李克强总理在2017年两会政府事情报告中，把治霾提到了“蓝天守卫战”的高度，更提出要增强盛气治理研究的科学性、精准性。这段话不但说到了许多人心坎里，也点出了科学治霾的偏向和当务之急。近年来，首都北京被贴上了“雾霾”这个新标签，人们在艰难呼吸的同时，也盼愿弄明确：自己身处一个什么样的空气情形？这个情形正在爆发怎样的转变？今天，本文将为列位读者先容北大陈松蹊研究团队的最新研究效果，就最近四年的空气污染数据举行深度剖析，从统计学的角度拨开北京空气迷雾。
研究配景：基于大宗数据举行统计学剖析
2015年3月和2016年3月，陈松蹊向导的北大伟易博和北大统计科学中心团队先后宣布了两份空气质量评估报告，《空气质量评估报告：北京城区2010-2014年PM2.5污染状态研究》和《空气质量评估报告（二）：中国五都会空气污染状态之统计学剖析》。今天下昼，《空气质量评估报告（三）：北京地区2013-2016年区域污染状态评估》在北京大学正式宣布。
这份报告集中研究剖析了北京市所有空气质量监测站点2013年至2016年四年间共凌驾一千多万条的污染物浓度和气象数据。同之前的两个报告相比，所使用的监测站点的数目从原来的4个增添到36个，所研究的污染物从只有PM2.5增添到同时包括PM2.5、PM10、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳和臭氧在内的六种通例污染物。
在要领上，本报告将之前两个报告所使用的对气象变量在时间维度上的调解要领举行扩展，加入了在空间维度上的气象调解，提出了时-空气象调解要领，对北京2013年至2016年的空气质量数据举行了周全、综合、系统的剖析。
为利便阅读，我们将摘取该报告内容举行分期推送，本期将围绕北京市PM2.5数值四年来的总体体现举行先容和剖析。
北京市现在共有36个空气质量监测站点，其中12个为国控站，23个为市控站点，1个为美国驻华使馆。为了更好地剖析北京市污染漫衍的区域性特征，研究团队将北京的36个空气质量监测站点划分为三个区域：中心区域、南部区域和北部区域。中心和南部区域位于北京的平原地区。中心区域含有25个站点，它包括六环路所围绕的区域以及北六环外的昌平温顺义城区两个站点 ；南部区域指同河北接壤的区域，有3个检测站点 ；北部区域包括延庆、密云、平谷和怀柔，共有8个检测站点。
北京市所有站点漫衍。红色圆点代表污染物监测站点，蓝色三角形代表气象站点：
●：污染物监测站点▲：气象站点
区域差别：同在北京PM2.5浓度不尽相同
你在北京，我也在北京，我们可能呼吸着差别的空气 ……
现在，人们天天都可以通过种种软件来获知当天和最近几天的空气指数，相识所在都会的空气质量数据，然而恒久而言，空气质量究竟是在向好照旧变差，却难以得出清晰结论。为此，研究团队首先就北京市PM2.5值在2013-2016年每个季度的均值浓度举行了较量，做了一个综合差别季节、年份和区域空间的漫衍地图，我们来直观感受下四年中北京PM2.5的转变：
北京市PM2.5季均值浓度（微克/立方米）在差别年份的空间漫衍地图
2013年
2014年
2015年
2016年
图中数字代表平均浓度，括弧内为标准差
图中的橙色深浅代表了该时间段内该区域的PM2.5的均值浓度崎岖，一眼望去，逐年转变似乎不是十明确显，更令人瞩目的是在统一时间内，好比每年的秋冬季节，整个北京被分成了显着差别颜色深浅的色块，这意味着同样在这个都会，南部、中部、北部空气中PM2.5浓度有着显着差别！
那么，三个区域在统一时间的PM2.5数值事实相差几多？看看下图：
