北京雾霾四大帮凶SO2、NO2、CO、O3污染状况大起底
北大研究团队：
空气质量评估报告 (三)
编者按：
我国的空气监测工作正在进步和完善，目前，除了大家普遍最为关心的PM2.5，其他常见空气污染物PM10、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）也已纳入环保系统日常监测范围。大气污染物的存在不能孤立看待，因为他们是会相互影响、相互转化的。继上周五带大家了解了北大陈松蹊教授所带领团队最新出炉的研究报告中关于北京市PM2.5分布和变化情况的内容之后，本期我们来看看同样与生活息息相关的SO2、NO2、CO、 O3四种污染物在2013-2016年的分布和变化情况。
为了更好地分析北京市污染分布的区域性特征，研究团队将北京划分为三个区域：中心区域、南部区域和北部区域。中心区域包括六环路所环绕的区域以及北六环外的昌平和顺义城区；南部区域指同河北交界的区域；北部区域包括延庆、密云、平谷和怀柔。与环保部采用的时间段不同，报告的研究以季节为单位，春季：3、4、5月；夏季：6、7、8月；秋季9、10、11月；冬季：12月和来年1、2月。
二氧化硫（SO2）：
对症下药 近年有显著改善
二氧化硫（SO2）有刺鼻气味，会直接导致酸雨的形成，是PM2.5的一个重要前体物。含硫化石燃料的燃烧，尤其是含硫量高的煤、汽油和柴油的使用，是大气中二氧化硫的主要来源。京津冀每年要消耗的煤占全国总量的三分之一，这无疑是二氧化硫的最大排放源。北京市从2013年开始大力推行“煤改气”，市中心区发电和冬季供暖自2015年已经完全改用天然气。这些均是降低大气中二氧化硫浓度的重要举措。
北京市二氧化硫（SO2）季均值浓度
（微克/立方米）在不同年份的空间分布
（图中从上至下为2013年-2016年）
图中数字代表平均浓度，括号内为标准差
经过计算发现，在2014年，除南部区域夏季之外，三个区域二氧化硫的减少幅度在2014年夏秋两季都高于25%，中心区域的夏秋两季和南部区域的秋季降幅更是在50%左右；三个区域冬季降幅均不低于20%；2015年全年又均有不低于30%的减少。这说明北京市自2013年开始的“煤改气”措施的实施对二氧化硫的减排效果是非常显著的。2015年以来，北京夏秋两季三个区域的二氧化硫浓度都已下降到个位数（目前世界上发达国家主要城市二氧化硫的浓度在四季均为个位数）。但是现阶段冬季的二氧化硫平均浓度在19.6微克/立方米左右，仍有相当大的下降空间。
二氧化氮（NO2）：
拥堵区域浓度高季节特征明显
二氧化氮是PM2.5和臭氧的主要成因物质之一，主要来源于汽车尾气排放，同时，燃煤、炼钢铁、炼焦炭及夏秋季节农村的秸秆燃烧也会生成二氧化氮。
2013年至2016年，北京市二氧化氮季均值浓度的空间分布如下图：
北京市二氧化氮（NO2）季均值浓度
（微克/立方米）在不同年份的空间分布
（图中从上至下为2013年-2016年）
图中数字代表各季节平均浓度，括弧中为标准差
图中从绿色到橙色显示了二氧化氮浓度由低到高。我们可以清楚地看到，在地图上的东南部位置，四个季节均出现了一个椭圆形（东西短、南北长）的高浓度区域（峰域），并由此向外围逐渐减弱。这个峰域以东城、朝阳为中心，向西城、通州西部、大兴北部、昌平和顺义南部渐次减弱并在夏季尤为明显。由于以上高浓度区域正是北京市交通最拥堵的地段，故而再次印证了机动车尾气排放对二氧化氮浓度的影响。
研究还进一步发现:
北京的二氧化氮有较强的季节特征：秋冬两季最高，夏天最低。北部和中心区域四季的浓度变化小，而南部四季浓度差异大（北部最大的季节差别为18.4微克/立方米，中心区域22.0微克/立方米，南部40.8微克/立方米）。
