域位于北京的平原地區(qū)。中心區(qū)域含有25個站點，它包括六環(huán)路所環(huán)繞的區(qū)域以及北六環(huán)外的昌平和順義城區(qū)兩個站點；南部區(qū)域指同河北交界的區(qū)域，有3個檢測站點；北部區(qū)域包括延慶、密云、平谷和懷柔，共有8個檢測站點。

北京市全部站點分布。紅色圓點代表污染物監(jiān)測站點，藍色三角形代表氣象站點：

●：污染物監(jiān)測站點▲：氣象站點

區(qū)域差異：同在北京PM2.5濃度不盡相同

你在北京，我也在北京，我們可能呼吸著不同的空氣……

現(xiàn)在，人們每天都可以通過各種軟件來獲知當天和最近幾天的空氣指數(shù)，了解所在城市的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，然而長期而言，空氣質(zhì)量到底是在向好還是變差，卻難以得出清晰結(jié)論。為此，研究團隊首先就北京市PM2.5值在2013-2016年每個季度的均值濃度進行了比較，做了一個綜合不同季節(jié)、年份和區(qū)域空間的分布地圖，我們來直觀感受下四年中北京PM2.5的變化：

北京市PM2.5季均值濃度（微克/立方米）在不同年份的空間分布地圖

2013年

2014年

2015年

2016年

圖中數(shù)字代表平均濃度，括弧內(nèi)為標準差

圖中的橙色深淺代表了該時間段內(nèi)該區(qū)域的PM2.5的均值濃度高低，一眼望去，逐年變化似乎不是十分明顯，更令人矚目的是在同一時間內(nèi)，比如每年的秋冬季節(jié)，整個北京被分成了明顯不同顏色深淺的色塊，這意味著同樣在這個城市，南部、中部、北部空氣中PM2.5濃度有著明顯差異！

那么，三個區(qū)域在同一時間的PM2.5數(shù)值究竟相差多少？看看下圖：

北京市三個區(qū)域PM2.5濃度（微克/立方米）的季節(jié)平均值變化曲線

可以看出，北京市PM2.5濃度呈現(xiàn)出冬高夏低、南高北低、四年間先增后減繼而持平的時空特征。那么，在同一個區(qū)域不同時間段，PM2.5濃度又是如何變化呢？

北京PM2.5季均值濃度（微克/立方米）

沿緯度（南北方向）的變化曲線圖

2015年

2016年

圖中實線為調(diào)整季均值濃度，虛線為95%置信區(qū)間，點表示36個站點的調(diào)整季均值濃度。

可以看出，北京市PM2.5南高北低的這一區(qū)域差異在春夏兩季并不大，其中夏季差異最小。但在污染嚴重的秋冬兩季南高北低的表現(xiàn)是非常明顯的。在冬季，市中心（長安街附近）的PM2.5的季均值濃度在100微克/立方米左右，而南部已在150微克/立方米上下；從長安街往北，濃度基本呈下降趨勢；北部比中心區(qū)域低大約18%到32%。這一空間分布特征反映了南部的污染物排放高和污染物從南邊傳輸?shù)穆窂剑脖砻髑锒瑑杉灸喜繀^(qū)域的環(huán)保減排還要加強。

歷年變化：最明顯改善發(fā)生在2015年

空氣逐年好轉(zhuǎn)？好像不完全是這樣……

了解了區(qū)域差異之后，我們再來看看北京的PM2.5四年來總體究竟有什么變化、是否有明顯改善。研究團隊用每年的PM2.5季均值濃度與上年相減，得出了以下示意圖：

