原文刊登在《中国环境管理》2015年第2期，侵权必究。
作者：石敏俊 相楠
石敏俊：中国科学院大学教授、博士生导师，中国科学院虚拟经济与数据科学研究中心副主任
摘要：雾霾污染已成为京津冀地区最突出的环境问题，国务院颁布了大气污染防治行动计划，明确提出了京津冀地区雾霾治理的浓度目标和减排措施。但是这些减排措施是否能够实现PM2.5的浓度目标呢？本文基于数据分析方法，量化了2013-2014年京津冀地区PM2.5浓度与污染物排放量的关系，预测了现有减排措施可以达到的PM2.5浓度以及实现既定的PM2.5浓度目标的大气污染物减排要求，对“大气国十条”减排政策的有效性进行了科学评估。结果显示，现有的减排措施难以实现PM2.5浓度目标，天津和河北的大多数地市需要进一步加大污染物减排力度。河北的部分地市即使实现了PM2.5浓度下降25%的目标，PM2.5浓度仍然过高，应改下降百分比为绝对值目标。北京的污染物减排率过高，减排难度较大，可以考虑一个现实合理的PM2.5浓度目标和污染物减排计划。由于污染物减排行动涉及到区域经济和民生保障，PM2.5浓度受到风力等自然因素的影响较大，京津冀地区的雾霾治理应确定现实可行的浓度控制目标，并制定相应的污染物排放量管理目标。
前言
雾霾污染已成为我国最突出的环境问题之一。2013年1月发生的雾霾污染覆盖了我国华北及华东大部分地区，涉及区域超过130万平方公里，影响人口8.5亿，其中受严重污染影响的人口2.5亿人。雾霾污染治理刻不容缓，已成为全社会的普遍共识。2013年9月，国务院发布了《大气污染防治行动计划》（简称“大气十条”），明确提出，到2017年全国地级及以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10%以上，优良天数逐年提高；京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25%、20%、15%左右，其中北京市细颗粒物年均浓度控制在60微克/立方米左右。京津冀地区是雾霾污染最严重的区域。2013—2014年PM2.5年均浓度最高的10座城市，有7个位于河北省。2013年，河北邢台和石家庄的PM2.5年均浓度高达155.2μg/m3和148.5μg/m3，是国家标准的4倍以上。京津冀各地区依据“大气十条”的要求，制订了具体的减排行动计划。譬如，北京要求到2017年SO2排放量从当前的9.38万吨减少6.37万吨，NOx排放量从当前的22.45万吨减少10.29万吨；天津要求2017年SO2排放量从当前的22.45万吨减少13.44万吨，NOx排放量从33.42万吨减少7.27万吨；河北要求2017年SO2排放量从当前的134.12万吨减少46.15万吨，NOx排放量从176.11万吨减少42.37万吨。
然而，PM2.5浓度是减排行动的结果，除了受到排放量的影响之外，也受到天气因素等自然条件的影响，因而判断既定的减排行动计划是否能够达到PM2.5浓度目标并非一件易事。本文拟基于大数据分析的思路，估算污染物排放量和PM2.5浓度之间的关系，从而尝试判断既定的减排行动计划是否可以实现PM2.5浓度控制目标。
1 京津冀地区PM2.5浓度和污染物排放量及风力的关系
1.1 模型
本文考虑了PM2.5浓度的主要影响因素，构建了以下线性方程式，通过数学建模来刻画污染物排放量、风力、周边区域污染物传输效应等因素对PM2.5浓度的影响。
Y=f（X, LY, LNY, LSY, LouLW, MediumLW）
其中，Y为各个区域的PM2.5浓度。
