2013年1月1日，環(huán)保部正式將PM2.5列入空氣監(jiān)測指標(biāo)中。
2013年1月，北京頻繁出現(xiàn)極端霧霾天，PM2.5污染受到廣泛關(guān)注。
2013年9月10日國務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動計劃》，其中提出到2017年，京津冀地區(qū)細(xì)顆粒物濃度比2012年下降25%左右，北京市PM2.5檢測的年均濃度控制在60微克/立方米左右。
2014年3月，北京大學(xué)統(tǒng)計科學(xué)中心和光華管理學(xué)院的八位老師同學(xué)開始收集和分析北京地區(qū)的PM2.5數(shù)據(jù)。時隔一年，謹(jǐn)以這份報告來概括我們一年來的研究結(jié)果。目前關(guān)于如何治理中國大氣污染的討論正在全國熱烈進(jìn)行著，我們期待這份報告能夠提供一個數(shù)據(jù)的視角和統(tǒng)計學(xué)上的分析判斷。
數(shù)據(jù)
環(huán)保部從2013年1月開始實(shí)時公布全國74個主要城市的PM2.5數(shù)值。我們從2014年4月份開始收集其官網(wǎng)上公布的北京地區(qū)數(shù)據(jù)。鑒于2014年4月之前的歷史數(shù)據(jù)并未公開，我們采用了美國駐華大使館2010年到2014年共五年的PM2.5逐小時濃度的數(shù)據(jù)。
由于PM2.5濃度受氣象條件影響很大，我們使用北京首都國際機(jī)場(ZBAA)自2010年至2014年的逐小時氣象數(shù)據(jù)?？紤]的氣象變量有氣壓、溫度、相對濕度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向、風(fēng)速和降水。
為了相互驗(yàn)證美國大使館與環(huán)保部數(shù)據(jù)的可靠性，我們比較了從2014年5月1日到2014年12月31日美國駐華大使館與環(huán)保部下屬六個在京站點(diǎn)的逐小時PM2.5觀測值。這些數(shù)據(jù)高度一致，其中農(nóng)展館和東四環(huán)北路是與大使館地理位置最接近的兩個環(huán)保部監(jiān)測站點(diǎn)，它們同使館數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.95(圖1)。
北京污染的基本統(tǒng)計
根據(jù)PM2.5小時濃度我們將空氣質(zhì)量分成如下三級：優(yōu)良：PM2.5濃度不超過35微克/立方米;污染：PM2.5濃度大于35微克/立方米;嚴(yán)重污染：PM2.5濃度大于150微克/立方米。
我們計算了北京過去五年P(guān)M2.5的三種空氣質(zhì)量狀態(tài)持續(xù)時間。結(jié)果如下：(1) 五年間北京經(jīng)歷了437次污染過程(PM2.5大于35微克/立方米)，平均每周1.7次。每次污染過程的持續(xù)時間平均值約為70小時，將近三天。(2) 五年間北京優(yōu)良空氣狀態(tài)平均每次的持續(xù)時間為21小時。(3) 85%的污染過程達(dá)到了嚴(yán)重污染，每次嚴(yán)重污染的持續(xù)時間平均為25小時，比優(yōu)良空氣的平均持續(xù)時間長4小時。
我們還發(fā)現(xiàn)在這五年:北京優(yōu)良空氣持續(xù)的時間約占23%;超過一半的時間(約占55%)是處于一般污染狀態(tài)(PM2.5濃度介于35微克/立方米和150微克/立方米之間);而有約22%的時間處于嚴(yán)重污染的狀況。三種空氣質(zhì)量狀態(tài)的比例從2010年到2014年變化不大。
風(fēng)的影響
風(fēng)對北京霧霾有多大影響?秋、冬北京多西北風(fēng)，春、夏多東南風(fēng)。就風(fēng)速而言，春季和冬季都有強(qiáng)勁的西北風(fēng)，夏季各個風(fēng)向的風(fēng)速都偏小。秋季的風(fēng)速一般不高，靜風(fēng)比例是四季中最高的。為了探明風(fēng)對PM2.5的影響，我們計算了在不同污染狀況下風(fēng)向和風(fēng)速的分布。圖2給出了從污染開始、污染中、嚴(yán)重污染，污染結(jié)束、優(yōu)良空氣、基準(zhǔn)水平的風(fēng)的情況。其中基準(zhǔn)水平是指這五年風(fēng)的基本情況。
