伯明翰大学时宗波、南开大学戴启立等：基于机器学习与因果推断法定量评估中国清洁供暖政策的环境空气质量效益

成果简介

近日，来自伯明翰大学与南开大学的跨学科研究团队通过结合机器学习与因果推断法定量评估了中国北方城市冬季清洁供暖政策的环境效益和健康效益。

为提高中国北方地区冬季供暖清洁化水平,减少大气污染物排放,中国政府近年来制定实施了一系列供暖清洁化政策举措（相关政策背景附于文末）。中国北方地区冬季供暖对环境空气质量的影响历来受到广泛关注。但是冬季供暖对环境空气质量的影响到底有多大?供暖清洁化对改善环境空气质量有多大成效?相关问题的定量研究是大气污染防治过程中的一项重要环节，可为环境空气质量管理政策的制定、实施和优化提供科学支撑。

环境空气污染物浓度的变化受气象条件扰动和排放趋势变化的影响, 因而从环境监测数据中准确量化供暖的环境影响始终是个未能有效解决的技术难题。准确处理混杂因子（气象与非政策影响下的排放变化）的影响是获取具有因果关系推论的关键。环境管理中常用的空气质量模式模拟的方法准确性受限于污染物排放清单及化学机制等的不确定性。社会科学（经济学）应用研究中的多种政策评估方法（工具变量、双重差分法、断点回归法等）被先后用于评估供暖的环境影响, 这些方法因理论假设不同, 在处理混杂因子上具有各自的适用性和不确定性，并不适用于评估冬季供暖以及清洁供暖对空气质量的影响。

思路与方法

作者在论文中阐述了当前几种经典政策评估方法在量化供暖政策环境效益研究中的不足。结合研究团队近年来在自然科学和社会科学领域发展的政策评估方法学进展（如Cole et al., ERE, 2020; Vu et al., ACP, 2019; Shi and Song et al., Sci Adv, 2021; Dai et al., GRL, 2021），该研究基于准自然实验设计获取更可靠的反事实情景(未采取供暖以及清洁化供暖政策)，以量化供暖政策的因果效应（图1）。

准自然实验设计: 选取中国大陆189个城市的主要环境空气污染物（SO2、NO2、CO、O3和PM2.5）在2014-2021年的小时浓度监测数据。按照集中供暖覆盖率将上述城市分为5组（图2），包括处理组（供暖覆盖率高于60%: “2+26”城市中的24个城市、“2+26”城市外的66个北方城市）、对照组(无冬季集中供暖的39个城市）、替代处理组(供暖覆盖率低于60%的9个城市）以及其他城市组（51个地理上接近北方的南方城市）。此外，在全国、区域和城市尺度上，该研究通过选取所有环境空气质量国控监测点位、北方城市点位以及14个主要北方城市分别作为控制组以评估冬季供暖排放在不同空间尺度下的影响。

第一步，应用机器学习气象归一化方法（大气科学领域近年来迅速发展兴起的一种屏蔽气象影响新技术）消减气象条件对各污染物浓度的影响; 第二，基于经济学领域的增强合成控制方法（Ben-Michael et al., JASA, 2021），（在供暖开始前）利用对照组污染物浓度趋势的加权平均以“合成” 处理组（北方供暖区域/城市）的气象归一化的污染物浓度趋势。在供暖期间，处理组污染物实际的气象归一化浓度与“合成”的反事实浓度的差异即归因于供暖政策的影响。

此外, 为验证结果的可靠性, 研究团队对上述计量方法的结果开展了一系列稳健性/安慰剂检验，结果证实了该方法计算的结果确为供暖政策的因果效应，排除了来自其他未知因素的影响。

主要结论

1. 供暖排放是中国SO2、PM2.5的重要来源，在2015-2021年间：

• 冬季供暖排放对中国北方城市的PM2.5、SO2、CO年均浓度分别贡献了8.9 ± 1.3 μg m-3, 4.4 ± 3.3 μg m-3和0.14 ± 0.05 mg m-3。

• 供暖排放对中国北方城市（中国大陆城市）PM2.5年均浓度贡献了15% （9.5%）。

• 供暖排放贡献的PM2.5、SO2在每年气温偏低、供热需求大的1月或2月达到峰值。

2. 供暖清洁化政策成效显著

• 冬季供暖对中国北方城市和大陆城市PM2.5年均浓度的贡献由2015年的11.5和5.7 μg m-3降至2021年的8.4 和3.8 μg m-3，相当于其年均浓度下降幅度的~10.8%和~9.7%。

• 受益于供暖清洁化政策，相比于2015年，2021年中国北方城市供暖贡献的SO2和PM2.5分别下降了81.1%和27%。

• 在“2+26”城市严格执行的清洁化供暖政策产生的环境效益远大于其他北方城市：2015-2021年间，“2+26”城市因供暖排放贡献的PM2.5浓度下降了41.3%（5.9 μg m-3），远高于其他北方城市的下降幅度（12.9%，1.2 μg m-3）。

• 受益于2017年推行“煤改气”等供暖清洁化水平的提升，“2+26”城市因供暖排放贡献的PM2.5浓度在2018年降至最低水平。中国北方城市因供暖排放贡献的SO2和CO自2018年后变化幅度趋小，至2021年分别贡献1.7 μg m-3和0.08 mg m-3。

• 或受2020年初疫情封城管控导致供暖排放增加以及其他排放源类贡献降低所致，供暖排放对北方城市地区（中国大陆）年均PM2.5的分担率在2020年达到最高，为18.9%（12.9%）。

• 相对于2015年，供暖清洁化政策的实施在2021年避免了约2.3余万人的过早死亡。

图3. 供暖对处理组的气象归一化PM2.5，SO2和Ox浓度的“因果效应”（及相关稳健性检验结果）.

