原文刊登在《中國環境管理》2015年第2期，侵權必究。
作者：石敏俊 相楠
石敏?。褐袊茖W院大學教授、博士生導師，中國科學院虛擬經濟與數據科學研究中心副主任
摘要：霧霾污染已成為京津冀地區最突出的環境問題，國務院頒布了大氣污染防治行動計劃，明確提出了京津冀地區霧霾治理的濃度目標和減排措施。但是這些減排措施是否能夠實現PM2.5的濃度目標呢？本文基于數據分析方法，量化了2013-2014年京津冀地區PM2.5濃度與污染物排放量的關系，預測了現有減排措施可以達到的PM2.5濃度以及實現既定的PM2.5濃度目標的大氣污染物減排要求，對“大氣國十條”減排政策的有效性進行了科學評估。結果顯示，現有的減排措施難以實現PM2.5濃度目標，天津和河北的大多數地市需要進一步加大污染物減排力度。河北的部分地市即使實現了PM2.5濃度下降25%的目標，PM2.5濃度仍然過高，應改下降百分比為絕對值目標。北京的污染物減排率過高，減排難度較大，可以考慮一個現實合理的PM2.5濃度目標和污染物減排計劃。由于污染物減排行動涉及到區域經濟和民生保障，PM2.5濃度受到風力等自然因素的影響較大，京津冀地區的霧霾治理應確定現實可行的濃度控制目標，并制定相應的污染物排放量管理目標。
前言
霧霾污染已成為我國最突出的環境問題之一。2013年1月發生的霧霾污染覆蓋了我國華北及華東大部分地區，涉及區域超過130萬平方公里，影響人口8.5億，其中受嚴重污染影響的人口2.5億人。霧霾污染治理刻不容緩，已成為全社會的普遍共識。2013年9月，國務院發布了《大氣污染防治行動計劃》（簡稱“大氣十條”），明確提出，到2017年全國地級及以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上，優良天數逐年提高；京津冀、長三角、珠三角等區域細顆粒物濃度分別下降25%、20%、15%左右，其中北京市細顆粒物年均濃度控制在60微克/立方米左右。京津冀地區是霧霾污染最嚴重的區域。2013—2014年PM2.5年均濃度最高的10座城市，有7個位于河北省。2013年，河北邢臺和石家莊的PM2.5年均濃度高達155.2μg/m3和148.5μg/m3，是國家標準的4倍以上。京津冀各地區依據“大氣十條”的要求，制訂了具體的減排行動計劃。譬如，北京要求到2017年SO2排放量從當前的9.38萬噸減少6.37萬噸，NOx排放量從當前的22.45萬噸減少10.29萬噸；天津要求2017年SO2排放量從當前的22.45萬噸減少13.44萬噸，NOx排放量從33.42萬噸減少7.27萬噸；河北要求2017年SO2排放量從當前的134.12萬噸減少46.15萬噸，NOx排放量從176.11萬噸減少42.37萬噸。
然而，PM2.5濃度是減排行動的結果，除了受到排放量的影響之外，也受到天氣因素等自然條件的影響，因而判斷既定的減排行動計劃是否能夠達到PM2.5濃度目標并非一件易事。本文擬基于大數據分析的思路，估算污染物排放量和PM2.5濃度之間的關系，從而嘗試判斷既定的減排行動計劃是否可以實現PM2.5濃度控制目標。
1 京津冀地區PM2.5濃度和污染物排放量及風力的關系
1.1 模型
本文考慮了PM2.5濃度的主要影響因素，構建了以下線性方程式，通過數學建模來刻畫污染物排放量、風力、周邊區域污染物傳輸效應等因素對PM2.5濃度的影響。
Y=f（X, LY, LNY, LSY, LouLW, MediumLW）
其中，Y為各個區域的PM2.5濃度。