北京市PM2.5季均值濃度（微克/立方米）

的年度變化及區(qū)域分布地圖

2014年減2013年

2015年減2014年

2016年減2015年

圖中數(shù)字代表濃度差值的平均值（標準差）。紅色代表增加，藍色代表減少。

分區(qū)域看看逐年變化趨勢：

北京市不同區(qū)域PM2.5年均值濃度

（微克/立方米）比較

由此我們發(fā)現(xiàn)：

北京的PM2.5均值濃度有很強的季節(jié)性：冬季最嚴重，其次是秋季、春季，夏季最輕。《大氣國十條》為北京提出的在2017年應該達到的年均值目標是60微克/立方米。在2015年和2016年夏季，北京的整個區(qū)域PM2.5濃度接近達標；而近兩年春秋冬三個季節(jié)的平均濃度仍遠高于這一標準。

從年度變化的角度來看，這四年中空氣質(zhì)量的顯著改善發(fā)生在2015年。中心城區(qū)的年均值濃度從2014年的91.1微克/立方米下降到2015年的79.8微克/立方米，降幅高達12.4%。

以PM2.5濃度衡量，2016年與2015年相比，空氣質(zhì)量沒有顯著改善。對于中心和北部區(qū)域而言，2016年秋冬兩季比2015年同期均有增加，其中北部地區(qū)在冬季的增加最為顯著。中心區(qū)域2016年全年均值濃度為80.9微克/立方米，比2015年的79.8微克/立方米增加了1.4%，其中春夏兩季的PM2.5水平同2015年同季節(jié)持平，但秋季有3.9%的增加，冬季上升幅度為3.1%。這說明2016年的PM2.5濃度與2015年相比實際有所回升。

方法說明：

為何報告得出的結(jié)論和環(huán)保部門不完全相同？

讓數(shù)據(jù)說話是門技術(shù)活兒

細心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以上得出的結(jié)論和北京市環(huán)保部門根據(jù)11個國控站點計算得到的2016自然年的PM2.5濃度比2015年下降了9.9%的統(tǒng)計有所區(qū)別。

國控站是指由國家環(huán)保部直接管理、地方環(huán)保部門須向環(huán)保部監(jiān)測總站實時提交空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測站點。北京市有12個，其中有11個（不含定陵）記入北京市的空氣質(zhì)量評估統(tǒng)計中。

為什么會這樣？報告中對此也給出了解釋說明：首先本研究所使用的“年”是指涵蓋一個完整四季的“季節(jié)年”（從每年3月到次年2月），有別于自然年，而更接近傳統(tǒng)的農(nóng)歷年。這樣做主要是考慮到各個季節(jié)具有其穩(wěn)定的氣象特征，以季節(jié)為單元更有利于使用氣象調(diào)整方法。而各級環(huán)保部門的空氣質(zhì)量統(tǒng)計是以自然年為統(tǒng)計口徑。其次，研究團隊選取了北京市36個站點進行研究，而北京空氣質(zhì)量是基于11個國控站點計算的。此外，為了更加客觀地比較PM2.5濃度，報告中對原始濃度進行了時-空氣象調(diào)整，而各級環(huán)保部門是對原始濃度的比較。這三點差異，造成了統(tǒng)計結(jié)果的不同。

統(tǒng)計方法不同造成的數(shù)值變化比較

對于11個國控站，若按照自然年來看，2016年相比2015年PM2.5原始濃度下降了10.3%。這與北京市環(huán)保局公布的9.9%的結(jié)果基本一致（我們的數(shù)據(jù)經(jīng)過了多源匹配和異常值處理）。但若按照“季節(jié)年”來看，2016年則比2015年PM2.5濃度增加了6.7%。究其原因，一方面是由于2016年1月和2月的濃度非常的低（如下圖所示），拉低了2016自然年的數(shù)值。但按照“季節(jié)年”計算，這兩個月屬于2015年的冬季，而不計入在2016年之內(nèi)。另一個方面是由于2017年1、2月份（含在2016年冬季）PM2.5濃度的強力反彈，導致2016“季節(jié)年”的原始濃度的增加。這也說明北京2016年的空氣質(zhì)量改善是非常脆弱的，因為一個簡單的兩個月的時間平移，就得到完全不同的結(jié)果。