X为二氧化硫、氮氧化物和烟粉尘的日排放量，为了便于区域之间的比较，采用单位面积的排放量，也即排放量密度。由于二氧化硫、氮氧化物和烟粉尘之间存在共生关系，它们的排放量数据存在较高的相关性，同时放入模型会引起多重共线性，在模型中采用因子分析提取出主成分放入模型，再依据模型结果还原为各种污染物的排放量。
LY为滞后一期的PM2.5浓度值，表征污染物在空气中的累积效应。
LNY为区域i北部相邻地区滞后一期的PM2.5浓度值；LSY为区域i南部相邻地区滞后一期的PM2.5浓度值，表征相邻区域之间污染物传输作用的影响。其中，当风向为东北/北/西北方向时，北部相邻地区的浓度对PM2.5浓度有影响，否则为0。
风力变量分为三级，采用虚拟变量方式表征。Low为一级和二级风的低速风，Medium为三级和四级风的中速风，high为五级风及以上的高速风。LowLW为滞后一期的低速风，MediumLW为滞后一期的中速风。五级风及以上的高速风作为参照组进入模型。
1.2 数据
PM2.5浓度、风力等数据来自环境监测数据和气象统计数据，污染物日排放量数据依据各种污染物的年排放量，参考供暖、电力消费波动、交通拥堵程度等指标，将年排放量分解为日排放量。本文的数据来自北京、天津、保定、廊坊、张家口、唐山、承德、石家庄、秦皇岛、沧州、衡水、邢台、邯郸等13个地市，为深入考察北京城区和郊区的差异，本文将北京分为北京城区和北京郊区，因而本文所指的京津冀地区共包括14个区域。
1.3 结果
总体来看，京津冀各个区域污染物排放因子和风力对PM2.5浓度有显著的影响，不同区域各个影响因素的作用程度有所差异（表1）。当地的污染物排放量首当其冲对PM2.5浓度具有显著的影响，当地的滞后一期PM2.5浓度反映出大气中的污染物累积效应对PM2.5浓度也有显著的影响。与高速风相比，中速风和低速风有明显的污染物累积作用，对PM2.5浓度升高有显著的影响。相邻区域的PM2.5浓度普遍有显著的影响，说明区域传输效应对PM2.5浓度的作用显著。当然，有的区域是来自南部相邻区域的污染物传输效应显著，有的区域则是来自北部相邻区域的污染物传输效应显著，也有的区域是南北部的相邻区域均有污染物传输效应。
基于表1的系数进行的PM2.5日均浓度预测值与实际值的拟合效果总体上较好，但北京城区、天津、保定、廊坊、唐山、秦皇岛、沧州、邯郸等区域PM2.5浓度极值的预测效果不好。因此，本文采用分位数回归结果，对上述区域PM2.5浓度极值预测的系数进行了校正（表2）。经过校正，北京城区、天津、保定、廊坊、唐山、秦皇岛、沧州、邯郸等区域PM2.5日均浓度的预测值和实际值取得了很好的拟合效果。
2 京津冀地区减排行动计划的评估
依据《大气污染防治行动计划》确定的污染物减排量，基于前述模型，可以预测可能达到的PM2.5浓度。预测结果显示，如果周边区域不同时减排，几乎所有区域都难以实现《大气污染防治行动计划》要求的浓度控制目标，即天津和河北各地市PM2.5年均浓度下降25%，北京的PM2.5年均浓度达到60微克。即使是在周边区域同时减排的条件下，大部分区域也难以实现《大气污染防治行动计划》要求的浓度控制目标，能够达标的区域只有北京郊区、承德、石家庄、邯郸（表3）。承德和张家口的PM2.5年均浓度原本就低，实际上不需要按照下降25%的浓度目标来进行减排。
北京城区和郊区按照减排行动计划要求，需减少污染物排放量63%，这是一个极其艰巨的减排任务。即便如此，北京城区只能使得PM2.5年均浓度下降到66.92微克，离60微克的浓度目标仍有差距。石家庄和邯郸尽管PM2.5年均浓度有望下降25%，但仍超过90微克。除了石家庄和邯郸外，PM2.5年均浓度超过90微克的区域还有保定、廊坊、唐山、衡水、邢台等地市。