北京市三个区域PM2.5浓度（微克/立方米）的季节平均值转变曲线
可以看出，北京市PM2.5浓度泛起出冬高夏低、南高北低、四年间先增后减继而持平的时空特征。那么，在统一个区域差别时间段，PM2.5浓度又是怎样转变呢？
北京PM2.5季均值浓度（微克/立方米）
沿纬度（南北偏向）的转变曲线图
2015年
2016年
图中实线为调解季均值浓度，虚线为95%置信区间，点体现36个站点的调解季均值浓度。
可以看出，北京市PM2.5南高北低的这一区域差别在春夏两季并不大，其中夏日差别最小。但在污染严重的秋冬两季南高北低的体现是很是显着的。在冬季，市中心（长安街周围）的PM2.5的季均值浓度在100微克/立方米左右，而南部已在150微克/立方米上下 ；从长安街往北，浓度基本呈下降趋势 ；北部比中心区域低约莫18%到32%。这一空间漫衍特征反应了南部的污染物排放高和污染物从南方传输的路径，也批注秋冬两季南部区域的环保减排还要增强。
历年转变：最显着改善爆发在2015年
空气逐年好转？似乎不完全是这样……
相识了区域差别之后，我们再来看看北京的PM2.5四年来总体事实有什么转变、是否有显着改善。研究团队用每年的PM2.5季均值浓度与上年相减，得出了以下示意图：
北京市PM2.5季均值浓度（微克/立方米）
的年度转变及区域漫衍地图
2014年减2013年
2015年减2014年
2016年减2015年
图中数字代表浓度差值的平均值（标准差）。红色代表增添，蓝色代表镌汰。
分区域看看逐年转变趋势：
北京市差别区域PM2.5年均值浓度
（微克/立方米）较量
北京市差别区域六种污染物年均值浓度（微克/立方米）较量。实线代表相比上一年有显著（5%水平）镌汰或增添，虚线代表相比上一年没有显著转变。
由此我们发明：
北京的PM2.5均值浓度有很强的季节性：冬季最严重，其次是秋季、春季，夏日最轻。《大气国十条》为北京提出的在2017年应该抵达的年均值目的是60微克/立方米。在2015年和2016年夏日，北京的整个区域PM2.5浓度靠近达标 ；而近两年年龄冬三个季节的平均浓度仍远高于这一标准。
从年度转变的角度来看，这四年中空气质量的显著改善爆发在2015年。中心城区的年均值浓度从2014年的91.1微克/立方米下降到2015年的79.8微克/立方米，降幅高达12.4%。
以PM2.5浓度权衡，2016年与2015年相比，空气质量没有显著改善。关于中心和北部区域而言，2016年秋冬两季比2015年同期均有增添，其中北部地区在冬季的增添最为显著。中心区域2016年整年均值浓度为80.9微克/立方米，比2015年的79.8微克/立方米增添了1.4%，其中春夏两季的PM2.5水平同2015年同季节持平，但秋季有3.9%的增添，冬季上升幅度为3.1%。这说明2016年的PM2.5浓度与2015年相比现实有所回升。
要领说明：
为何报告得出的结论和环保部分不完全相同？
让数听语言是门手艺活儿
仔细的读者可能已经发明，以上得出的结论和北京市环保部分凭证11个国控站点盘算获得的2016自然年的PM2.5浓度比2015年下降了9.9%的统计有所区别。
国控站是指由国家环保部直接治理、地方环保部分须向环保部监测总站实时提交空气质量数据的监测站点。北京市有12个，其中有11个（不含定陵）记入北京市的空气质量评估统计中。
为什么会这样？报告中对此也给出相识释说明：首先本研究所使用的“年”是指涵盖一个完整四序的“季节年”（从每年3月到次年2月），有别于自然年，而更靠近古板的夏历年。这样做主要是思量到各个季节具有其稳固的气象特征，以季节为单位更有利于使用气象调解要领。而各级环保部分的空气质量统计是以自然年为统计口径。其次，研究团队选取了北京市36个站点举行研究，而北京空气质量是基于11个国控站点盘算的。别的，为了越发客观地较量PM2.5浓度，报告中对原始浓度举行了时-空气象调解，而各级环保部分是对原始浓度的较量。这三点差别，造成了统计效果的差别。
