北大空气质量报告八:北京空气质量接近长三角,退出污染“双高”群

北大研究报告 [报告链接]

98个城市,拥有全国40%人口,占12.5%国土面积;524个国控站,111个气象站,跨越8-10年,累积4亿条数据;20133-20212月,六种常规污染物(PM2.5PM10、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧),历经八年大气污染治理,空气质量究竟如何变化?北京多年来作为污染治理重点对象,终于可以和南方城市同呼吸,何以实现?北京大学光华管理学院陈松蹊教授率其统计学研究团队最新完成的《空气质量评估报告八》,今年如期而至!为了蓝天,我们再次用数据解读污染。

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“3+95”城市区划及其站分布,包括河北、河南、山东、山西、陕西、安徽、江苏七省及北京、天津、上海三市

(图中红色区域为京津冀周边地“2+26”城市,黄色区域为汾渭平原11市,蓝色区域为苏皖鲁豫交界地区,绿色区域为长三角地区,灰色区域为区域内其他城市)

 

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。这次报告沿用前七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七份报告一致的调整。

先来看一份近六年的总成绩单:

 

3+95”城市2015-2020年六种污染物气象调整后浓度综合改善情况

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注:括号内为六种污染物2015年到2020年经气象调整后的六年累计降幅百分比。

 

由于PM2.5PM10有重合部分,尽管使用六种污染物等权重平均,PM2.5所占比例仍高于其他污染物。根据计算可得:98个城市的六年平均改善率是20.8%,而三年平均改善率是13.5%

上图给出了过去六年气象调整后的综合改善情况。改善排名前三分之一的33个城市中包含14个非重点治理区域,即非“2+26”城市或汾渭平原11市,它们是东营、驻马店、平顶山、苏州、盐城、泰州、漯河、镇江、日照、许昌、延安、上海、无锡、商洛。同时改善排名后三分之一的城市中包含9“2+26”城市和汾渭平原11市(天津、铜川、咸阳、阳泉、渭南、太原、临汾、晋中、吕梁)。前三分之一的(33个)城市中有14个城市不在重点治理区域,但空气质量改善显著,说明污染治理颇有成效;而后三分之一的(32个)城市包含9个重点治理区域的城市,表明这些城市的治理需要加强。

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          PM10-2.5浓度降速远低于PM2.5

经过多年治理,十省市PM2.5污染已有明显改善。2015年相比,河北、北京和上海改善最为显著,PM2.5累计降幅分别为40.6%44.9%42.2%;山东、河南、江苏和天津改善幅度次之,分别下降38.8%36.1%33.4%32.7%;安徽改善幅度又次之,累计下降28.2%;山西和陕西改善最低,累计降幅分别为18.7%18.1%。从2020年均浓度角度来看,河南和天津PM2.5污染最严重,年平均浓度分别为55.550.1微克/立方米,其他省市年平均浓度降至50微克/立方米以下,依次为山东(49.9)、山西(47.9)、河北(46.2)、陕西(45.9)、安徽(42.1)、北京(41.8)、江苏(40.2)和上海(30.9)微克/立方米。北京市的PM2.5在北方地区已经独树一帜,与长三角地区相当。

相比2015年,河北、山东、江苏和河南PM10分别下降34.3%32.9%31.8%31.5%;北京、天津和上海分别下降32.7%35%33.3%,这四省三市PM10改善程度显著。陕西、安徽、山西分别下降16.4%15.3%3.7%,这三省改善较少,其中陕西和安徽基准较低,山西最近两年、陕西最近三PM2.5PM10才呈下降趋势。2020PM10浓度改善程度并不一致,相比2019年,京津冀地区及长三角地区PM10保持下降趋势,山东、陕西改善微弱,仅下降2.61.8微克/立方米,河南、山西较前年则有反弹,分别增加1.10.8微克/立方米。

尽管过去六年PM10显著下降,但PM10中空气动力学直径大于2.5微米的颗粒物,即PM10-2.5的下降速度远低于PM2.5的下降速度。相较于2015年,“3+95”城市中有24个城市PM10-2.5年均浓度上升,PM10-2.5的六年平均下降幅度只有11.1%。因此我们建议加强对扬尘的管理,有效减少PM10-2.5的浓度。

 


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七省三市去除气象因素影响后PM2.5PM10年平均浓度时间序列(微克/立方米,实线(虚线)代表5%统计学显著水平比上年有(无)显著增加或减少

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疫情下臭氧始现“迫降”

 

在经历了五年的普遍升高后,2020年臭氧在浓度最高的春夏两季首次出现普遍下降。相较于2019年春夏,除上海升高2.5%外,其它七省二市的臭氧春夏平均浓度下降1.8-4.1%这是多年来的首次。2020年春夏臭氧普遍降低的一个原因是新冠疫情所造成的交通出行减少所导致的燃油汽车排放的减少但无论如何,我们看到中国的臭氧污染可以通过减少排放而实现。