从空间分布来看，在春夏两季，中心区域的二氧化氮浓度显著高于北部和南部区域；但在冬季，由于外地传输，南部区域的浓度接近中心区域的浓度。在外地传输最低的夏季，中心区域的二氧化氮浓度比南部和北部区域分别高出50%和100%以上，这说明了北京自身保有的机动车尾气排放是最大的二氧化氮污染源。由于北京市近几年提高了油品排放标准，尽管机动车数量每年都在增加，但中心区域的二氧化氮浓度还是大致基本稳定。
虽然同处于北京市内，但是二氧化氮在空间分布上是很不均衡的。为了体现其具体的数据差别，研究团队在下面两组图中，分别绘制了北京市二氧化氮浓度在2015和2016年沿南北方向（纬度）和东西方向（经度）的变化曲线。
北京市二氧化氮（NO2）季均值浓度
（微克/立方米）沿纬度（南北方向）变化曲线图
（图中从上至下为2015年-2016年）
北京市二氧化氮（NO2）季均值浓度
（微克/立方米）沿经度（东西方向）变化曲线图
（图中从上至下为2015年-2016年)
实线为调整均值浓度，虚线为95%置信区间。点表示各个站点经气象调整后的季节平均浓度。
这两个图显示出，沿南北方向的二氧化氮峰域在南六环到北五环之间，沿东西方向的峰域在中轴线到东四环之间。南北方向的峰域相比东西方向要更缓、更长。
一氧化碳（CO）：
明显改善出现在2015年
一氧化碳的产生主要有两个来源：一个是燃煤，其中炼焦炭（用于炼铁）会产生大量一氧化碳；另一个是汽车尾气的排放，尤其是机动车低速行驶时的汽油不完全燃烧。此外焚烧秸秆也会产生一氧化碳。
通过下面这组图，我们来看看一氧化碳的季均值浓度在北京的空间分布情况：
北京市一氧化碳（CO）季均值浓度
（微克/立方米）在不同年份的空间分布地图
（图中从上至下为2013年-2016年）
图中数字代表季节平均浓度，括弧内为标准差。
可以看出，一氧化碳同样具有明显的季节特征，冬季是污染最重的季节，其次是秋季，夏季最低。此外，北京市的一氧化碳污染还有如下特征：
从空间分布的角度来看，从北到南，浓度呈增长趋势。
同2015年相比，2016年除中心区域夏季、北部区域秋季、南部区域冬季有显著下降之外，在其他季节持平或略有增加。其中中心区域的秋季均值浓度增加了3.0%。南部区域在夏秋两季分别有8.3%和9.3%的显著增加。
臭氧（O3）：
夏季浓度超国标 2016改善甚微
臭氧具有强氧化性。低空臭氧是一种大气污染物。人类或动物吸入后对呼吸道、视觉和免疫系统会产生破坏，长时间暴露会使视觉敏感度和视力降低。它对植物和农作物也会造成损害，影响农作物产量。同时臭氧还可以同其它有机污染物和氮氧化物发生化学反应，造成二次污染。近年来，臭氧污染已经受到我国环保部门的重视。它已经成为除PM2.5之外最重要的指标性污染物。
研究发现二氧化氮在白天光照下会生成臭氧，因此在光照强度最高的中午和下午时段臭氧的浓度会最高。
下图显示了全天24小时臭氧季均值浓度在不同年份的空间分布地图及区域污染的程度。
北京市臭氧（O3）季均值浓度
（微克/立方米）在不同年份的空间分布地图
（图中从上至下为2013年-2016年）
图中数字代表季节平均浓度，括弧内为标准差。
从上图我们可以发现：
臭氧的污染具有很强的季节效应。由于夏季温度高、日照强烈，非常利于生成臭氧，因此，在北京的三个区域，夏季臭氧的浓度都是一年之中最高的。其次由高到低依次是春季、秋季和冬季。
臭氧的空间分布非常不同于PM2.5、PM10颗粒物和另外三种气体污染物，这具体表现为北部区域的臭氧浓度是三个区域中最高的。在最近两年，北部在春夏两季的臭氧浓度要比南部高出至少7.7%，比中心区域高出至少18.1%。除了2016年南部区域的臭氧均值浓度明显高于中心区域之外，在其它年份和季节，南部同中心的臭氧浓度差别并不大。