圖2：污染過程從污染開始、污染中、嚴(yán)重污染、污染結(jié)束到優(yōu)良空氣狀態(tài)下的風(fēng)向分布及各風(fēng)向下的平均風(fēng)速。
從圖2我們發(fā)現(xiàn)：
在污染開始狀態(tài)，西南風(fēng)有顯著增加，從基準(zhǔn)水平的5%上升到13%。
在污染中和嚴(yán)重污染狀態(tài)，東南風(fēng)增加了8%和7%，靜風(fēng)增加4%和9%。
在污染結(jié)束狀態(tài)和優(yōu)良空氣時段，北風(fēng)比例(79%-83%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)水平(44%)，且這兩個狀態(tài)的西北風(fēng)和東北風(fēng)的平均風(fēng)速遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)水平。
圖3展示了在四個不同季節(jié)下，PM2.5與北風(fēng)和南風(fēng)的累積風(fēng)速的關(guān)系。紅色曲線是擬合二者的回歸函數(shù)。從圖中我們可以明顯看到：
北風(fēng)對PM2.5有明顯的清洗作用。
持續(xù)的南風(fēng)會增加PM2.5，尤其在夏天。
圖3：四個季節(jié)在北風(fēng)與南風(fēng)條件下，PM2.5和累積風(fēng)速的關(guān)系。
如果沒有一級以上北風(fēng)，北京的PM2.5濃度在優(yōu)良水平狀態(tài)的平均持續(xù)時間從20小時大幅下降到4.7小時。這說明北京自身排放的污染是不可忽視的。
過去五年P(guān)M2.5年均值濃度
通過現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)方法，我們給出了一個公平地比較不同年份的PM2.5濃度的方法。這一方法扣除氣象因素的影響，使不同年的PM2.5可以公平比較(具體的統(tǒng)計方法見研究報告)。
過去五年P(guān)M2.5年均值濃度(括號內(nèi)數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)誤差)分別為：
2010年：101.15(0.79)微克/立方米;
2011年：97.02(0.84)微克/立方米;
2012年：91.79(0.76)微克/立方米;
2013年：101.31(0.84)微克/立方米;
2014年：98.57(0.86)微克/立方米。
可見這五年來年平均PM2.5濃度沒有大的變化，均在91到102微克/立方米之間。
過去五年P(guān)M2.5分布的分位數(shù)
分位數(shù)是除平均值之外另一組描述PM2.5分布的度量指標(biāo)。相比于平均值，它們更穩(wěn)健，不易受到異常值的影響。最常見的是50%分位數(shù)，也稱為中位數(shù)。PM2.5的90%分位數(shù)濃度是指有90%的數(shù)值小于該濃度，它度量了污染最嚴(yán)重的10%的情況。同理， 10%分位數(shù)濃度是指有10%的數(shù)值小于該濃度，所以它給出了PM2.5濃度最低的10%的水平。圖4給出了過去五年經(jīng)過調(diào)整氣象因素后的PM2.5 的5個分位數(shù)。
圖4：調(diào)整后各月PM2.5濃度的分位數(shù)曲線
它告訴我們?nèi)缦陆Y(jié)果：
北京過去五年10%分位數(shù)(最好的10%情況)基本小于35微克/立方米。
22個月(主要在夏天)的25%分位數(shù)超過了35微克/立方米。這是由于夏天溫度、濕度高且風(fēng)速較小，造成二次污染，拉高了污染過程的濃度。
59個月的中位數(shù)大于35微克/立方米，且主要集中在70-100微克/立方米之間。這說明北京有50%的時間處在一般和重度污染狀態(tài)下。
75%分位數(shù)和90%分位數(shù)從10月到次年3月相比其他月份會有大幅度增加。這與冬季取暖和秋季秸稈燃燒有關(guān)。
APEC效應(yīng)
APEC會議期間政府采取的大力度減排措施對北京的空氣有多大貢獻(xiàn)呢?
