一種冬季供暖對北京市空氣質量影響效應的測算方法
作者：鄭曉敏
北京市燃煤的使用量呈現(xiàn)季節(jié)性變化，每年的11月15日至次年的3月15日，是北京市的供暖季，達到用煤高峰。根據(jù)北京市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)可知，2012年全市燃煤總量2 300萬t，共排放二氧化硫9.4萬t，可見燃煤對空氣污染的危害之大。2013年北京市PM2.5年均濃度89.5μLg/m3，與年均35μg/m3的國家標準還存在較大差距。全年PM2.5共有204 d達標，達標率僅為55.9%。圖1描繪了北京市2013年空氣中SO2和PM2.5月均濃度變化趨勢。從圖1可以看出，供暖季SO2和PM2.5月均濃度都偏高，供暖季空氣質量明顯不如非供暖季，尤其是二氧化硫的濃度，整個供暖季顯著高于非供暖季�？諝庵形廴疚餄舛鹊淖兓梢苑从吵隹諝赓|量的變動，這方面也有不少研究，如沈勁等利用聚類和多元回歸方法，通過準確預測空氣中污染物濃度開發(fā)了空氣質量預報模型。
冬季供暖燃煤量增加，是制約北京城市空氣質量改善的重要因素，煤炭消耗對二氧化硫(SO2)總排放量的貢獻率很大，因此我們可以用二氧化硫(SO2)濃度的變化來反映煤炭消耗對空氣質量的影響。但供暖季的燃煤排放對空氣質量影響效應如何進行具體測算，是一個新的課題，并未查到相關文獻。
要測算冬季供暖對空氣質量的影響，當然需要數(shù)據(jù)的支持。在數(shù)據(jù)方面，我們提取所采集的空氣質量實時數(shù)據(jù)中關于北京市區(qū)的子數(shù)據(jù)集，形成包括空氣質量小時數(shù)據(jù)在內的數(shù)據(jù)集，從中選取供暖季前的2個月和供暖季的前2個月的二氧化硫(SO2)濃度的小時數(shù)據(jù)作為樣本期數(shù)據(jù)集。該項數(shù)據(jù)集在時間維度上具備曲線特征，因此可作為函數(shù)型數(shù)據(jù)來處理。
函數(shù)型數(shù)據(jù)的概念，最早由Ramsay于1982年提出，Ramsay和Dalzell于1992年給出了一些無限維函數(shù)向有限維投影的研究工具，歸納了函數(shù)型數(shù)據(jù)分析方法。函數(shù)型數(shù)據(jù)分析方法在空氣質量問題方面的應用，在國外，F(xiàn)ebrero等研究了N02濃度日變動曲線的整體異常識別方法，Ignaccolo等基于樣條逼近，給出了一種空氣質量變動曲線的聚類方法；在國內，黃恒君等依據(jù)空氣質量數(shù)據(jù)的曲線特征，將函數(shù)型數(shù)據(jù)分析方法應用于空氣質量問題的定量研究，構建函數(shù)型虛擬變量回歸模型，用以度量環(huán)境政策的逐點微觀效應。
1數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)特征
作為大數(shù)據(jù)時代的產(chǎn)物，中國環(huán)境監(jiān)測總站實時監(jiān)測并發(fā)布包括SO2在內的6種大氣污染物濃度信息，數(shù)據(jù)范圍涉及190個城市共計949個監(jiān)測點，更新間隔時間為th。該項數(shù)據(jù)的基本用途是為公眾了解實時空氣質量提供客觀途徑，同時也為公眾提供健康指引。當基本用途實現(xiàn)后，該數(shù)據(jù)在一定程度上已經(jīng)失去價值。但我們認為，該數(shù)據(jù)具有重要的二次開發(fā)價值：若將這些數(shù)據(jù)保存下來，可能形成支持空氣質量精細化分析的龐大數(shù)據(jù)集。我們開發(fā)了程序，對包括空氣質量數(shù)據(jù)在內的各種數(shù)據(jù)進行實時采集、整合，試圖再次挖掘數(shù)據(jù)價值。
