《北京大学光华管理学院:环保行业空气质量评估报告(七):“2+66”城市2013~2019年区域污染状况评估[112页].pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《北京大学光华管理学院:环保行业空气质量评估报告(七):“2+66”城市2013~2019年区域污染状况评估[112页].pdf(112页珍藏版)》请在三个皮匠报告上搜索。
1、空气质量评估报告(七) “2+66”城市 2013-2019 年区域污染状况评估 为了重获蓝天 让我们用数据解读污染 北京大学光华管理学院 北京大学统计科学中心 二零二零年七月 前言 本报告是本环境统计团队完成的第七份空气质量评估报告。由于计算新冠肺炎疫情对由于计算新冠肺炎疫情对 2019 季节年大气污染浓度的影响,本报告的发布时间比往年晚了近三个月。季节年大气污染浓度的影响,本报告的发布时间比往年晚了近三个月。前六份报告分 别发布于 2015 年 3 月、2016 年 3 月、2017 年 3 月和 8 月、2018 年 4 月、2019 年 4 月。第 一份报告1分析了北京城区 2010
2、年至 2014 年基于单站点(美国大使馆)的 PM2.5污染状 况;第二份报告2通过研究中国五城市 2013 年至 2015 年美国使领馆和相邻环保部站点的 PM2.5数据, 对比了两个数据源的数据质量和一致性, 也度量和分析了这五个城市的 PM2.5浓 度的变化趋势;第三份报告3集中研究了北京市全部(36 个)空气质量监测站点 2013 年至 2016 年的空气质量变化情况,量化了 APEC 会议、大阅兵和冬季供暖期间所采取的污染管 控措施对空气质量的影响,并且将纳入分析的污染物从单一的 PM2.5增加到常规的六种污染 物;第四份报告4通过分析京津冀地区 13 个城市 73 个国控站点 20
3、13 年 3 月至 2017 年 5 月六种常规污染物的数据,总结了京津冀地区空气质量的状况和变化趋势;第五份报告5 综合评估了“2+31”城市(比“2+26”多 5 个城市)172 个国控站点 2013 年 3 月至 2018 年 2 月的状态和变化趋势;第六份报告6综合评估了“2+43”城市(相比于报告五增加了汾渭 平原 11 市和延安市)247 个国控站点 2013 年 3 月至 2019 年 2 月的状态和变化趋势。本报 告覆盖的城市范围在去年“2+43”城市报告6的基础上,补齐了山东,河南,山西,陕西余 下的城市,统称“2+66”城市。 本报告将基于这 68 个城市 354 个国控空
4、气质量监测站点(不含背景站点)2013 年 3 月 至 2020 年 2 月污染物监测数据和 78 个气象站点 2011 年 3 月到 2020 年 2 月累积八年的小 时气象数据,综合评估“2+66”城市过去七年空气质量的实际状态和变化趋势。 本报告的具体内容如下: 描述过去七年“2+66”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陕地区六种常规污染物的浓度变化趋势; 总结“2+66”城市空气质量情况,为京津冀及周边晋鲁豫陕地区空气治理提出切 实可行的建议; 给出“人努力天帮忙”指数,分别量化气象和人为因素对空气质量的影响; 评价 2020 年初新冠
5、疫情对污染物浓度的影响。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 目录 一、 背景介绍. 1 二、 采用数据说明. 3 三、 空气质量基本描述. 5 四、 六种常规空气污染物变化趋势. 17 五、 “2+66”城市污染物综合累积降幅与监视坐标 . 73 六、 “人努力天帮忙”指数. 78 七、 区域煤炭消耗与工业运行数据分析. 83 八、 总结与建议. 88 附录. 101 参考文献. 106 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 1 一、背景介绍 一、背景介绍 2013 年 9 月,国务院发布大气污染防治行动计划8(简称“国十条”) 。同时期,为 贯彻落实“国十条”,加快京津冀及周边地区大