X為二氧化硫、氮氧化物和煙粉塵的日排放量，為了便于區域之間的比較，采用單位面積的排放量，也即排放量密度。由于二氧化硫、氮氧化物和煙粉塵之間存在共生關系，它們的排放量數據存在較高的相關性，同時放入模型會引起多重共線性，在模型中采用因子分析提取出主成分放入模型，再依據模型結果還原為各種污染物的排放量。
LY為滯后一期的PM2.5濃度值，表征污染物在空氣中的累積效應。
LNY為區域i北部相鄰地區滯后一期的PM2.5濃度值；LSY為區域i南部相鄰地區滯后一期的PM2.5濃度值，表征相鄰區域之間污染物傳輸作用的影響。其中，當風向為東北/北/西北方向時，北部相鄰地區的濃度對PM2.5濃度有影響，否則為0。
風力變量分為三級，采用虛擬變量方式表征。Low為一級和二級風的低速風，Medium為三級和四級風的中速風，high為五級風及以上的高速風。LowLW為滯后一期的低速風，MediumLW為滯后一期的中速風。五級風及以上的高速風作為參照組進入模型。
1.2 數據
PM2.5濃度、風力等數據來自環境監測數據和氣象統計數據，污染物日排放量數據依據各種污染物的年排放量，參考供暖、電力消費波動、交通擁堵程度等指標，將年排放量分解為日排放量。本文的數據來自北京、天津、保定、廊坊、張家口、唐山、承德、石家莊、秦皇島、滄州、衡水、邢臺、邯鄲等13個地市，為深入考察北京城區和郊區的差異，本文將北京分為北京城區和北京郊區，因而本文所指的京津冀地區共包括14個區域。
1.3 結果
總體來看，京津冀各個區域污染物排放因子和風力對PM2.5濃度有顯著的影響，不同區域各個影響因素的作用程度有所差異（表1）。當地的污染物排放量首當其沖對PM2.5濃度具有顯著的影響，當地的滯后一期PM2.5濃度反映出大氣中的污染物累積效應對PM2.5濃度也有顯著的影響。與高速風相比，中速風和低速風有明顯的污染物累積作用，對PM2.5濃度升高有顯著的影響。相鄰區域的PM2.5濃度普遍有顯著的影響，說明區域傳輸效應對PM2.5濃度的作用顯著。當然，有的區域是來自南部相鄰區域的污染物傳輸效應顯著，有的區域則是來自北部相鄰區域的污染物傳輸效應顯著，也有的區域是南北部的相鄰區域均有污染物傳輸效應。
基于表1的系數進行的PM2.5日均濃度預測值與實際值的擬合效果總體上較好，但北京城區、天津、保定、廊坊、唐山、秦皇島、滄州、邯鄲等區域PM2.5濃度極值的預測效果不好。因此，本文采用分位數回歸結果，對上述區域PM2.5濃度極值預測的系數進行了校正（表2）。經過校正，北京城區、天津、保定、廊坊、唐山、秦皇島、滄州、邯鄲等區域PM2.5日均濃度的預測值和實際值取得了很好的擬合效果。
2 京津冀地區減排行動計劃的評估
依據《大氣污染防治行動計劃》確定的污染物減排量，基于前述模型，可以預測可能達到的PM2.5濃度。預測結果顯示，如果周邊區域不同時減排，幾乎所有區域都難以實現《大氣污染防治行動計劃》要求的濃度控制目標，即天津和河北各地市PM2.5年均濃度下降25%，北京的PM2.5年均濃度達到60微克。即使是在周邊區域同時減排的條件下，大部分區域也難以實現《大氣污染防治行動計劃》要求的濃度控制目標，能夠達標的區域只有北京郊區、承德、石家莊、邯鄲（表3）。承德和張家口的PM2.5年均濃度原本就低，實際上不需要按照下降25%的濃度目標來進行減排。
北京城區和郊區按照減排行動計劃要求，需減少污染物排放量63%，這是一個極其艱巨的減排任務。即便如此，北京城區只能使得PM2.5年均濃度下降到66.92微克，離60微克的濃度目標仍有差距。石家莊和邯鄲盡管PM2.5年均濃度有望下降25%，但仍超過90微克。除了石家莊和邯鄲外，PM2.5年均濃度超過90微克的區域還有保定、廊坊、唐山、衡水、邢臺等地市。