随着疫情的冲击逐渐减缓,社会生活恢复,氮氧化物和臭氧污染有可能回升到疫情前的水平。作为参照,我们看到2020年秋冬季节各地区包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳在内的污染物浓度水平出现反弹迹象,表明污染物排放也随社会生产逐渐恢复,若不及时采取有效的减排措施,2021年春夏季节的臭氧污染将会较上年反弹,这值得警惕和关注。

尽管2020年春夏臭氧浓度略有下降,但臭氧污染的问题仍然突出,七省三市8小时臭氧浓度仍呈上升趋势。在浓度最高的春夏两季,相比2015年,安徽、天津、山西、河北和河南分别增加72.2%48.5%33.4%24.4%23%,升高最为显著;山东和江苏初始浓度水平较高,累计增幅分别为15.1%8.7%;陕西六年累计上升17.3%,污染程度在评估区域中相对较轻;北京和上海分别保持在140120微克/立方米上下波动,北京春夏臭氧浓度高于上海。安徽、山西的春夏平均臭氧浓度分别接近河南和江苏。

2015年在“3+95”城市气象调整后的臭氧年平均浓度最高的前十个城市中,山东占其中5个城市,其余为3个在江苏、1个在山西、1个为上海。而2020年浓度最高的前9个城市均在山东省,山东省仍应加快臭氧治理的步伐。我们建议像管控PM2.5一样,对全国主要污染区域设定臭氧改善的具体数值目标,以便及时遏制其增长的趋势,避免部分地区面临颗粒物和臭氧双重污染的局面。

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警惕PM2.5与臭氧“抱团”污染

 

2020年生态环境部在京津冀及周边地区“2+26”城市、汾渭平原11市的基础上将苏皖鲁豫交界地区也作为大气污染治理的重点区域。从2015年到2020年,三个主要监测区域间的污染差异正逐步缩小。从浓度极差的角度(即三个区域平均浓度最大值与最小值之差),PM2.5PM10、二氧化硫、二氧化氮和臭氧五个污染物的极差分别从20.331.712.611.318.9微克/立方米下降至3.110.83.67.37.1微克/立方米;一氧化碳则从0.57毫克/立方米下降至0.17毫克/立方米。对于PM2.58小时臭氧,2020年三个区域污染水平已十分接近,PM2.5和臭氧协同治理将是三个区域的共同问题。

我国面临着PM2.5和臭氧复合型污染的严峻问题。“3+95”城市PM2.5浓度高的城市臭氧浓度也高,如“2+26”城市、汾渭平原11和苏皖鲁豫交界地区;而PM2.5浓度低的城市臭氧浓度往往也低,如长三角和冀晋鲁豫陕的边缘城市。这进一步说明协同控制PM2.5与臭氧的必要。

同时减少PM2.5和臭氧在中国是可以实现的,因为这两个主要污染物的生成路径有重叠部分。比如对氮氧化物和一氧化碳的减少会同时减少PM2.5与臭氧,而氮氧化物在过去六年的减少有限。二氧化氮是除去臭氧之外的五个污染物中下降最少的,“3+95”城市过去六年只下降了5.5%,35个城市不降反增。

我们建议各省市采取措施有效减少氮氧化物和一氧化碳的浓度,这在遏制臭氧的上升同时也为颗粒物浓度进一步下降提供新的驱动力。这尤其在二氧化硫已经下降很多、进一步下降的空间有限的情况下显得尤为重要。

 

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北京空气质量接近长三角 数项指标优于上海

下图给出“3+95”城市2020PM2.5秋冬和8小时臭氧春夏平均浓度的联合分布,其反映了目前七省三市大气污染的状况和挑战。这一联合分布呈现出两个峰值,它们将“3+95”城市明显的分成两个群体。一个是主要由“2+26”城市、苏皖鲁豫城市,和近一半汾渭平原城市组成的高PM2.5和高臭氧群(双高群),另一个是主要由长三角和北方五省边缘地区城市构成的相对低PM2.5和低臭氧群(双低群)。北京虽然属于“2+26”城市但却游离到双低群格外亮显,其二氧化硫、一氧化碳和二氧化氮年均浓度已低于上海。

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“3+95”城市2020PM2.5秋冬和8小时臭氧春夏平均浓度(微克/立方米)散点分布图

 

各省市近几年逐渐推行散煤综合治理和排放改造举措,得益于此七省三市二氧化硫浓度近六年稳步显著下降,河北、河南、山东、山西、陕西、安徽和江苏较2015年分别降低63.4%71.2%67.7%67.1%48.3%58.6%66.8%;北京、天津和上海较2015年分别下降61.7%60.7%57.9%北京在七省三市中二氧化硫浓度最低,年均仅4.4微克/立方米,比第二名上海还低2.5微克。区域性二氧化硫的显著下降是七省三市过去几年大气污染治理的最大亮点,也是区域范围颗粒物浓度显著下降的主要推手。