6、气污染综合治理,环保部会同其他有关单位, 制定了京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则9。2018 年 6 月,在生 态环境部印发的2018-2019 年蓝天保卫战重点区域强化督查方案7中,汾渭平原地区首 次被提及, 因此我们在去年发布的空气质量报告 (六) 中, 除了保留 2018 年发布的报告 (五) 中已经研究的“2+31”城市,还加上了汾渭平原 11 市和对照城市延安,因此共有“2+43” 个城市。 为了研究 “京津冀” 、 “山东省” 、 “河南省” 、 “山西省” 、 “陕西省” 五个区域的空气质量, 我们在本报告中增加了山东省的东营、临沂、青岛、日照、潍坊、威海、烟台、
7、枣庄市,河 南省的漯河、南阳、平顶山、商丘、信阳、许昌、周口、驻马店市,山西省的大同、朔州、 忻州市,陕西省的安康、汉中、商洛、榆林市。因而在本报告中,我们在去年因而在本报告中,我们在去年“2+43”城市的 基础上,增加 城市的 基础上,增加 23 个城市,总称为“个城市,总称为“2+66”城市。”城市。 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,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,尤其不适合炼钢、炼铁
8、、炼焦、水泥制造等高污染行业。 然而,2001 年之后,华北平原上出现了大量的重工业,河北省也迅速发展成为一个重工业 大省,成为中国乃至世界重要的钢铁产区。 山西省的 11 个城市,包括太原、阳泉、长治、晋城、大同、晋中、临汾、吕梁、运城、 朔州、忻州,其地形条件大多不利于污染物的扩散。太原位于太原盆地的北端,东有太行山 阻隔,西有吕梁山作屏障。阳泉多河谷及盆地等低凹地形,市区建筑群被煤炭开采所遗留的 煤矸石山所圈闭。长治、晋城、大同分别地处上党盆地、泽州盆地和大同盆地。晋中位于太 行山脉中段与太原盆地之间。临汾地形轮廓大体呈“凹”字型分布,四周环山,中间平川。吕 梁地处吕梁山脉中段,地势中间
9、高两翼低。运城地形比较复杂,相对高差明显,具有平原、 山地、丘陵、盆地、台地等多种地貌类型。朔州北、西、南三面环山,山势较高,中间是桑 干河域冲积平原,相对较低,呈倒“V”字结构。忻州山岳纵横,地貌多样,南、西、北三 面环山。在工业特点上,山西省的产业主要是以煤矿工业及其派生产业为主,工业分布主要 在大兴煤矿开采周边地区大中型工业城市,主要的工业部门包括冶金、化工、焦炭等。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 2 山东原有报告中的 9 个城市多位于山东省的西北、西南部,而山东省中部山地突起,西 南、 西北低洼平坦, 不利于污染物的扩散。 新增的 8 个城市多位于山东省的东部, 缓丘起伏,
10、东部山东半岛伸入黄海,北临渤海,东南则临靠较宽阔的黄海。在 17 个城市中,烟台市市 区北部临海,容易形成风向为北风的弱海风,弱海风与陆上的南风在市区频繁交汇,导致大 气层结构更加稳定,不利于污染物扩散。济宁是山东省经济发展较快的地区之一,城市化、 工业化的迅猛发展使该地区具有典型的煤烟型污染特征。德州夏季炎热、湿度大,冬季严寒 干燥,导致冬季污染物扩散条件较差。菏泽位于太行山与泰沂山之间南北走向的狭道上,夏 秋季空气对流扩散能力相对较强, 加之降水对空气污染物有一定的清洗作用; 冬季风速较小, 逆温现象出现几率较大,空气对流扩散差,易造成空气中污染物浓度增高。淄博位于鲁中山 地和华北平原的过
11、渡地带,地形较为复杂;随着淄博城区的扩张,工厂与居民区混杂,再加 上地处三面环山的箕状盆地之中, 不利于污染空气的扩散; 淄博历年最多风向为西南风和南 风,而有大型工矿区恰好处在张店城区的上风向,这令淄博的雾霾境况更加严重。 河南省地势西高东低,北、西、南三面临太行山、伏牛山、桐柏山、大别山,沿省界呈 半环形分布。其中,漯河处于南北气候过渡带,境内无高山,北方风力到此地之后减弱,容 易引起污染物聚集。 安阳位于河南省最北部、 京津冀经济圈的边缘, 近年来, 已形成了冶金、 电子、化工、机械等工业体系,污染物排放量加大。焦作市位于河南省的西北部,地区资源 以煤炭为主,还有 40 余种矿产资源,多