如果看表中氣象調(diào)整后的濃度，我們發(fā)現(xiàn)利用11個國控站數(shù)據(jù)計算的2016季節(jié)年均濃度比2015年提高了2.3%，與此同時中心區(qū)域濃度（基于25個站點）提高了1.4%，二者還是很接近的。我們也發(fā)現(xiàn)是否進行氣象調(diào)整結(jié)果差別很大。比如2016季節(jié)年原始濃度與2015年相比，在國控站增加了6.7%，在中心區(qū)域增加了6.5%；但經(jīng)過氣象調(diào)整后，以上增加比例分別變成2.3%和1.4%。氣象調(diào)整大大調(diào)低了2016年的增加比例，這是因為它是在基準氣象條件下計算得到的，在數(shù)值上更加平穩(wěn)。氣象調(diào)整減輕了極端氣象條件的影響，這也是使用氣象調(diào)整計算污染濃度的優(yōu)勢所在。

北京市PM2.5濃度（微克/立方米）季節(jié)調(diào)整均值

和原始均值隨時間變化的對比圖

藍色代表中心區(qū)域（25個站點），橘黃色代表11個國控站點

從上圖我們發(fā)現(xiàn)，11個國控站點的原始均值明顯小于中心區(qū)域站點的平均濃度，這是由于國控站點全部設在南二環(huán)所處緯度以北，而北京的PM2.5濃度又具有南高北低的特點。

優(yōu)化建議：監(jiān)測站點需進行更加合理的布局

監(jiān)測不可厚此薄彼，更不應有盲區(qū)

北京市目前有35個空氣質(zhì)量監(jiān)測站（不包括美使館）。在空間上，中心區(qū)域（六環(huán)內(nèi)加昌平和順義的城區(qū)）共有24個站點，南部同河北交界處有3個，另外有8個分布在北部區(qū)域（延慶、密云和平谷各2個，懷柔1個，昌平北部1個）。從人口密集度和大氣污染對人體健康影響的角度看，在中心城區(qū)放置近70%的監(jiān)測站點是有道理的，畢竟這一區(qū)域居住著北京近80%的人口。但從研究大氣污染的傳輸和空間分布的角度看，這樣做未必“經(jīng)濟實惠”。與此形成鮮明對比的是，目前南部的房山、大興、通州三個區(qū)的站點布局過于稀疏。在六環(huán)內(nèi)，站點雖多但分布并不均勻，比如從奧體中心到昌平、懷柔城區(qū)和順義新城之間的扇形地帶就沒有站點，形成了監(jiān)測的盲區(qū)。

北京市現(xiàn)有監(jiān)測站點布局

藍點代表國控站，紅點代表非國控站，淺綠色代表稀疏區(qū)域。

從統(tǒng)計學實驗設計的角度上看，為確保大氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，應該在空氣質(zhì)量變化梯度大的區(qū)域放置較多的站點（比如南部、東部），在空氣質(zhì)量變化平緩的區(qū)域可以少放置站點。這樣將極大化地提高大氣環(huán)境監(jiān)測的經(jīng)濟效率，提升環(huán)保監(jiān)測經(jīng)費的使用效率。據(jù)報道，北京市計劃將站點的數(shù)量增加到70個。這將是一個非常好的機會來完善空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的站點分布，使之更加合理，從而提高數(shù)據(jù)采集的效率。同時也要防止把新增加的站點多放在一個區(qū)縣空氣質(zhì)量相對較好的地點（比如安置在一個區(qū)的北面，以利用南高北低的濃度分布特征），因為這樣做將扭曲空氣質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的客觀代表性。

我們建議北京市應對新增站點的位置設定進行科學的論證，將更多的國控站放置在南二環(huán)所處緯度以南的區(qū)域。目前北京12個國控站均在南二環(huán)的緯度以北。在南二環(huán)以南布局國控站點，將會提高北京市度量大氣污染濃度的客觀性和代表性。