统计要领差别造成的数值转变较量
上表给出基于北京市11个国控站和中心区域25个站点PM2.5自然年和季节年的PM2.5原始年均值浓度（微克/立方米）和气象调解后的年均值浓度（微克/立方米）及其年度转变。
关于11个国控站，若凭证自然年来看，2016年相比2015年PM2.5原始浓度下降了10.3%。这与北京市环保局宣布的9.9%的效果基本一致（伟易博数据经由了多源匹配和异常值处置惩罚）。但若凭证“季节年”来看，2016年则比2015年PM2.5浓度增添了6.7%。究其缘故原由，一方面是由于2016年1月和2月的浓度很是的低（如下图所示），拉低了2016自然年的数值。但凭证“季节年”盘算，这两个月属于2015年的冬季，而不计入在2016年之内。另一个方面是由于2017年1、2月份（含在2016年冬季）PM2.5浓度的强力反弹，导致2016“季节年”的原始浓度的增添。这也说明北京2016年的空气质量改善是很是懦弱的，由于一个简朴的两个月的时间平移，就获得完全差别的效果。
若是看表中气象调解后的浓度，我们发明使用11个国控站数据盘算的2016季节年均浓度比2015年提高了2.3%，与此同时中心区域浓度（基于25个站点）提高了1.4%，二者照旧很靠近的。我们也发明是否举行气象调解效果差别很大。好比2016季节年原始浓度与2015年相比，在国控站增添了6.7%，在中心区域增添了6.5% ；但经由气象调解后，以上增添比例划分酿成2.3%和1.4%。气象调解大大调低了2016年的增添比例，这是由于它是在基准气象条件下盘算获得的，在数值上越发平稳。气象调解减轻了极端气象条件的影响，这也是使用气象调解盘算污染浓度的优势所在。
北京市PM2.5浓度（微克/立方米）季节调解均值
和原始均值随时间转变的比照图
蓝色代表中心区域（25个站点），橘黄色代表11个国控站点
从上图我们发明，11个国控站点的原始均值显着小于中心区域站点的平均浓度，这是由于国控站点所有设在南二环所处纬度以北，而北京的PM2.5浓度又具有南高北低的特点。
优化建议：监测站点需举行越发合理的结构
监测不可厚此薄彼，更不应有盲区
北京市现在有35个空气质量监测站（不包括美使馆）。在空间上，中心区域（六环内加昌平温顺义的城区）共有24个站点，南部同河北接壤处有3个，另外有8个漫衍在北部区域（延庆、密云清静谷各2个，怀柔1个，昌平北部1个）。从生齿麋集度和大气污染对人体康健影响的角度看，在中心城区安排近70%的监测站点是有原理的，事实这一区域栖身着北京近80%的生齿。但从研究大气污染的传输和空间漫衍的角度看，这样做未必“经济实惠”。与此形成鲜明比照的是，现在南部的房山、大兴、通州三个区的站点结构过于希罕。在六环内，站点虽多但漫衍并不匀称，好比从奥体中心到昌平、怀柔城区温顺义新城之间的扇形地带就没有站点，形成了监测的盲区。
北京市现有监测站点结构
蓝点代表国控站，红点代表非国控站，浅绿色代表希罕区域。
从统计学实验设计的角度上看，为确保大气质量监测数据的有用性，应该在空气质量转变梯度大的区域安排较多的站点（好比南部、东部），在空气质量转变平缓的区域可以少安排站点。这样将极大化地提高峻气情形监测的经济效率，提升环保监测经费的使用效率。据报道，北京市妄想将站点的数目增添到70个。这将是一个很是好的时机来完善空气质量监测网的站点漫衍，使之越发合理，从而提高数据收罗的效率。同时也要避免把新增添的站点多放在一个区县空气质量相对较好的所在（好比安顿在一个区的北面，以使用南高北低的浓度漫衍特征），由于这样做将扭曲空气质量统计数据的客观代表性。