12、种工业以煤炭为主要能源。郑州是全国重要的冶金 建材工业基地, 濮阳是依托中原油田油气资源勘探开发而发展起来的典型资源型城市。 河南 省的郑州、开封、鹤壁、新乡 4 市已入围 2017 年中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点 城市。 陕西省位于中国中部、 黄河中游地区, 南部兼跨长江支流的汉江流域和嘉陵江上游的秦 巴山地区,地势南北高、中间低。省区横跨三个气候带,南北气候差异较大,总特点是春季 温暖干燥,降水较少,多风沙天气;夏季炎热多雨,间有伏旱;秋季凉爽,较湿润;冬季寒 冷干燥,气温低,雨雪稀少。其中,西安位于渭河盆地的中心地区,北有黄土高原,南有秦 岭,加之盛行东北风,渭河盆地东北部有缺口
13、,东北风把华北的污染物也吹进了渭河谷地; 秋冬季由于地面夜间的辐射降温明显,大气低空容易出现“逆温层” ,导致空气污染;近些 年西安作为国家重点发展城市, 城市发展速度加快, 造成的扬尘、 废弃物使得雾霾更加严重。 咸阳处于南有秦岭、北有黄土高原的地理位置,自然形成的“污染天井”导致污染物在内部 循环累积,不易扩散;进入冬季,静风天气较多,雨水偏少,各种大气污染物累积,加之居 民取暖、火电厂发电任务猛增,雾霾天气加剧。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 3 自 2013 年 1 月 1 日起,环保部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(PM2.5、PM10
14、、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和臭氧)的浓度。历经七年 大气污染治理的评估与考核, 京津冀及周边地区和汾渭平原区域空气质量是否有所改善, 本 报告将就此问题进行展开。基于已有的 2 亿条数据,本报告将空气污染物浓度的变化可视 化,针对其中存在的问题加以分析,并对其气象与人为因素的比例进行量化分析与解读。 二、采用数据说明 二、采用数据说明 本报告所使用的污染物数据来自于环保部所属的国控站,共包含五省二市(即河北、 河南、山东、山西、陕西五省及北京、天津二市)全部“全部“2+66”城市”城市 354 个监测站点(不 含背景站点) ,具体可细分为“2+26”城市(用黑色标记) ,汾渭平原 11 市
15、(用蓝色标 记)及区域内其他城市(用绿色标记) ,相比第六份报告新增 23 个城市。按照省市口径统 计如下: 北京市:11 个国控空气质量监测站(不包括定陵背景站) 天津市:位于中心城区的 15 个国控空气质量监测站 河北省:11 个地级市(石家庄、保定、邢台、衡水、邯郸、沧州、廊坊、唐山、秦 皇岛、承德、张家口)共 55 个国控空气质量监测站(不包含石家庄封龙山、张家口 北泵房、承德离宫背景站) 河南省:17 个地级市(郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳、洛阳、三门 峡、平顶山、许昌、漯河、商丘、周口、驻马店、南阳、信阳)共 80 个国控空气质 量监测站 (不包含郑州岗李水库、 安阳棉
16、研所、 焦作影视城、 三门峡风景区背景站) 山东省:17 个城市(济南、淄博、济宁、德州、聊城、滨州、菏泽、泰安、莱芜、 青岛、枣庄、东营、烟台、潍坊、威海、日照、临沂)共 84 个国控空气质量监测站 (不包括青岛仰口背景站点) 山西省:11 个城市(太原、阳泉、长治、晋城、晋中、运城、临汾、吕梁、大同、 朔州、忻州)共 64 个国控空气质量监测站(不包含太原上兰、晋城白马寺背景站) 陕西省:10 个城市(西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南、延安、榆林、汉中、安康、 商洛)共 45 个国控空气质量监测站(不包含西安草滩、宝鸡庙沟村、咸阳气象站、 渭南农科所、延安枣园、汉中汉川机床厂子校背景站点) 北
