中国五城市空气污染状况之统计学分析

二零一六年三月 1 前言 这份报告是北京大学光华管理学院和统计科学中心共同发布的第二份关于中国空气质量的报告，第一份报告是在2015年3月发布的《空气质量评估报告：北京城区2010 -2014年PM2.5污染状况研究》[1]（简称《北京城区研究报告》)。 由于受当时数据的局限，《北京城区研究报告》仅仅对美国大使馆PM2.5数据进行了分析。我们深知，一个站点的数据并不能完全反映一个城市的污染状况，因此在这次发布的报告中，在北京，我们将观测站点扩展为四个，除了美国大使馆（简称美使馆）外，还对美使馆附近的三个环保部站点的PM2.5这份报告的观测周期为2013年1月至2015年12月，分别对这五大城市的美国大使馆或领事馆（简称美国使/领馆），以及其邻近的中国环保部监测站点的PM数据进行了分析，以确保数据的科学性和准确性。同时，我们还将研究范围从北京扩展至中国的其他区域，并选取了四个颇具代表性的城市：上海、广州、成都和沈阳。在这四个城市中，则各自选用了美国领事馆（简称美领馆）和两个与其邻近的环保部站点的数据。 2.5逐小时数据，结合气象数据，进行了对比分析。通过美国使/领馆与环保部两个独立数据源的交叉验证，来分析中国主要城市的空气质量。同时，我们运用现代统计学的方法，计算出了五大城市自2013年以来在可比气象条件下的PM2.5月度/半年度/年度的均值浓度、中位数浓度1和90%分位数浓度2。我们利用这些空气质量统计指标，对近几年五大城市的空气质量进行量化分析，提炼出了各城市PM2.5 1中位数浓度：是指有50%的PM2.5数值低于该浓度，50%的数值高于该浓度，它刻画了污染程度的中间水平。 290%分位数浓度：是指有90%的PM2.5数值低于该浓度，10%的数值高于该浓度，它刻画了最严重的10%的污染程度。 污染的主要特征和动态趋势，以便能为评估中国空气质量全局提供一个观察窗口。 在这份报告中，我们也试图回答公众普遍关心的两大问题：一是中国环保部发布的空气污染数据的质量如何，是否权威可靠；另一个则是，近几年中国主要城市的空气污染状况，是否在持续恶化，还是有所好转。针对这两大问题，本报告将从统计学的角度，用数据进行分析解答，以确保结论的公正性和客观性。 2 目录 一、背景 ...................................... 3二、五城市的地理和气候条件 .................... 4三、数据来源 .................................. 5四、五城市空气污染的基本统计描述 .............. 6五、美国使/领馆与其邻近的环保部站点数据的对比 . 9六、风和降水的影响 ........................... 11七、剔除气象因素后的污染浓度 ................. 16八、年度污染浓度变化 ......................... 20九、冬季供暖对PM2.5 的影响 ...................... 24十、五城市空气质量综合比较 ................... 27十一、能源、经济与地形对污染的影响分析 ....... 32十二、结论 ................................... 35参考文献： .................................... 37附录： ........................................ 39 3 一、背景 中国过去20多年的快速工业化，对促进中国经济增长发挥了重要作用，但也极大地增加了对化石类能源的消耗。国家统计局数据[2]显示，自2001年加入世界贸易组织以来，中国的能源总消耗从2001年的15.55亿吨标准煤迅速提高到了2014年的42.6亿吨标准煤。