結(jié)論和建議：下一步如何治理大氣污染？

知己知彼，充分了解“對手”才能戰(zhàn)勝它

過度的化石類能源消費是造成我國正在面臨的大氣污染困境的根本原因，所以從這一困境解脫的有效方法應該是減少化石類能源（尤其是煤）的消耗。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整沒有辦法一步到位，客觀科學地認識空氣污染物的變化情況，對于制定和采取有效的防治措施有著非常重要的意義。

北京的空氣污染受周邊地區(qū)傳輸?shù)挠绊懞艽蟆?/strong>我們在去年發(fā)布的《五城市報告》中指出，促成北京2015年空氣質(zhì)量顯著好轉(zhuǎn)的原因有兩個：一個是由于2015年初開始實施的更嚴格的大氣環(huán)境監(jiān)管，另一個是中國自2014年開始的經(jīng)濟放緩。這兩個因素一起導致京津冀近幾年煤炭消耗的顯著下降。但是最新的京津冀煤炭消耗和鋼鐵產(chǎn)量數(shù)據(jù)顯示，河北省2016年秋季煤炭消耗在經(jīng)歷3年下降后首次開始反彈增加，2016年河北鋼和鐵的產(chǎn)量均創(chuàng)出歷史新高（具體數(shù)據(jù)見即將發(fā)布的《京津冀2013-2016年空氣質(zhì)量報告》）。這是2016年秋冬兩季北京PM2.5呈現(xiàn)增加趨勢的原因，體現(xiàn)了經(jīng)濟回升對污染的貢獻。

每年消耗2.6億噸煤的河北省并不是華北地區(qū)煤炭消費量最多的，同處于華北地區(qū)的晉魯豫三省也都是煤炭消費大戶。山東2015年和2016年消耗量均超過4億噸，其中2016年上升到4.37億噸，是河北的1.6倍。中國產(chǎn)煤第一的山西省的消費量略高于河北，河南略低于河北。所以晉魯豫三省的煤炭年消費量是京津冀的3倍以上。環(huán)北京的華北地區(qū)每年13億噸的巨量燃煤是北京乃至華北地區(qū)大氣污染的主要癥結(jié)之一。華北地區(qū)減煤運動的下一步也應該重點考慮山東、山西和河南。

展望2017年大氣污染的防治形勢，我們認為在經(jīng)濟回升期的大氣環(huán)境治理將面臨更大的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟進一步的回暖將直接導致對鋼鐵、水泥、化工產(chǎn)品等需求的加大。作為中國重工業(yè)的首要區(qū)域，華北地區(qū)（也含山東、河南、山西）的煤炭、柴油、汽油的消耗勢必增加，現(xiàn)有減排監(jiān)管措施下的PM2.5和其它主要污染物減少的空間勢必減小，2017年的大氣環(huán)境治理也勢必難于2016年。如果說2015年大氣環(huán)境治理在經(jīng)濟放緩的背景下是“順水行船”，那么2017年將是“逆水行舟”。要想在2015年和2016年的水平上進一步減少PM2.5及其它污染物的濃度，更嚴格的環(huán)境監(jiān)管和更有效的減排措施無疑將是唯一可靠的手段。而這應當回到空氣質(zhì)量監(jiān)管的科學問題本身：提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量是當務之急，建立更有效的監(jiān)測站點格局勢在必行，采用更加科學、精準的空氣質(zhì)量評估方法，是保衛(wèi)藍天不可回避的選擇！

課題組成員

張澍一，北京大學光華管理學院博士研究生，主要完成人

郭斌，西南財經(jīng)大學統(tǒng)計研究中心，統(tǒng)計學院助理教授，主要完成人

王恒放，IowaStateUniversity統(tǒng)計系博士研究生

董安瀾，北京大學統(tǒng)計科學中心博士研究生

許子平，北京大學元培學院三年級本科生

何婧，西南財經(jīng)大學統(tǒng)計學院助理教授

林偉，北京大學數(shù)學院概率統(tǒng)計系，北京大學統(tǒng)計科學中心助理教授

陳松蹊，北京大學光華管理學院、統(tǒng)計科學中心講席教授，課題負責人