李克强总理在2017年两会当局工作汇报中，把治霾提到了“蓝天保卫战”的高度，更提出要加壮大气治理钻研的科学性、精准性。这段话不仅说到了很多人心坎里，也点出了科学治霾的方向和当务之急。近年来，首都北京被贴上了“雾霾」剽个新标签，人们在艰巨呼吸的同时，也巴望弄领略：自己身处一个什么样的空气环境？这个环境在产生怎么的变动？今天，本文将为各位读者介绍北大陈松蹊钻研团队的最新钻研成就，就最近四年的空气传染数据进行深度分析，从统计学的角度拨开北京空气迷雾。

钻研布景：基于大量数据进行统计学分析

2015年3月和2016年3月，陈松蹊携带的北大拉斯维加斯9888和北大统计科学中心团队先后颁布了两份空气质量评估汇报，《空气质量评估汇报：北京城区2010-2014年PM2.5传染情况钻延追和《空气质量评估汇报（二）：中国五城市空气传染情况之统计学分析》。今全国午，《空气质量评估汇报（三）：北京地域2013-2016年区域传染情况评估》在北京大学正式颁布。

这份汇报集中钻研分析了北京市全数空气质量监测站点2013年至2016年四年间共超过一千多万条的传染物浓度和形象数据。同之前的两个汇报相比，所使用的监测站点的数量从原来的4个增长到36个，所钻研的传染物从只有PM2.5增长到同时蕴含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传染物。

在步骤上，本汇报将之前两个汇报所使用的对形象变量在功夫维度上的调整步骤进行扩大，参与了在空间维度上的形象调整，提出了时-空形象调整步骤，对北京2013年至2016年的空气质量数据进行了全面、综合、系统的分析。

为方便阅读，我们将摘取该汇报内容进行吩熠推送，本期将萦绕北京市PM2.5数值四年来的总体阐发进行介绍和分析。

北京市目前共有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。为了更好地分析北京市传染散布的区域性特点，钻研团队将北京的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域。中心区域含有25个站点，它蕴含六环路所环抱的区域以及北六环表的昌和善顺义城区两个站点；南部区域指同河北接壤的区域，有3个检测站点；北部区域蕴含延庆、密云、平谷和怀柔，共有8个检测站点。

北京市全数站点散布。红色圆点代表传染物监测站点，蓝色三角形代表形象站点：

●：传染物监测站点▲：形象站点

区域差距：同在北京PM2.5浓度不尽一样

你在北京，我也在北京，我们可能呼吸着分歧的空气 ……

此刻，人们每天都能够通过各类软件来获知当天和最近几天的空气指数，相识地点城市的空气质量数据，然而持久而言，空气质量到底是在向好还是变差，却难以得出清澈结论。为此，钻研团队首先就北京市PM2.5值在2013-2016年每个季度的均值浓度进行了比力，做了一个综合分歧季节、年份和区域空间的散布地图，我们来直观感触下四年中北京PM2.5的变动：

北京市PM2.5季均值浓度（微克/立方米）在分歧年份的空间散布地图

2013年

2014年

2015年

2016年

图中数字代表均匀浓度，括弧内为尺度差

图中的橙色深浅代表了该功夫段内该区域的PM2.5的均值浓度凹凸，一眼望去，逐年变动似乎不是极度显著，更令人瞩主张是在统一功夫内，好比每年的秋冬季节，整个北京被分成了显著分歧色彩深浅的色块，这意味着同样在这个城市，南部、中部、北部空气中PM2.5浓杜仔着显著差距！

那么，三个区域在统一功夫的PM2.5数值到底相差几多？看看下图：

北京市三个区域PM2.5浓度（微克/立方米）的季节均匀值变动曲线

能够看出，北京市PM2.5浓度出现出冬高夏低、南高北低、四年间先增后减继而吃旖的时空特点。那么，在统一个区域分歧功夫段，PM2.5浓杜字是若何变动呢？

北京PM2.5季均值浓度（微克/立方米）

沿纬度（南北方向）的变动曲线图

2015年

2016年

图中实线为调整季均值浓度，虚线为95%相信区间，点暗示36个站点的调整季均值浓度。

能够看出，北京市PM2.5南高北低的这一区域差距在春夏两季并不大，其中夏季差距最幼。但在传染严沉的秋冬两季南高北低的阐发是极度显著的。在冬季，市中心（长安街左近）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/立方米高低；从长安街往北，浓度根基呈降落趋向；北部比中心区域低约莫18%到32%。这一空间散布特点反映了南部的传染物排放高和传染物从南边传输的蹊径，也批注秋冬两季南部区域的环保减排还要加强。