北部区域臭氧高的原因有两个，第一个原因是北部的一氧化氮（主要来自机动车的含氮有机物的不充分燃烧）浓度比中心和南部区域低。由于一氧化氮、臭氧、二氧化氮之间会发生氧化还原反应：，所以当一氧化氮浓度低的时候，消耗的臭氧较少，因而臭氧浓度较高。第二个原因是北部地区空气中的颗粒物（PM2.5和PM10）比中心和南部区域少，紫外线的照射更强，更有利于臭氧的生成。从年度变化的角度来看，对于三个区域而言，从2013年到2015年北京市的臭氧浓度均在增加。
2016年比2015年在中心和北部区域只有小量减少，但南部区域非常显著的增加。南部的浓度已经明显高于中心区域。
综合以上分析结果，我们发现近几年北京市臭氧的改善甚微，并在2016年有加重的迹象。这尤其体现在浓度高的东北部和东南部地区的夏季。这意味着北京目前在PM2.5污染相对较轻的夏季，臭氧浓度已经超标。
历年变化：二氧化硫改善最大，
其他污染物不容乐观
我们再来总体看看北京市不同区域四种污染物近年来是否有明显改善。下图展示了各区域四种污染物的逐年变化趋势：
北京市不同区域四种污染物年均值浓度比较
实线代表相比上一年有显著(5%水平)减少或增加，虚线代表相比上一年没有显著变化。
由此我们
发现：
二氧化硫：从2014年开始，三个区域二氧化硫浓度均有显著减少（除2016年中心区域外），但是，2016年各个区域下降幅度减少。
臭氧：近几年北京市三个区域臭氧的改善甚微，2016年南部区域与2015年相比有显著上升，北部和中心区域比2013年略有升高。
二氧化氮：最大的改善发生在2015年，它和2014年浓度相比有相对较大的减少，全年的改善在6.6%至19.1%之间。2016年比2015年不仅没有改善，反而增加了。
一氧化碳：主要改善也是发生在2015年（四个季节比2014年显著下降3.0%-15.3%）。2016年除了南部区域，北部和中心区域几乎和2013年持平。
北京近几年大气环境改善的一个亮点是二氧化硫浓度的大幅度下降。从2015年开始，在夏秋两季，从南到北三个区域的二氧化硫浓度均已进入个位数时代。这反映了北京市自2014年开始实施的“煤改气”和“煤改电”使得煤炭消费量大幅下降，在减硫方面卓有成效。二氧化硫的大幅改善为其它污染物治理提供了成功案例和经验。
过去四年北京市二氧化氮和一氧化碳的污染状况改善有限，在南部区域甚至有增加的态势；臭氧整体呈增加趋势。我们认为，北京过去几年PM2.5浓度下降主要是二氧化硫减少所驱动的。在北京二氧化硫浓度已经显著下降、并无法控制污染物从外部输入的前提下，要进一步降低北京的PM2.5浓度, 必须在氮氧化物和一氧化碳的减排上下功夫。也就是说，北京下一步PM2.5的下降空间应该重点放在对机动车排放的管控方面。这将直接减少氮氧化物（含二氧化氮）、一氧化碳和PM2.5的浓度，间接减少二次化学反应所产生的PM2.5，同时又能遏制臭氧增加的势头。
北京在进一步提高油品质量的同时，还应该重点治理交通拥堵，优化道路的管理和使用。一方面，机动车的低速行驶会产生更多的氮氧化物和一氧化碳，考虑到已有550万的机动车保有量，北京市应该借鉴世界其它城市（如新加坡、伦敦）在治理交通拥堵上的经验，利用经济手段调控车辆行驶速度。另一方面，路边停车（尤其是环路辅路上的停车）也是影响车速的一个原因，北京市应该多建停车场，让车停到其中而非道路边，以此减轻堵塞，保持道路畅通，最大程度地降低相应的污染物排放。
课题组成员
张澍一，北京大学光华管理学院博士研究生，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，北京大学光华管理学院、统计科学中心讲席教授，课题负责人
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