我们建议北京市应对新增站点的位置设定举行科学的论证，将更多的国控站安排在南二环所处纬度以南的区域。现在北京12个国控站均在南二环的纬度以北。在南二环以南结构国控站点，将会提高北京市怀抱大气污染浓度的客观性和代表性。
结论和建议：下一步怎样治理大气污染？
知己知彼，充分相识“敌手”才华战胜它
太过的化石类能源消耗是造成我国正在面临的大气污染逆境的基础缘故原由，以是从这一逆境解脱的有用要领应该是镌汰化石类能源（尤其是煤）的消耗。能源结构调解没有步伐一步到位，客观科学地熟悉空气污染物的转变情形，关于制订和接纳有用的防治步伐有着很是主要的意义。
北京的空气污染受周边地区传输的影响很大。我们在去年宣布的《五都会报告》中指出，促成北京2015年空气质量显著好转的缘故原由有两个：一个是由于2015年头最先实验的更严酷的大气情形羁系，另一个是中国自2014年最先的经济放缓。这两个因素一起导致京津冀近几年煤炭消耗的显著下降。可是最新的京津冀煤炭消耗和钢铁产量数据显示，河北省2016年秋季煤炭消耗在履历3年下降后首次最先反弹增添，2016年河北钢和铁的产量均创出历史新高（详细数据见即将宣布的《京津冀2013-2016年空气质量报告》）。这是2016年秋冬两季北京PM2.5泛起增添趋势的缘故原由，体现了经济回升对污染的孝顺。
每年消耗2.6亿吨煤的河北省并不是华北地区煤炭消耗量最多的，同处于华北地区的晋鲁豫三省也都是煤炭消耗大户。山东2015年和2016年消耗量均凌驾4亿吨，其中2016年上升到4.37亿吨，是河北的1.6倍。中国产煤第一的山西省的消耗量略高于河北，河南略低于河北。以是晋鲁豫三省的煤炭年消耗量是京津冀的3倍以上。环北京的华北地区每年13亿吨的巨量燃煤是北京以致华北地区大气污染的主要症结之一� ；钡厍趺涸硕南乱徊揭灿Ω弥氐闼剂可蕉⑸轿骱秃幽�。
展望2017年大气污染的防治形势，我们以为在经济回升期的大气情形治理将面临更大的挑战。经济进一步的回暖将直接导致对钢铁、水泥、化工产品等需求的加大。作为中国重工业的主要区域，华北地区（也含山东、河南、山西）的煤炭、柴油、汽油的消耗势必增添，现有减排羁系步伐下的PM2.5和其它主要污染物镌汰的空间势必减小，2017年的大气情形治理也势必难于2016年。若是说2015年大气情形治理在经济放缓的配景下是“顺水行船”，那么2017年将是“逆水行舟”。要想在2015年和2016年的水平上进一步镌汰PM2.5及其它污染物的浓度，更严酷的情形羁系和更有用的减排步伐无疑将是唯一可靠的手段。而这应当回到空气质量羁系的科学问题自己：提高监测数据的质量是当务之急，建设更有用的监测站点名堂势在必行，接纳越发科学、精准的空气质量评估要领，是守卫蓝天不可回避的选择！
课题组成员
张澍一，伟易博博士研究生，主要完成人
郭斌，西南财经大学统计研究中心，统计学院助理教授，主要完成人
王恒放，Iowa State University统计系博士研究生
董安澜，北京大学统计科学中心博士研究生
许子平，北京大学元培学院三年级本科生
何婧，西南财经大学统计学院助理教授
林伟，北京大学数学院概率统计系，北京大学统计科学中心助理教授
陈松蹊，伟易博、统计科学中心讲席教授，课题认真人
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