这一结果表明，《大气污染防治行动计划》确定污染物减排行动计划难以实现PM2.5年均浓度控制目标。如果要实现PM2.5年均浓度下降25%的浓度控制目标，天津和河北需要进一步加大污染物减排力度。进一步而言，石家庄、保定、唐山、邯郸、邢台、衡水等区域不能满足PM2.5年均浓度下降25%的目标，更重要的是尽可能把PM2.5年均浓度降得更低，尽可能减少重污染天气发生频率。北京的减排任务较为艰巨，仍难以达到60微克的浓度目标，可能需要考虑调整浓度目标。
3 京津冀地区实现浓度控制目标的减排要求
按照天津和河北各地市PM2.5年均浓度下降25%、北京的PM2.5年均浓度达到60微克的既定政策目标，本文模拟了各种污染物的允许排放量，这就可以得到与现状排放量相比的减排要求（表4）。从京津冀地区整体上看，二氧化硫、氮氧化物、烟粉尘的年排放量需要减少42%左右，才能使得天津和河北各地市PM2.5年均浓度下降25%、北京的PM2.5年均浓度达到60微克（表5）。但具体到各个区域，减排要求又各不相同。
除了张家口、承德和秦皇岛的PM2.5浓度原本就较低、不需要下降25%以外，在周边区域同时减排的条件下，河北的其余区域和天津要达到PM2.5年均浓度下降25%的目标，需要减少的污染物排放量大多在37%~ 61%。石家庄尽管减少污染物排放量18%可以使得PM2.5年均浓度下降25%，但PM2.5年均浓度仍在106.93微克，离公众对环境质量的要求相差甚远。邯郸减少污染物排放量27%，也可以使得PM2.5年均浓度下降25%，但PM2.5年均浓度依然超过90微克。石家庄和邯郸实际上应当减少更多的污染物排放量。
北京城区要使得PM2.5年均浓度下降到60微克，需要减少的污染物排放量达到80%，这几乎是不可能完成的任务。按照“大气十条”的减排行动计划，北京城区减少63%的污染物排放量，有望使PM2.5浓度降至67微克。这意味着，要把PM2.5年均浓度从67微克降到60微克，北京城区需要把污染物减排率从63%提高到80%，降低PM2.5年均浓度的边际成本会越来越高。北京市也许需要考虑调整近期的浓度控制目标，制定更加现实可行的政策目标。
4 结论
综合上述分析，本文的结论可以归纳为以下几点：
（1）如果按照《大气污染防治行动计划》确定的污染物减排计划，即使是在周边区域同时减排的条件下，大部分区域仍难以实现天津和河北的PM2.5年均浓度下降25%、北京的PM2.5年均浓度达到60微克的浓度控制目标。如果周边区域不同时减排，则几乎所有区域都难以实现《大气污染防治行动计划》要求的浓度控制目标。
（2）要实现PM2.5年均浓度下降25%的浓度控制目标，天津和河北需要进一步加大污染物减排力度。石家庄、保定、唐山、邯郸、邢台、衡水等地不能满足PM2.5年均浓度下降25%的目标，即使PM2.5年均浓度下降25%，浓度仍然超过90微克甚至100微克。这些区域应当减少更多的污染物排放量，把PM2.5年均浓度降得更低。
（3）北京的减排行动计划要减少污染物排放量63%，这是一个极其艰巨的减排任务，即便能够实现，北京城区也只能使得PM2.5年均浓度下降到66.92微克，离60微克的浓度目标仍有差距。如果要把PM2.5年均浓度从67微克降到60微克，北京城区需要把污染物减排率从63%提高到80%，雾霾治理的边际成本会越来越高。北京市也许需要考虑调整近期的浓度控制目标，制定更加现实可行的政策目标。
（4）由于污染物减排行动涉及区域经济和民生保障，雾霾治理不可能一蹴而就，治理大气污染问题将是一个长期过程。京津冀雾霾治理应当在科学确定环境容量的基础上，确定现实可行的PM2.5浓度控制目标，并制订具有可操作性的相应的污染物减排计划。