3. 政策管理启示

• 继续推进落实供暖清洁化是有益且必要的。在“双碳”背景下, 供暖清洁化有助于实现减污降碳协同增效的目标, 尽管进一步降低供暖的直接排放对“2+26”城市的环境效益趋小, 但在其他北方城市供暖排放仍有较大的减排空间。

• 供暖清洁化导致PM2.5下降幅度远低于SO2的下降幅度, 而供暖对北方城市和“2+26”城市O3和OX具有正向影响, 供暖排放对二次PM2.5的贡献有待进一步厘清。

• 该研究所使用的结合机器学习和因果推断法的评估方法有望为环境空气质量管理提供技术支撑工具。

相关论文发表在Environ. Sci. Technol. 上，宋从波博士为文章的第一作者，时宗波教授和戴启立博士为通讯作者。

• Ben-Michael, E., Feller, A., & Rothstein, J. The augmented synthetic control method.Journal of the American Statistical Association, 116(536), 1789-1803, 2021.  https://doi.org/10.1080/01621459.2021.1929245 

• Cole, M. A.; Elliott, R. J. R.; Liu, B. The impact of the Wuhan Covid-19 lockdown on air pollution and health: A machine learning and augmented synthetic control approach. Environmental and Resource Economics, 76(4), 553–580, 2020. https://doi.org/10.1007/s10640-020-00483-4 

• Dai, Q.; Hou, L.; Liu, B.; Zhang, Y.; Song, C.; Shi, Z.; Hopke, P. K.; Feng, Y. Spring Festival and COVID-19 Lockdown: Disentangling PM Sources in Major Chinese Cities. Geophysical Research Letters, 48 (11), e2021GL093403, 2021. https://doi.org/10.1029/2021GL093403 

• Shi, Z.; Song, C.; Liu, B.; Lu, G.; Xu, J.; van Vu, T.; Elliott, R. J. R.; Li, W.; Bloss, W. J.; Harrison, R. M. Abrupt but Smaller than Expected Changes in Surface Air Quality Attributable to COVID-19 Lockdowns. Science Advances, 7(3), eabd6696, 2021. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abd6696

• Vu, T. V.; Shi, Z.; Cheng, J.; Zhang, Q.; He, K.; Wang, S.; Harrison, R. M. Assessing the impact of clean air action on air quality trends in Beijing using a machine learning technique. Atmospheric Chemistry and Physics, 19(17), 11303–11314, 2019. https://doi.org/10.5194/acp-19-11303-2019

北方供暖清洁化政策简述

中国北方地区冬季多有燃烧煤和生物质等以抵御严寒的生活传统, 城市集中供热自上个世纪即已逐步成为中国北方地区（淮河-秦岭以北地区）长期实行的一项政策。冬季取暖时间因地域不同有所差异,华北地区一般为4个月, 东北、西北地区一般为5-7个月, 供暖季的集中供热成为世界上最大的能源消耗系统之一。在相当长的时期内,中国取暖用能源以煤炭为主, 特别是部分地区冬季大量使用散烧煤, 大气污染物排放量大。据估计,截止2016年, 中国城镇集中供热管网总里程达到约31.2万公里, 中国北方地区城乡建筑取暖总面积约206亿平方米, 燃煤取暖面积约占总取暖面积的83%。

为提高北方地区取暖清洁化水平, 减少供暖大气污染物排放, 2013年中国政府制定实施的《大气污染防治行动计划》将“全面淘汰燃煤小锅炉, 加快热力和燃气管网建设,通过集中供热和清洁能源替代,加快淘汰供暖和工业燃煤小锅炉”列为大气污染较重的京津冀及周边地区的重点任务。2017年, 多部委联合制定了《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》、《关于印发北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）的通知》等文件, 推进利用多种清洁化能源, 通过高效用能系统实现低排放、低能耗的取暖方式, 降低污染物排放和能源消耗, 并对各地清洁取暖率提出明确目标要求, 将京津冀大气污染传输通道的“2+26”个重点城市划为清洁取暖规划的首批实施范围。2018年, 中国政府发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》, 将有效推进北方地区清洁取暖列为主要举措。在“双碳”背景下，近期中国国家部委和地方政府发布的多个文件提出明确要求—“十四五”期间要持续提高供暖清洁能源利用水平。

 该研究通过应用结合机器学习与因果推断法的政策评估计量新方法，评估了上述供热清洁化系列政策对中国环境空气质量改善的影响，相关结论可为其他国家或地区的大气污染防治政策制定和优化提供参考。