這一結果表明，《大氣污染防治行動計劃》確定污染物減排行動計劃難以實現PM2.5年均濃度控制目標。如果要實現PM2.5年均濃度下降25%的濃度控制目標，天津和河北需要進一步加大污染物減排力度。進一步而言，石家莊、保定、唐山、邯鄲、邢臺、衡水等區域不能滿足PM2.5年均濃度下降25%的目標，更重要的是盡可能把PM2.5年均濃度降得更低，盡可能減少重污染天氣發生頻率。北京的減排任務較為艱巨，仍難以達到60微克的濃度目標，可能需要考慮調整濃度目標。
3 京津冀地區實現濃度控制目標的減排要求
按照天津和河北各地市PM2.5年均濃度下降25%、北京的PM2.5年均濃度達到60微克的既定政策目標，本文模擬了各種污染物的允許排放量，這就可以得到與現狀排放量相比的減排要求（表4）。從京津冀地區整體上看，二氧化硫、氮氧化物、煙粉塵的年排放量需要減少42%左右，才能使得天津和河北各地市PM2.5年均濃度下降25%、北京的PM2.5年均濃度達到60微克（表5）。但具體到各個區域，減排要求又各不相同。
除了張家口、承德和秦皇島的PM2.5濃度原本就較低、不需要下降25%以外，在周邊區域同時減排的條件下，河北的其余區域和天津要達到PM2.5年均濃度下降25%的目標，需要減少的污染物排放量大多在37%~ 61%。石家莊盡管減少污染物排放量18%可以使得PM2.5年均濃度下降25%，但PM2.5年均濃度仍在106.93微克，離公眾對環境質量的要求相差甚遠。邯鄲減少污染物排放量27%，也可以使得PM2.5年均濃度下降25%，但PM2.5年均濃度依然超過90微克。石家莊和邯鄲實際上應當減少更多的污染物排放量。
北京城區要使得PM2.5年均濃度下降到60微克，需要減少的污染物排放量達到80%，這幾乎是不可能完成的任務。按照“大氣十條”的減排行動計劃，北京城區減少63%的污染物排放量，有望使PM2.5濃度降至67微克。這意味著，要把PM2.5年均濃度從67微克降到60微克，北京城區需要把污染物減排率從63%提高到80%，降低PM2.5年均濃度的邊際成本會越來越高。北京市也許需要考慮調整近期的濃度控制目標，制定更加現實可行的政策目標。
4 結論
綜合上述分析，本文的結論可以歸納為以下幾點：
（1）如果按照《大氣污染防治行動計劃》確定的污染物減排計劃，即使是在周邊區域同時減排的條件下，大部分區域仍難以實現天津和河北的PM2.5年均濃度下降25%、北京的PM2.5年均濃度達到60微克的濃度控制目標。如果周邊區域不同時減排，則幾乎所有區域都難以實現《大氣污染防治行動計劃》要求的濃度控制目標。
（2）要實現PM2.5年均濃度下降25%的濃度控制目標，天津和河北需要進一步加大污染物減排力度。石家莊、保定、唐山、邯鄲、邢臺、衡水等地不能滿足PM2.5年均濃度下降25%的目標，即使PM2.5年均濃度下降25%，濃度仍然超過90微克甚至100微克。這些區域應當減少更多的污染物排放量，把PM2.5年均濃度降得更低。
?。?）北京的減排行動計劃要減少污染物排放量63%，這是一個極其艱巨的減排任務，即便能夠實現，北京城區也只能使得PM2.5年均濃度下降到66.92微克，離60微克的濃度目標仍有差距。如果要把PM2.5年均濃度從67微克降到60微克，北京城區需要把污染物減排率從63%提高到80%，霧霾治理的邊際成本會越來越高。北京市也許需要考慮調整近期的濃度控制目標，制定更加現實可行的政策目標。
（4）由于污染物減排行動涉及區域經濟和民生保障，霧霾治理不可能一蹴而就，治理大氣污染問題將是一個長期過程。京津冀霧霾治理應當在科學確定環境容量的基礎上，確定現實可行的PM2.5濃度控制目標，并制訂具有可操作性的相應的污染物減排計劃。