一氧化碳的下降幅度小于二氧化硫。相比2015年,河北、河南、山东、山西、陕西、安徽和江苏分别降低38.8%40.6%38.5%42.4%46%22.1%25.2%北京、天津和上海较2015年分别下降42.4%28.3%16.8%2020年河北年均浓度首次降1毫克/立方米以下,北京一氧化碳年均浓度已降至0.69毫克/立方米,也低于上海。

 

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极端污染防控还需加强

 

极端污染是衡量空气质量的另一重要标准,如美国的考核指标PM2.5日均浓度98%分位数浓度不超过35微克/立方米,8小时臭氧每年第四高浓度不超过0.07ppm(约137微克/立方米)。报告给出了PM2.58小时臭氧的90%分位数浓度,用以衡量各城市污最严重的10%天数的污染情况,这相比98%分位数和年第四高浓度是较为宽松的标准,但比均值浓度要严格。


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七省三市去除气象因素影响后PM2.58小时臭氧(春夏)90%分位数时间序列图

上图给出七省三市20152020PM2.58小时臭氧年平均90%分位数浓度的变化趋势。综合各区域来看,伴随PM2.5均值浓度下降,其90%分位数也呈现出明显下降趋势,“3+95”城市90%分位数均值从2015年的132.8微克/立方米下降至2020年的86.6微克/立方米,降幅达34.7%。其中北京和河北下降最为明显,降幅分别为47.3%43.9%;河南、山东、上海和天津次之,降幅分别39%38.9%39.9%35.2%;安徽、江苏和陕西改善程度略低,下降29.1%32.9%20.9%,但这三省的90%分位数浓度远低于其他四个省份。2020PM2.5极端污染仍以京津冀及周边地区较重,其中天津和河南90%分位数浓度最高,分别为102.199.1微克/立方米;北京和山东极端污染情况次之,分别为94.494.2微克/立方米;山西、陕西略低,分别为8984.7微克/立方米;安徽、江苏和上海则不超过75微克/立方米。

虽然PM2.590%分位数六年来有显著改善,“3+95”城市中仍有29个城市90%分位数浓度超过100微克/立方米。在污染最高的冬季,“3+95”城市90%分位数浓度平均值可达135.8微克/立方米。有34个城市超过150微克/立方米,这意味着冬季至少有9天达到重度污染。因此,在污染物平均浓度普遍改善的情形下,分位数浓度也应纳入考核考量标准,以减少极端污染对人群健康的伤害。

2020年春夏8小时臭氧的90%分位数浓度在除上海外的省市也有普遍的下降。但相比2015年春夏,除北京外的七省二市均有增加,其中,安徽和天津春夏8小时臭氧90%分位数浓度分别上升35.4%25.4%,河北、山西、陕西分别上升12.4%14.2%11.7%;山东、河南增长较为平缓,增幅分别为8.7%6.8%;江苏和上海则无显著改变,近年基本在190微克/立方米上下波动;北京虽然五年累计有下降,但90%分位数浓度仍处于204微克/立方米的高位,仅低于天津(215微克/立方米)和山东(206微克/立方米)。

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防控已进阶 标准应升级

目前我国以75微克/立方米作为二十四小时优良空气”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。

通过分析“3+95”城市过去五年的空气优良率,中国空气质量已有非常显著的改善。“3+95”城市PM2.5年均浓度已从201569.9微克/立方米,降至2020年的47微克/立方米,2020年气象调整后年均浓度最高省市为61.3微克/立方米,超半数城市(54个)年均浓度低于50微克/立方米。我们认为目前以PM2.575微克/立方米作为空气质量的上限已过于宽松。我们注意到印度和孟加拉国PM2.5的标准分别为6065微克/立方米,均比中国目前使用的WHO“过渡时期的初级指标所建议的75微克/立方米严格。我们建议使用WHO“过渡时期第二级指标所给定的50微克/立方米作为的上限,提高预警范围,以减少中国公民的长期污染暴露水平。

50微克/立方米为标准下,虽然各城市优良空气占比平均下降16%,但所有城市优良空气占比仍超过54%,其中47个城市优良空气占比仍在70%以上。大量科学研究发现长期暴露在PM2.5浓度35微克/立方米至75微克/立方米的空气中会对人体健康造成危害。使用50微克作为的上界,将提高我国污染等级提示的标准,将使我国人群能实行更有效的保护措施,减少我国人群污染暴露水平。提高的标准也会降低未来个人及国家的医疗健康开支,也将为下一步大气污染防治行动计划提供更高的目标和新的动能。


[往期报告链接]

 


课题组成员

 孙浩轩,北京大学前沿交叉学科研究院硕士研究生

 罗山杉,北京大学前沿交叉学科研究院硕士研究生

   威,北京大学光华管理学院本科生

 王艺纯,北京大学数学科学学院本科生

 詹皓翔,北京大学数学科学学院本科生

 王心怡,北京大学元培学院本科生

 黄雅轩,北京大学元培学院本科生

   婧,西南财经大学统计学院助理教授

   斌,西南财经大学统计研究中心、统计学院副教授

 陈松蹊,北京大学光华管理学院、统计科学中心、数学科学学院讲席教授,课题负责人