為了研究冬季供暖對北京市空氣質量的影響，我們所選取的空氣質量數(shù)據(jù)來自上述龐大數(shù)據(jù)庫的子集。涉及北京市區(qū)（這里指城六區(qū)）的空氣質量監(jiān)測點共有12個，從地理位置、數(shù)據(jù)完整性和有效性方面考慮，這里我們從每個區(qū)各選1個監(jiān)測點，分別是：東城天壇、西城官園、朝陽農(nóng)展館、海淀北部新區(qū)、豐臺花園、石景山古城。數(shù)據(jù)集為冬季燃煤所形成的主要污染物：S02，樣本期為2013年9月15日-2014年1月14日，即供暖季前的2個月（2013年9月15日-2013年11月14日）和供暖季的前2個月（2013年11月15日-2014年1月14日）�；诿總�監(jiān)測點都有2d（2013年9月30日和2013年12月19日）的小時數(shù)據(jù)連續(xù)缺失特別嚴重，將這2d數(shù)據(jù)統(tǒng)一刪去，這樣數(shù)據(jù)集共包含120 d的小時數(shù)據(jù)，即供暖季60 d和非供暖季60 d。
上述數(shù)據(jù)集的特征：(1)對于某個監(jiān)測點，空氣質量數(shù)據(jù)按時間維度持續(xù)更新，具備函數(shù)特征，與其將小時數(shù)據(jù)看成離散點，不如以日為周期看作曲線，并將曲線視為一個整體元素。(2)若冬季供暖對北京市空氣質量有影響，則依照供暖與否，空氣質量日變動曲線會呈現(xiàn)差異。因此，可將空氣質量曲線作為抽象空間中的元素，進行函數(shù)型數(shù)據(jù)分析。
為此，在對研究數(shù)據(jù)集作上述限定的基礎上，我們將所研究的6個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)集以日為單位進行分割，形成24列（小時），720行（日期）的數(shù)據(jù)矩陣。以日為單位，我們將720條SO2濃度曲線繪制成如下線圖（圖2）。
在圖2中，橫軸為0-24時的時間點，縱軸表示SO2水平監(jiān)測值（單位μg/m3），每條曲線代表SO2濃度的日變動軌跡。其中，黑色虛線表示樣本期內非供暖季的SO2濃度軌跡，而灰色實線表示樣本期內供暖季的SO2濃度軌跡。
從圖2可以直觀得到：(l)總的來講，供暖季的SO2濃度整體偏高，非供暖季的SO2濃度相比供暖季較低，這是因為供暖季燃煤大量增加，而煤炭燃燒釋放的主要大氣污染物為SO2；(2)非供暖季的SO2濃度日變動軌跡在每個周期表現(xiàn)出有規(guī)律的變化，大致呈現(xiàn)“中間高、兩邊低”的“鐘形”態(tài)勢，早上8時到下午6時之間濃度較高，與人類作息規(guī)律相一致；(3)供暖季SO2濃度在l d中的每個時段都有可能出現(xiàn)峰值，因而冬季供暖可能導致在不同時間點對SO2濃度影響的作用效果存在差異。
在圖3中，橫軸為0-24時的時間點，縱軸表示SO2水平監(jiān)測值（單位μg/m3），黑色虛線表示樣本期內非供暖季的SO2日平均濃度變動軌跡，而灰色實線表示樣本期內供暖季的SO2日平均濃度變動軌跡。從這兩條平均曲線，更能顯示出供暖季和非供暖季的差異，供暖季SO2濃度晝夜都較高，且每個時刻均高于非供暖季的平均濃度；非供暖季SO2日均濃度是一條典型的“鐘形”曲線，夜間濃度低，白天濃度較高，且在中午13點左右達到峰值。
2冬季供暖的影響效應分析
假定觀測到的6個觀測點的720組離散數(shù)據(jù)為yi =[yi1，yi2，…yi24]，i=1，2，…，720，非供暖季的S02濃度數(shù)據(jù)設為y0i=[y0i1，，y0i2，…，y0i24]，i=1，2，…，360，供暖季的S02濃度數(shù)據(jù)設為）y1i=[y1i1，y1i2，…，y1i24]，i=1，2，…，360。
平均濃度數(shù)據(jù)。則冬季供暖的影響效應模型可以設為： 將上述計算結果用統(tǒng)計軟件R，通過等距節(jié)點B-樣條回歸擬合成曲線，得到冬季供暖的逐點影響效果（圖4）。具體設置為：內部節(jié)點數(shù)量設定為7個，樣條階數(shù)設定為4階（3次），擬合結果已經(jīng)很好(R2=0.97，P=7.734x10-10)。
在圖4中，橫軸為0-24時的時間點，縱軸表示SO2濃度的改變值（單位μg/m3）。從圖4我們可以得到：(1)冬季供暖對空氣中SO2濃度整體有升高的作用；(2)冬季供暖導致在不同時間點對SO2濃度影響的作用效果存在差異，白天影響小，夜間影響大。因此，我們推論，供暖對SO2濃度的影響與溫度有關，冬季晝夜溫差大，溫度較高的白天燃煤使用量較小，SO2濃度改變不大，溫度較低的夜間燃煤使用量大幅增加，SO2濃度升高幅度大。