积年变动：最显著改善产生在2015年

空气逐年好转？如同不齐满是这样……

相识了区域差距之后，我们再来看看北京的PM2.5四年来总体到底有什么变动、是否有显著改善。钻研团队用每年的PM2.5季均值浓杜纂上年相减，得出了以下示意图：

北京市PM2.5季均值浓度（微克/立方米）

的年度变动及区域散布地图

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均匀值（尺度差）。红色代表增长，蓝色代表削减。

分区域看看逐年变动趋向：

北京市分歧区域PM2.5年均值浓度

（微克/立方米）比力

北京市分歧区域六种传染物年均值浓度（微克/立方米）比力。实线代表相比上一年有显著（5%水平）削减或增长，虚线代表相比上一年没有显著变动。

由此我们发现：

北京的PM2.5均值浓杜仔很强的季节性：冬季最严沉，其次是秋季、春季，夏季最轻。《大气国十条》为北京提出的在2017年应该达到的年均值指标是60微克/立方米。在2015年和2016年夏季，北京的整个区域PM2.5浓度靠近达标；而近两年春秋冬三个季节的均匀浓度仍远高于这一尺度。

从年度变动的角度来看，这四年中空气质量的显著改善产生在2015年。中心城区的年均值浓度从2014年的91.1微克/立方米降落到2015年的79.8微克/立方米，降幅高达12.4%。

以PM2.5浓度衡量，2016年与2015年相比，空气质量没有显著改善。对于中心和北部区域而言，2016年秋冬两季比2015年同期均有增长，其中北部地域在冬季的增长最为显著。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/立方米增长了1.4%，其中春夏两季的PM2.5水平同2015年同季节吃旖，但秋季有3.9%的增长，冬季上升幅度为3.1%。这注明2016年的PM2.5浓杜纂2015年相比现实有所回升。

步骤注明：

为何汇报得出的结论和环保部门不齐全一样？

让数据措辞是门技术活儿

仔细的读者可能已经发现，以上得出的结论和北京市环保部门凭据11个国控站点推算得到的2016天然年的PM2.5浓度比2015年降落了9.9%的统计有所区别。

国控站是指由国度环保部直收受理、处所环保部门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？汇报中对此也给出了诠释注明：首先本钻研所使用的“年”是指涵盖一个齐全四时的“季节年”（从每年3月到次年2月），有别于天然年，而更靠近传统的农积年。这样做重要是思考到各个季节拥有其不变的形象特点，以季节为单元更有利于使用形象调整步骤。而各级环保部门的空气质量统计是以天然年为统计口径。其次，钻研团队拔取了北京市36个站点进行钻研，而北京空气质量是基于11个国控站点推算的。此表，为了越发客观地比力PM2.5浓度，汇报中对原始浓度进行了时-空形象调整，而各级环保部门是对原始浓度的比力。这三点差距，造成了统计了局的分歧。

统计步骤分歧造成的数值变动比力

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天然年和季节年的PM2.5原始年均值浓度（微克/立方米）和形象调整后的年均值浓度（微克/立方米）及其年度变动。

对于11个国控站，若依照天然年来看，2016年相比2015年PM2.5原始浓度降落了10.3%。这与北京市环保局颁布的9.9%的了局根基一致（拉斯维加斯9888数据经过了多源匹配和异常值处置）。但若依照“季节年”来看，2016年则比2015年PM2.5浓度增长了6.7%。究其原因，一方面是由于2016年1月和2月的浓度极度的低（如下图所示），拉低了2016天然年的数值。但依照“季节年”推算，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”的原始浓度的增长。这也注明北京2016年的空气质量改善是极度脆弱的，由于一个单一的两个月的功夫平移，就得到齐全分歧的了局。

若是看表中形象调整后的浓度，我们发现利用11个国控站数据推算的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%，二者还是很靠近的。我们也发现是否进行形象调整了局差距很大。好比2016季节年原始浓杜纂2015年相比，在国控站增长了6.7%，在中心区域增长了6.5%；但经过形象调整后，以上增长比例别离造成2.3%和1.4%。形象调整大大调低了2016年的增长比例，这是由于它是在基准形象前提下推算得到的，在数值上越发安稳。形象调整减轻了极端形象前提的影响，这也是使用形象调整推算传染浓度的优势地点。