17、 京 大 学 统 计 科 学 中 心 4 图 1 “2+66”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) (图中黄色区域为“2+26”城市范围,绿色区域为汾渭平原 11 市,灰色区域为区域内其他城市) 由于 2013 年 1 月和 2 月所考虑地区的空气污染物数据有较高比例的缺失,所以本报告 选取的数据时段为 2013 年 3 月到 2020 年 2 月。其中,河南、山东、山西和陕西省有些城市 在 2013 年并未开始监测, 因此这些城市从开始监测的时刻算起, 比如安阳从 2014 年开始监 测,鹤壁从 2015 年开始监测。即使如此,我们发现这些城市在开始监测时所处的季度
18、,污 染数据缺失比例仍然较高。 本报告使用的本报告使用的“年年”并非自然年, 而是一年的并非自然年, 而是一年的 3 月份到下一年月份到下一年 2 月 份的 月 份的“季节年季节年”,涵盖一个完整的四季。,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) 。 北 京 大 学 统 计 科 学 中
19、心 5 由于气象条件对观测污染物浓度的影响很大, 本报告沿用前六份报告的统计学方法, 对 污染物浓度的观测值进行气象调整, 剔除气象因素的影响15-19。 具体来说, 我们基于 2011 年 3 月到 2018 年 2 月累积八年的小时气象数据,对“2+66”总共 68 个城市分别构造基准 气象条件。我们之所以采用这 8 年的气象数据,是为了构造更稳定的基准气象条件,同时确 保不同年间相似气象条件占比不会过少。 之后, 在此基准气象条件下计算各季度污染物的浓 度。其中,河北、河南、山东、山西和陕西省 66 个地级市的气象数据来源于对应城市的气 象站点,共 66 个;北京市的气象数据来源于朝阳、
20、海淀、丰台、昌平、顺义、怀柔、石景 山、门头沟和南郊观象台共 9 个气象站点;天津市中心城区的气象数据来源于天津城区(市 内六区) 、北辰区和东丽区共 3 个气象站点。 图 1 给出了这 354 个污染物监测站点外加 17 个背景站(红色圆点)和 78 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,空 间匹配度高。 三、空气质量基本描述 三、空气质量基本描述 首先我们用每个城市的 PM2.5小时浓度数据来初步描述“2+66”城市空气质量的基本状 况。这一研究并没有去除气象的混杂影响,除去气象因素的污染评估见下一节。 我们延续之前报告的设定,将空气质量
21、按照 PM2.5浓度划分成六个等级,其中括号内为 我国目前使用的空气质量等级划分: “优质空气” (优) :PM2.5浓度小于或等于 35 微克/立方米 “轻度污染” (良) :PM2.5浓度介于 35 和 75 微克/立方米之间 “中度污染” (轻度污染) :PM2.5浓度介于 75 和 115 微克/立方米之间 “污染” (中度污染) :PM2.5浓度介于 115 和 150 微克/立方米之间 “重度污染” (重度污染) :PM2.5浓度介于 150 和 250 微克/立方米之间 “严重污染” (严重污染) :PM2.5浓度大于 250 微克/立方米 目前我国以 75 微克/立方米作为二十
22、四小时“优良空气”PM2.5浓度的最高值,这是世 界卫生组织(以下简称 WHO)在 2005 年所建议的空气质量准则中给出的“过渡时期”的初 级指标10。本报告使用 35 微克/立方米作为空气质量“优”的上界。这一标准是有流行病 学依据的,因为研究发现,长期暴露在 PM2.5浓度介于 35 微克/立方米和 75 微克/立方米之 间的空气中依然会对人体健康造成危害12-14。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 6 为了获得一个城市的空气质量状况,目前普遍的分析方法是对该城市所有国控站点的 原始 PM2.5小时浓度取平均值作为该城市的平均 PM2.5小时浓度,以计算各个城市六种空气 质量等级
23、在每个季节的占比。用这种方法,我们绘制了图 2 至图 10 的时间占比图1。本报告 首次在黄色区段内加入黑色横线代表 50 微克/立方米分界线, 用于论证提高空气质量标准的 合理性。 通过图 2 至图 10, 我们发现在目前 75 微克/立方米作为 “良” 的标准下, 2019 年 “2+66” 城市中除了安阳(68.54%)之外的所有城市空气质量优、良级别占比都超过 70%,与 2015 年相比,29 个城市空气质量优、良级别占比提高了 15%以上。考虑到近几年我国空气质量 的改善,我们认为以 75 微克/立方米作为二十四小时空气质量“良”的上界已过于宽松,应 对该标准进行调整11。我们建议