3 SO2濃度的周變動曲線分析
在這一節(jié)中，我們分析冬季供暖對1周SO2濃度變化的影響規(guī)律。
我們將上述選取的北京市城六區(qū)的6個空氣質量監(jiān)測點的主要污染物：SO2樣本期為2013年9月15日-2014年1月14日，形成的數(shù)據(jù)集重新整理。在供暖季前的2個月（2013年9月15日-2013年11月14日）選出8周的數(shù)據(jù)，供暖季的前2個月（2013年11月15日-2014年1月14日）中再選出8周的數(shù)據(jù)，其中既跨非供暖季又跨供暖季的1周（2013年11月11日-11月17日）舍棄。將96條SO2濃度的周變動曲線繪制成圖5。圖6是供暖季和非供暖季SO2濃度的周平均變動曲線。
在圖5中，橫軸為從周一到周日對應的0-168時的時間點，縱軸表示SO2濃度的水平監(jiān)測值（單位μg/m3。每條曲線代表SO2濃度的周變動軌跡。周二，非供暖季部分曲線明顯升高，SO2濃度達到了1周的峰值。據(jù)了解，從2008年10月北京開始實施工作日5日制尾號限行措施。機動車尾號按組限行，分組情況為：1和6，2和7，3和8，4和9，5和0，按每13周輪換1次限行日，即在工作日早上7時到晚上8時期間，五環(huán)路以內道路機動車按車牌尾號限行。由于部分市民車牌中不愿帶數(shù)字“4”，因此，4、9這組限行尾號比其他組合要少限約30萬輛車。據(jù)北京交通發(fā)展研究中心監(jiān)測，無論4、9尾號輪換到周幾限行，當天基本都會是全周最堵日。在此樣本區(qū)間的2013年9月16日到10月5日，周二限行尾號為“4和9”。故周二的部分曲線SO2濃度升高可能與周二交通擁擠，汽車尾氣排放較多有關。
圖6中SO2濃度的周平均變動曲線，消除了地理位置和氣象條件的影響，更能直觀地反映冬季供暖對SO21周濃度的影響。SO2濃度在1周內每天的變化也不一樣，主要有以下3個特點：
(l)供暖季的SO2濃度1周內整體普遍升高，晝夜差異不明顯；非供暖季的SO2濃度1周內呈現(xiàn)周期變化，白天升高，夜晚降低，冬季供暖改變了二氧化硫
濃度的周期變化規(guī)律。
(2)供暖季SO2的平均濃度在周六、周日明顯升高，達到1周中的最高峰，這可稱之為“二氧化硫的周末效應”。
(3)非供暖季的周五SO2平均濃度在1周中達到最大。這可能與此時段交通擁堵，機動車尾氣排放較多有關。這與人們近些年的直觀感受一致，每周五下午都是交通最擁堵的時候。這一現(xiàn)象原因復雜，主要跟城市人口的大量增加、機動車數(shù)量的猛增和教育政策有關。
4結論
(1)冬季供暖對SO2濃度每個時刻均有所提高，使供暖季大氣污染更加嚴重。改變北京市供暖季能源消耗結構，加大使用天然氣、太陽能、地熱能等清潔能源，大量縮減煤炭等高排放、高污染能源，對城六區(qū)內63座大型燃煤鍋爐房及分散燃煤鍋爐房實施清潔能源改造，基本取消燃煤鍋爐供熱，將能大大降低由于供暖導致的空氣污染問題。
(2)非供暖季SO2濃度呈現(xiàn)周期變化，白天高，夜間低，每天的變化也不相同。SO2濃度的變化與人類生產(chǎn)活動關系密切，活動越劇烈，SO2濃度越高，其中一個原因就是機動車尾氣的大量排放。這說明目前在北京實行的限行政策，對空氣污染的防治起到了一定的作用。因此，空氣污染是可防可控的，有待出臺一些相應的政策來減少污染物的排放。
5摘要：冬季，北京市霧霾天氣尤其嚴重，直觀上與冬季供暖燃煤量增加不無關系。嘗試在函數(shù)型數(shù)據(jù)視角下，將冬季供暖對空氣質量的影響效應作量化分析。首先，通過二氧化硫(SO2)濃度的日變動曲線，將供暖季與非供暖季作比較，得到冬季供暖的逐點微觀影響效應；然后，通過描繪二氧化硫濃度的周變動曲線，得到供暖季二氧化硫濃度晝夜整體偏高，非供暖季二氧化硫濃度呈現(xiàn)周期波動，冬季供暖改變二氧化硫濃度的周期變化規(guī)律。
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