我們考慮兩個時間段：11月3日到12日，11月6日到12日。它們分別對應(yīng)了APEC減排措施的兩個階段。我們?nèi)コ鞖庥绊懞蟊容^2014年與前四年同時期的PM2.5濃度水平。圖5給出了兩個時階段的平均濃度。
圖5：APEC對比實(shí)驗(yàn)。2014年APEC期間與2010年至2013年同期的兩個控制階段的PM2.5的平均濃度(白色實(shí)線)及其95%置信區(qū)間。
圖5說明：
APEC期間PM2.5比往年大幅降低。
第二階段減排效果更明顯，PM2.5濃度下降了27%。
但是在實(shí)施了一周的大范圍減排后，平均濃度仍高達(dá)51.5微克/立方米。
冬季供暖效應(yīng)
不少研究表明煤的燃燒是PM2.5的一項重要來源，尤其是在冬季供暖時期。我們選取每年11月份供暖開始前后兩周的時間，以過去五年中所有這四周的天氣數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，計算調(diào)整后的非供暖期和供暖期的PM2.5的平均濃度。類似地，我們考慮了每年3月份結(jié)束供暖前后兩周數(shù)據(jù)。圖6里只給出了每年11月份的供暖效應(yīng)圖。我們發(fā)現(xiàn)：
PM2.5在供暖時期(紅色)的平均水平都要比非供暖時期(藍(lán)色)顯著增高(在統(tǒng)計學(xué)意義上);
11月份從非供暖時期到供暖時期PM2.5平均濃度增長了23%至179%不等;
3月份，供暖時期的PM2.5平均濃度要比非供暖時期的濃度增加33%-66%。
通過計算，我們發(fā)現(xiàn)11月和3月冬季供暖時期的PM2.5濃度相比非供暖時期的濃度的增長比例的五年平均值為53.5%(11月為56.3%，3月為51.8%)
圖6：2010年到2014年北京冬季供暖效應(yīng)：PM2.5平均濃度及其95%置信區(qū)間。
結(jié)果匯總
(1)北京過去五年里的空氣狀況是：每年約有23%的優(yōu)良天氣，55%的一般污染天氣，22%的嚴(yán)重污染天氣。這三個百分比在過去五年中的變化不大。
(2)北風(fēng)對北京城區(qū)的污染有很強(qiáng)的清洗作用，而南風(fēng)會把北京以南的污染物傳輸過來，加劇北京城的空氣污染。
(3)在沒有一級以上北風(fēng)的情況下，北京城區(qū)優(yōu)良空氣平均每次只能維持不到5小時。這說明北京的污染有相當(dāng)一部分來自本地排放。
(4)2013年和2014年北京城區(qū)的PM2.5污染水平與2012年相比沒有顯著改善。在去除氣象因素的影響后，2013年和2014年的PM2.5年平均濃度比2012年分別增加了10.4%和7.4%。中位數(shù)濃度和90%分位數(shù)濃度也顯著地高于2012年。雖然2014年與2013年相比PM2.5的年平均濃度下降了2.7%，但仍然高于2012年的水平。
(5)“APEC藍(lán)”是由于北京及周邊地區(qū)超大力度的減排，但平均PM2.5仍有51.5微克/立方米。這說明在現(xiàn)有的能源消耗模式下，北京地區(qū)獲得持續(xù)性達(dá)標(biāo)空氣的可能性很低。
(6)冬季供暖使得PM2.5濃度增加50%以上。我們所做的兩個情景分析說明，只通過減少冬季供暖的污染不能實(shí)現(xiàn)北京的PM2.5濃度比2012年下降25%的目標(biāo)(詳見本報告完整版本)。
(7)在現(xiàn)有的減排力度、模式下北京很難達(dá)到《大氣國十條》所訂下的2017年的兩個減排目標(biāo)(京津冀地區(qū)細(xì)顆粒物濃度比2012年下降25%左右，北京市PM2.5的年均濃度控制在60微克/立方米)。要實(shí)現(xiàn)這兩個目標(biāo)，京、津、冀、魯、豫必須進(jìn)行能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革性調(diào)整，及環(huán)境法規(guī)的嚴(yán)格執(zhí)行。