24、尽快使用我们建议尽快使用 WHO“过渡时期”第二级指标所给定的“过渡时期”第二级指标所给定的 50 微克微克 /立方米作为“良”的上限。立方米作为“良”的上限。在这一新的标准下,各城市的年际优良率变化与旧标准下的变 化趋势非常相似。图 11 展示了“2+66”城市在新旧标准下 2015、2018 和 2019 年的“优良 空气”占比情况,新的优良率标准下,虽然各城市优良空气占比平均下降 17.45%,56 个城 市的下降超过 15%,但是 2019 年除安阳(48.59%) 、太原(49.89%)之外所有城市空气质 量优、 良级别占比都超过了 50%, 22 个城市优良空气占比仍在 60%以上
25、。 这说明提高标准, 选择 50 微克/立方米作为新的“良”的标准是合适的。 “良”的标准具有重要的污染风险提 示作用,标准提高后,我国人群获得的污染风险提示的界限将从 75 微克/立方米降低至 50 微克/立方米,这将有效降低我国人群的污染暴露水平和颗粒物长期积累,减少未来个人及 国家的医疗健康开支,也将为下一步的大气污染防治行动计划提供更高的目标和新的动力。 综合分析图 2 至图 10,我们可以获取“2+66”城市空气质量的一些信息: 地理区域特征 地理区域特征 对于空气质量“优” (PM2.5?35 微克/立方米)占比:河北省北部三城市(张家 口、承德和秦皇岛) ,山东半岛沿海三城市(青
26、岛、威海和烟台) ,陕西省安康、商 洛和延安最高,空气质量“优”占比达到了 58%以上;山东省枣庄、莱芜、济宁、 淄博、聊城、菏泽和济南,河北省邯郸和邢台,河南省焦作、安阳和平顶山,以及 山西省临汾、晋城、运城和太原最低,空气质量“优”占比不到 35%。就 2019 年而 言,山西省、陕西省、河南省、河北省空气质量“优”占比继续保持上升趋势,河 北省石家庄和沧州、河南省信阳、平顶山、驻马店和新乡、山西省晋中、吕梁和忻 1 这一方法受气象混杂因素干扰,不能完全代表背景排放。第四节我们将给出去除气象干扰的调整浓度。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 7 州改善非常显著,空气质量“优”占比相比
27、 2018 年都提升了 10%以上;山东省污染 状况有所回弹,各城市空气质量“优”占比普遍下降。 冬季的重污染(PM2.5?150 微克/立方米)占比在城市间差异较大,河北沿太行 山五城市(石家庄、保定、邢台、邯郸和衡水)最高,在 2013 年曾达到 60%,环渤 海五城市(北京、天津、沧州、廊坊、唐山) 、山东和河南次之。就 2019 年而言, 同 2018 年相比,京津冀方面:沿太行山五城市有所改善,体现在冬季重污染占比的 降低,空气质量“优”占比的提升;环渤海五城市基本稳定。河南、山东、山西、 陕西几乎所有城市均存在不同程度的改善,各城市普遍空气质量“优”占比提升或 重污染占比下降。 季
28、节特征 季节特征 冬季的重污染状态最多,其比例明显高于其它三个季节。在沿太行山的保定和 邢台等城市的一些年份,冬季重污染比例在 2013 年至 2016 年达到 50%左右,2018 年比重上升明显,但 2019 年普遍改善。夏季重污染发生较少,近年来轻度污染占比 也趋于下降,多数城市不超过 10%,主要以优、良为主。春秋两季空气质量介于夏 冬之间,通常秋季空气质量低于春季。 附录中附表 1 和附表 2 分别统计了 2015 至 2019 年度“2+66”城市各城市空气 质量处于重度及以上污染状态(PM2.5浓度高于 150 微克/立方米) 、污染状态(PM2.5 浓度高于 35 微克/立方米
29、)的时间占比。通过对附表 1 和附表 2 的分析,我们可以 直观地感受到“2+66”城市空气污染的情况和演变。 2015 年至 2018 年重度及以上污染(PM2.5 ?150 微克/立方米)严重的城市均以 沿太行山脉的河北城市为主,2018 年河南和沿太行山地区的城市占比增幅较大。 2019 年重度及以上污染状况明显改善。其中沿太行山地区的城市改善显著,现已优 于陕西、山西、河南和河北的部分城市。2017 至 2018 年,污染状态(PM2.5 ? 35 微 克/立方米) 占比较高的城市由 2015 年和 2016 年的山东省的城市转移到沿太行山脉 的河北、河南城市。但 2019 年,其余省