这意味着，过去13年里中国总的能源消耗增加了1.75倍。如此巨量的能源消耗及其伴随着的污染物排放，给中国大气环境带来了沉重的压力[3]。中国东部、中部地区及四川、重庆等地区的污染排放，已经远远超过了自然环境所能承载的上限。与此同时，大气污染防治与环境执法监管的力度，却远远落后于能源消耗和污染排放的增加速度。这两方面的因素，也是导致中国一些人口密集区域备受雾霾天气袭扰的关键原因。 作为中国政治经济发展中非常重要的五个大型城市，北京、上海、广州、成都和沈阳，分别位于京津冀、长三角、珠三角、川渝和辽宁经济区。这五大区域的经济总量占据全国总量的50%以上，能源消耗量巨大，也是大气污染和雾霾天气灾害较为严重的区域。雾霾的主要成分PM2.5对人类健康有着极大的危害[4-6]，也不同程度地影响着农业、生态、气候和居民的生活质量[7-9]，因此研究中国这五个主要城市PM2.5的污染状况及其影响因素，将为中国大气污染的预防和治理提供重要的实证依据。 要量化PM2.5污染的严重程度，首先需要可靠的数据支持。中国环保部自2013年1月开始，正式对全国74个城市的PM2.5污染状态进行实时播报。从2015年1月，实时播报范围扩大到338个城市。美国驻华大使馆从2008年开始 发布北京的PM2.5污染数据，并分别于2011年11月、12月，2012年6月和2013年4月，开始发布其在广州、上海、成都和沈阳的美领馆所在地的PM2.5但是，自2008年以来，时有国外媒体怀疑中国环保部大气污染数据的真实性。例如《华尔街日报》[10]在2012年1月23日的一篇报道中称，北京官方的PM数据。这两方发布的数据，是目前公众判断空气污染程度最常用的两大数据源。 2.5数据与美国大使馆的数据不一致。这也不完全是空穴来风，因为有研究表明，2013年以前，中国某些城市的PM10数据存在人为干扰的迹象。Andrews[11]在其2008年发表的研究中发现北京市的蓝天指数同公布的PM10数据存在不一致。Chen等[12]发现中国许多城市的PM10的统计分布在数值为100 4 处有不连续的跳跃，这一跳跃在统计学上找不到解释，唯一的解释是PM10等于100是定义蓝天的界值。Ghanem和Zhang[13]独立验证了[12]关于PM10数据人为干扰的问题。 需要强调的是，大气污染数据的可靠性是大气污染防治的重要保障。因此，本报告的一个目的是运用统计学方法交叉验证美国使/领馆和邻近的环保部站点数据的可靠性。只有大气污染数据的可靠性得以保证，基于真实和高质量数据的后续分析的结果才有价值，才能真实地反映一个城市大气的污染程度。 为了交叉验证数据的可靠性，我们分别使用美国使/领馆和邻近环保部站点两个独立数据源的PM2.5数据，分析和比较了描述大气污染不同状态的统计量的一致性和相关系数。同时，在剔除气象因素对数据造成的影响后，使用两个数据源的数据分别计算出各站点的PM2.5的月均值和百分位数浓度。通过多方面、多层次的相互对比和相关性分析，我们发现，使用这两个数据源所得到的空气质量评价，有着比较高的一致性。这可以在一定程度上，为公众对中国主要城市空气污染数据质量的评估提供一个参考依据。 同时，我们使用美国使/领馆和邻近的环保部站点数据，量化分析了近年来五个城市PM2.5二、五城市的地理和气候条件 浓度的基本分布状态，提炼出了各城市空气污染的主要特征和动态趋势，并对五城市的相对污染程度给出了合理的比较。 从地理条件来看，北京位于华北平原的西北角，西临太行山脉，北靠燕山山脉，地形并不利于大气污染物的扩散。而北京东面和南面的华北平原上分布着大量的重工业企业。因此在气象扩散条件不利时，例如在持续的南风或者无风、高湿的静稳天气下，极易发生污染物输入或是为PM2.5的二次化学生成提供有利条件。成都位于四川盆地的西部，其西面和北面都有高山，扩散条件差，极易形成污染物的堆积。