北京市PM2.5浓度（微克/立方米）季节调整均值

和原始均值随功夫变动的对比图

蓝色代表中心区域（25个站点），橘黄色代表11个国控站点

从上图我们发现，11个国控站点的原始均值显著幼于中心区域站点的均匀浓度，这是由于国控站点全数设在南二环所处纬度以北，而北京的PM2.5浓杜字拥有南高北低的特点。

优化建议：监测站点需进行越发合理的布局

监测不成厚此薄彼，更不应有盲区

北京市目前有35个空气质量监测站（不蕴含美使馆）。在空间上，中心区域（六环内加昌和善顺义的城区）共有24个站点，南部同河北接壤处有3个，另表有8个散布在北部区域（延庆、密云和平谷各2个，怀柔1个，昌平北部1个）。从人丁密集度和大气传染对人体健全影响的角度看，在中心城区搁置近70%的监测站点是有路理的，终于这一区域居住着北京近80%的人丁。但从钻研大气传染的传输和空间散布的角度看，这样做不定“经济实惠”。与此形成鲜明对比的是，目前南部的房山、大兴、通州三个区的站点布局过于稀少。在六环内，站点虽多但散布并不均匀，好比从奥体中心到昌平、怀柔城区和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布局

蓝点代表国控站，红点代表非国控站，浅绿色代表稀少区域。

从统计学尝试设计的角度上看，为确保大气质量监测数据的有效性，应该在空气质量变动梯度大的区域搁置较多的站点（好比南部、东部），在空气质量变动平缓的区域能够少搁置站点。这样将极大化地提宏伟气环境监测的经济效能，提升环保监测经费的使用效能。据报路，北京市打算将站点的数量增长到70个。这将是一个极度好的机遇来美满空气质量监测网的站点散布，使之越发合理，从而提高数据采集的效能。同时也要预防把新增长的站点多放在一个区县空气质量相对较好的地址（好比安设在一个区的北面，以利用南高北低的浓度散布特点），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地位设定进行科学的论证，将更多的国控站搁置在南二环所处纬度以南的区域。目前北京12个国控站均在南二环的纬度以北。在南二环以南布局国控站点，将会提高北京市怀抱大气传染浓度的客观性和代表性。

结论和建议：下一步若何治理大气传染？

良知知彼，充分相识“敌手”能力战胜它

过度的化石类能源消费是造成我国在面对的大气传染困境的底子原因，所以从这一困境开脱的有效步骤应该是削减化石类能源（尤其是煤）的亏损。能源结构调整没有法子一步到位，客观科学地意识空气传染物的变动情况，对于造订和采取有效的防治措施有着极度沉要的意思。

北京的空气传染受周边地域传输的影响很大。我们在去年颁布的《五城市汇报》中指出，促成北京2015年空气质量显著好转的原因有两个：一个是由于2015岁首起头执行的更严格的大气环境监管，另一个是中国自2014年起头的经济放缓。这两个成分一路导致京津冀近几年煤炭亏损的显著降落。但是最新的京津冀煤炭亏损和钢铁产量数据显示，河北省2016年秋季煤炭亏损在经历3年降落后初次起头反弹增长，2016年河北钢和铁的产量均创出汗青新高（具体数据见即将颁布的《京津冀2013-2016年空气质量汇报》）。这是2016年秋冬两季北京PM2.5出现增长趋向的原因，体现了经济回升对传染的贡献。

每年亏损2.6亿吨煤的河北省并不是华北地域煤炭消费量最多的，同处于华北地域的晋鲁豫三省也都是煤炭消费大户。山东2015年和2016年亏损量均超过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费量略高于河北，河南略低于河北。所以晋鲁豫三省的煤炭年消费量是京津冀的3倍以上。环北京的华北地域每年13亿吨的巨量燃煤是北京甚至华北地域大气传染的重要症结之一；钡赜蚣趺夯疃南乱徊揭灿Ω贸恋闼伎忌蕉⑸轿骱秃幽。

瞻望2017年大气传染的防治局势，我们以为在经济回升期的大气环境治理将面对更大的挑战。经济进一步的回暖将直接导致对钢铁、水泥、化工产品等需要的加大。作为中国沉工业的首要区域，华北地域（也含山东、河南、山西）的煤炭、柴油、汽油的亏损势必增长，现有减排监管措施下的PM2.5和其它重要传染物削减的空间势必减幼，2017年的大气环境治理也势必难于2016年。若是说2015年大气环境治理在经济放缓的布景下是“顺水行船”，那么2017年将是“逆水行舟”。要想在2015年和2016年的水平上进一步削减PM2.5及其它传染物的浓度，更严格的环境监管和更有效的减排措施无疑将是唯一靠得住的伎俩。而这该当回到空气质量监管的科学问题自身：提高监测数据的质量是当务之急，成立更有效的监测站点格大势在必行，选取越发科学、精准的空气质量评估步骤，是保卫蓝天不成回避的选择！

课题组成员

张澍一，拉斯维加斯9888博士钻研生，重要实现人

郭斌，西南财经大学统计钻研中心，统计学院助理教授，重要实现人

王恒放，Iowa State University统计系博士钻研生

董安澜，北京大学统计科学中心博士钻研生

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，拉斯维加斯9888、统计科学中心讲席教授，课题掌管人