30、市污染状况普遍改善,山东省略有回弹,多 个城市污染状态占比排名靠前。空气质量最好的四个城市威海、烟台、张家口和承 德分别位居山东半岛沿海和河北北部。由此可见,地理因素和每个城市的排放水平 对空气质量有很大的影响。 虽然图 2 至图 10、附表 1 和附表 2 所示六种空气质量时间占比在一定程度上可 以反映 “2+66” 城市的空气污染状况, 但时间占比统计受某年气象因素的影响很大, 不同年的气象条件不尽相同,使得这种比较不公平。我们发现附表 但时间占比统计受某年气象因素的影响很大, 不同年的气象条件不尽相同,使得这种比较不公平。我们发现附表 1 和附表和附表 2 中的 城市排名与经过气象调整得
31、到的表 中的 城市排名与经过气象调整得到的表 2(参见第四节)的城市排名有相当大的出入。(参见第四节)的城市排名有相当大的出入。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 8 这意味着我们需要用更精确的统计指标来反映某个城市去除气象影响后的污染水平, 为空气污染状态的评估提供更加科学的依据,这也是我们在之后几节要做的。 图 2 北京、天津市和河北省 6 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 9 图 3 河北省 5 市和山西省 3 市 2013 年至 2019 年各季
32、节空气质量六个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 10 图 4 山西省 8 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 11 图 5 山东省 8 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 12 图 6 山东省 8 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六
33、个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 13 图 7 河南省 8 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 14 图 8 河南省 8 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 15 图 9 陕西省 8 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六个状态时间占
34、比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 16 图 10 山东 1 市、河南 1 市和陕西 2 市 2013 年至 2019 年各季节空气质量六个状态时间占比图 黑色横线代表 PM2.5浓度小于 50 微克/立方米的时间占比 图 11 “2+66”城市在新旧标准下 2015、2018、2019 年“优良空气”占比情况图 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 17 四、六种常规空气污染物变化趋势 四、六种常规空气污染物变化趋势 为了客观和公平地评价空气质量情况, 需要剔除气象因素对空气质量数据的影响, 以得 到背景排放的度量。
35、 本报告沿用前六份报告所使用的统计学气象调整方法, 并对方法进行了 与第六份报告一致的调整, 主要目的在于提高气象因素在不同年的可比程度。 我们将计算各 个城市在可比气象条件下各污染物的平均浓度(反映一个城市空气质量的平均水平) ,并对 其进行比较和分析(具体方法见15-18) 。 关于气象调整的必要性,我们引用下例加以说明:20 世纪 60 年代,吸烟是否对人体健 康有影响是一个热门问题。有三个国家(加拿大、英国、美国)的研究各选了一组抽烟袋、 一组抽卷烟的烟民和一组不吸烟的烟民进行对照实验。 通过跟踪三组人群若干年后, 计算出 每个组的死亡率, 结果发现三个国家的抽烟袋组的死亡率远远高于抽