而与北京和成都相比，上海、广州和沈阳的地形较为开阔，大气污染物较易扩散。其中上海和广州离海较近，污染物容易被海风吹散。广州靠近北回归线，常年气温较高，大气边界层高度也高于其它城市，易于稀释大气污染物。 5 从气候条件看，北京属于温带半湿润季风型大陆性气候，春秋冬三季较为干燥，且多北风，其实是不利于PM2.5形成的，而夏季有较多的降水，对大气污染也有一定的清洗作用。成都为亚热带湿润季风气候，常年潮湿、风小，极易形成大气悬浮颗粒物。沈阳则为温带半湿润大陆性气候，与北京类似，较为干燥且多风。广州与上海同为亚热带季风气候，虽然空气湿润但多风，并且降水多。如第六节数据分析所示，风和降水都有利于减少PM2.5三、数据来源 。 如前所述，本报告使用的PM2.5数据，来自五个城市的美国使/领馆及其邻近的环保部站点。环保部的数据始于2013年1月1日，大部分站点数据流较为稳定，但部分站点的个别月份数据严重缺失。另一方面，除了沈阳美领馆是2013年4月底才开始记录PM2.5数据以外，其它城市的美国使/领馆均早于2013年1月开始收集和公布。但由于初期几个月美国使/领馆的数据观测并不稳定，数据缺失较多，因此我们使用的五城市数据分别起始于：北京，2010年1月1日；上海，2012年1月1日；广州，2012年4月1日；成都，2012年6月1日；沈阳，2013年5月1日。 图1显示了五个城市美国使/领馆以及邻近的环保部站点的地理位置。其中，除了广州的第五中学站离美领馆较远（8公里）外，其他环保部站点均与美国使/领馆的距离不超过6公里。对于所有站点，我们研究的数据均截止于2015年12月31日23点。需要指出的是，美国使/领馆只公布PM2.5的相关数据，而我国环保部站点则会同时公布其他主要污染物 的数据，如PM10、CO、NO2、SO2和O3如我们在此前发布的《北京城区研究报告》[1]中所强调的，气象条件对PM的逐小时浓度。 2.5的浓度变化影响显著。因此，在这次报告中我们也重点观察了气象数据。气象数据主要来源于各个城市的机场观测站。其中，北京首都机场的数据来自于http://weather.nocrew.org/；上海、成都、沈阳的机场数据皆来自于https://weatherspark.com/；广州较为特殊，由于白云机场与美领馆及邻近环保部监测站分别处于白云山的两侧，气象条件会相差较大，所以我们采用的是位于污染监测站点同一侧的国家气象局59287站点的数据。图1也显示了五个城市气象数据所在站点的位置。本报告使用的气象变量包括：逐小时气温、气压、露点温度、风向、风速以及降水。由于相对湿度可以由气温和露点温度完全决定，所以无需考虑。 6 北京 上海 广州 成都 沈阳 图1：五城市美国使/领馆（蓝色）和邻近的环保部站点（红色）及相应气象站的地理位置图，飞机符号代表各城市机场所在位置（黑色） 四、五城市空气污染的基本统计描述 首先，我们用美国驻五个城市的使/领馆的PM2.5数据来描述这五个 城市空气污染的基本状况。目前我国以75微克/立方米作为优良空气PM2.5 “优良空气”：PM浓度的最高值，但本报告的标准将更为严格，我们使用世界卫生组织所建议的大气污染防治一期所指定的年均值目标35微克/立方米[14]， 作为优良空气浓度的最高限值。此外，我们使用150微克/立方米作为“严重污染”的最低限水平。具体定义和标准如下： 2.5 “污染状态”：PM浓度小 于或等于35微克/立方米； 2.5 “严重污染”：PM浓度大 于35微克/立方米； 2.5 为了避免季节性差异和年度极端气候的影响，我们将观察时间周期设置为12个月的整数倍。五大城市具体的观察时间周期如下： 浓度大 于150微克/立方米。  北京：2010年1月至2014年12月； 7  上海：2012年1月至2014年12月；  广州：201