36、烟卷组和不吸烟者, 另 外吸卷烟者同不吸烟者的死亡率相差不多,有时甚至低于不吸烟者。但是统计学家 Cochran 在21中对该数据的进一步分析发现烟袋组的年龄高于卷烟组,烟卷组年龄又低于不抽烟组。 这里吸烟引起的死亡和年龄增长的自然死亡混杂在一起了,死亡率高的部分原因是年龄因 素造成的。 为了去除年龄引起的混杂影响, Cochran在每个年龄段上对比三组人群的死亡率, 最后得到相反的结论。 由此可见, 进行吸烟对健康影响的研究时需要控制年龄的因素。 同理, 在研究大气污染的年际变化时也要去除气象因素的影响。 由此可见, 进行吸烟对健康影响的研究时需要控制年龄的因素。 同理, 在研究大气污染的年
37、际变化时也要去除气象因素的影响。 关于气象调整的统计学原理, 感兴 趣的读者可以参看本团队发表的论文15-18。 近年来有建议使用“三年滑动平均法”去除气象差异,但该方法仍存在缺陷。例如,由 三年滑动平均所计算的 近年来有建议使用“三年滑动平均法”去除气象差异,但该方法仍存在缺陷。例如,由 三年滑动平均所计算的 2019 年与年与 2018 年的浓度差, 实际运算结果可化简为年的浓度差, 实际运算结果可化简为 2019 年与年与 2016 年浓度差的三分之一,既不能反映年浓度差的三分之一,既不能反映 2018 年到年到 2019 年的变化,也不能去除掉天气因素的干 扰 年的变化,也不能去除掉天
38、气因素的干 扰。详细讨论请参考本团队于 2018 年发表在 Atmospheric Environment 上的论文19。 (一)(一)PM2.5 PM2.5是指悬浮在空气中空气动力学当量直径小于或等于 2.5 微米的颗粒物,又称细颗 粒物。直径为 0.5-5 微米的粒子可以直接到达肺泡内,并进入血液通往全身。大量流行病学 研究发现: 颗粒物浓度和发病率及死亡率有明显联系, 尤其是细粒子与心肺疾病的相关性更 为明显。我国目前的 PM2.5平均浓度标准如表 1 所示。 本节将给出华北地区京津冀晋鲁豫陕七省市从 2013 年 3 月到 2020 年 2 月经过气象调 整得到的以季度为单位的 PM2
39、.5均值浓度,并以此来分析研究区域内 PM2.5的变化情况。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 18 表 1 我国目前 PM2.5平均浓度标准 污染物项目 平均时间 浓度限值 单位 一级 二级 PM2.5 年平均 15 35 微克/立方米 24 小时平均 35 75 图 12 展示了京津冀晋鲁豫陕七省市过去 28 个季节(2013 年春季至 2019 年冬季)经气 象调整的 PM2.5季节平均值浓度随时间变化的情况以及在给定季节的时间序列。我们可以总 结出过去六年 PM2.5浓度的如下几个特征: 季节效应 季节效应 研究区域城市中,除承德、张家口外,其余 66 个城市的 PM2.5浓度均
40、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,夏季最低冬季最高,秋季次之,春季较好,夏季最低。以上季 节特征在河北沿太行山的五个城市(保定、石家庄、邢台、邯郸和衡水)尤为明显。 这五个城市冬季的 PM2.5平均浓度一般是夏季的 1.5 到 4 倍,如石家庄 2018 年冬季 的浓度(138.9 微克/立方米)是夏季(42.5 微克/立方米)的 3.27 倍。2019 年冬季 (2019 年 12 月至 2020 年 2 月)由于疫情影响,冬季 PM2.5浓度与其他季节浓度之 比有所下降,如石家庄 2019 年冬季的浓度(85.4 微克/立方米)是夏季(39.4 微克
41、/ 立方米)的 2.17 倍。 区域特征 区域特征 根据图 12 和图 14,我们将研究区域城市划分为三个区域,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:河北沿太行山脉的保定、石家 庄、邢台、邯郸和衡水五市及唐山市,河南西北部及中部的安阳、鹤壁、濮阳、新 乡、焦作、洛阳、漯河、许昌八市,汾渭平原的陕西咸阳、西安、渭南三市及山西 临汾、运城二市为高浓度区域高浓度区域;河北北部张家口、承德、秦皇岛三市,山西西北部 大同、朔州、忻州、吕梁四市,陕西秦岭以南安康、商洛、汉中三市,北部延安、 榆林、铜川三市,山东半岛东部青岛、烟台、威海三市为低浓度区域低浓度区域;北京、天津
42、及河北廊坊、 沧州, 河南东部和南部其余城市, 山东中西部其余十四市, 陕西宝鸡, 山西东南部其余五市为中浓度区域中浓度区域。据表 2,高浓度区域 2019 年平均 PM2.5浓度大 致高于 57 微克/立方米,低浓度区域 2019 年平均 PM2.5浓度大致低于 45 微克/立方 米。2019 全年平均 PM2.5浓度小于 35 微克/立方米的城市有 5 个,包括张家口和承 德,山东威海,陕西商洛和安康,比 2018 年多 3 个。 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 19 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 20 图 12:“2+66”城市气象调整后 2013 年至 2019 年
43、PM2.5季节平均浓度(微克/立方米)变化序列图 图中实线(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 2019 年冬季也调整了新冠疫情的影响,没有经过疫情调整的值由黑点表示 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 21 图 13:“2+66”城市气象调整后 2013 年至 2019 年 PM2.5季节 90%分位数浓度(微克/立方米)变化序列图 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 22 图 14:“2+66”城市气象调整后 2013 年至 2019 年 PM2.5季节平均浓度(微克/立方米)地图 (清晰图参见电子版;白色代表数据过少无法得到可靠结果) 北 京 大
44、学 统 计 科 学 中 心 23 图 15:“2+66”城市气象调整后季节年 PM2.5过去六/五年或过去五/四年的累积降幅及平均降幅图 (红色表示因 2013 年部分季度数据缺失而计算的五/四年累积/平均降幅) 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 24 表 2:“2+66”城市气象调整后 2013 年至 2019 年 PM2.5季节年平均浓度(微克/立方米)年际变化表 (浓度列底纹由红到绿表示各城市季节年平均浓度由大到小;排名列按浓度自大到小排名,排名位于前/ 中/后 1/3,分别用红/黄/绿色的圆点标记) 北 京 大 学 统 计 科 学 中 心 25 极端污染 极端污染 为说明各个季节
45、PM2.5浓度的极端污染情况, 我们也计算了经过气象调整的90% 分位数浓度,它们代表了最严重的 10%污染情况。图 13 展示了研究区域城市过去 28 个季节(2013 年春季至 2019 年冬季)经气象调整的 PM2.5浓度 90%分位数随时 间变化的情况以及给定季节的时间序列。从 90%分位数角度,各城市 PM2.5浓度仍 具有同均值浓度类似的区域和季节特征。太行山东侧从保定向南到河南北部、山东 西部和陕西地区仍为 PM2.5高浓度区域,尤其在秋冬两季污染最为严重。 近年来京津冀鲁区域京津冀鲁区域 90%分位数浓度下降显著, 但晋豫陕下降趋势有待进一步 确立, 分位数浓度下降显著, 但晋
46、豫陕下降趋势有待进一步 确立,山西省太原、临汾、吕梁等城市 2015-2018 年间还有显著恶化。2019 年春季 及夏季,山东省部分城市(如济宁、菏泽、临沂、威海)污染情况出现一定程度的 反弹。2019 年冬季(2019 年 12 月-2020 年 2 月)受到新冠肺炎疫情影响,全国各城 市极端污染情况均出现显著下降,但这种下降并不是可持续的。 从具体数值上看,除了相对低的夏季外,90%分位数浓度在春秋季仍普遍高于 80 微克/立方米。在沿太行山东侧的河北省城市、河南省及关中平原城市,2018 年 冬季 90%分位数仍高于 200 微克/立方米,而 2019 年冬季 90%分位数仍能达到 150 微克/立方米,还有很大的改