中国大气环境治理的新启示--来自武汉疫情管控期间的自然实验
中国人口•资源与环境2021年第31卷第2期CHINA POPULATION.RESOURCES AND ENVIRONMENT Vol.31No.22021
回; H1
张衔，王庆龙，秦卫娜.中国大气环境治理的新启示[J].中国人口•资源与环境,2221,31(2)：14-23.[ZHANG Xian,WANG Qinglong,QIN Weinn.New implicanons of air pollution control ia China]J].Chinn population,resources and environment,2021,31(2): 4-23.]
中国大气环境治理的新启示
—
—来自武汉疫情管控期间的自然实验
张衔1王庆龙2秦卫娜3
（1.四川大学经济学院，四川成都610265；2.成都理工大学商学院，四川成都610257；
3.四川大学中国西部边疆安全与发展协同创新中心，四川成都610265）
摘要在武汉疫情管控期间，企业经济活动和机动车活动水平明显大幅下降，大部分污染源基本停止排放，意味着在此期间全国各地
区应该出现优良天气，但是事实上在我国部分地区却出现了严重雾霾天气，这种反预期现象引起人们的普遍关注，甚至怀疑我国大气
环境治理是否存在失误。根据这种反预期现象，提出环境污染应当是由流量污染和存量污染共同决定的猜想。为验证这一猜想，分
别假设了两种情况：第一种只有流量污染，第二种既有流量污染又有存量污染，并用武汉疫情管控前后的实际排放数据模拟得到空气
质量状况，寻雾霾形成的规律，然后与武汉疫情管控前后实际监测数据进行对比，确定反预期现象的原因。实际数据和模拟数据对
比发现，实际情况与假设1不符，与假设2相符。据此认为，大气污染是由当期排放的污染与积累的存量污染共同决定。在此基础上，进一步分析存量污染造成的经济损失，分析表明：2007年被低估1.64亿元，到2017年被低估3.83亿元；在消散率为0.05、贴现率
为5.51时，流量、存量和流量与存量损失的差额分别为45亿元、55.5亿元和44.6亿元，这意味着2057-
2017年总的经济损失被低
估44.6亿元。在消散率为0.3、贴现率为0.0时，流量、存量和流量与存量损失的差额分别为4.6亿元、:10.5亿元和5.6亿元，这意味
着2007-2017年总的经济损失被低估5.6亿元。研究发现，长期累积形成的存量污染是一个被忽视的大气污染源，从而解释了在武
汉疫情管控期间低水平经济活动条件下仍然会出现重度大气污染的经验事实。其政策含义在于，制定反污染政策需要根据存量污染
的特征进一步完善相关政策设计。
关键词疫情管控；存量污染；经济损失
中图分类号F019.2;X511文献标识码A文章编号1002-2104（2021）02-0014-10DOI:20.32062/cpre.30200603
我国在大气环境治理方面取得显著成就,2000年我
国二氧化硫排放量为1995万i,2017年二氧化硫排放量为377万t，是2000年排放量的一半。2010年氮氧化物排放量为2444万t,2017年排放量为1259万t，是2000年的一半。2217年粉（烟）尘排放量为1279万t,2217年排放量为796万t，是2200年的近一半。尽管废气排放水平明显下降，但在武汉疫情管控期间，特别是2022年1月23日以后，我国的经济活动水平明显下降，大部分企业和机动车废气排放明显减少的情况下，仍然有部分地区岀现了雾霾天气。2020年1月230—27日，北京、天津、石家庄、太原、呼和浩特、沈阳、长春、郑州、西安岀现了严重的雾霾天气，其中呼和浩特的空气质量AQI最大值超过400，沈阳超过302，其余的几个城市超过179，达到了中度污染。在武汉疫情管控期间的这种反预期现象，使人怀疑我国的减排政策是否有效？大气环境治理对象是否准确？该研究将对这一问题进行探索，以便为今后政府环境干预决策提供科学依据。
1文献综述
大气污染（雾霾）产生的第一个条件是污染物。生产过程粗放式排放是大气污染的直接源头。我国大气的污染源有很多种，如煤炭、石油等传统化石能源的消耗、汽车尾气的排放、各种工业和生活废气的排放、土壤粉尘、生物质直接燃烧、垃圾焚烧等［T o多重污染源给雾霾治理增
收稿日期：2020-03-30修回日期：2020-17-11
作者简介：张衔，博士，教授，博导，主要研究方向为经济理论与经济计量分析、规制与企业理论。E-
maii:zxsca@126。通信作者：王庆龙，博士，副研究员，主要研究方向为微观经济理论与应用、环境规制。E-maii:592281838@qq。
基金项目：四川大学中国特社会主义政治经济学研究中心资助项目（批准号：2019sq-经济01）o -14-
张衔等：中国大气环境治理的新启示
加了难度，不同学者以控制排放源作为治理手段提岀相应
的策略。Xu等⑷认为我国的空气污染主要来源于经济快速发展中煤炭燃烧的废气、机动车尾气和工业粉尘，减少煤炭消耗，实施清洁生产流程以及推广清洁汽车等措施可以对治理雾霾起到很大作用。林伯强等⑵分析得岀，世界
上一半的煤炭在中国消耗，煤炭燃烧产生的二氧化硫、氮
氧化物、烟尘排放分别占中国相应排放量的86%、56%、74%，因此，中国环境治理最重要的方面在于实现煤炭替代，减少煤炭消费。任保平等[6]根据我国污染的特征，发
现“高能耗、高污染”行业造成地区的近地层污染物、粉尘等微小颗粒物浓度过大，是造成该地区雾霾天
气的主要原因之一。城市雾霾天气的治理需要从能源结构、产业机构，以及经济增长目标的转化等方面来探讨。付鹏⑺认为
城市及其周边范围内大量使用传统化石类燃料是产生城市雾霾的主要原因。优化我国能源获取方式、调整能源产业空间布局，同时注重能源结构的中长期规划，是当下雾霾治理最现实的路径选择。顾为东⑴将雾霾和微生物联
系在一起解释了我国污染排放与雾霾的反常关系，认为雾霾不仅源于工业化进程中工业污染生成的二次气溶胶颗粒，还源于广大农村土壤、水源严重污染导致以微生物为主的二次气溶胶颗粒。雾霾治理，一是应从普遍性角度入手，以减少传统二次无机气溶胶等凝结核产生；二是应从特殊性角度入手，深入研究雾霾中的微生物种和分类”]O 陈诗一等]认为高耗能、高排放为特征的粗放式经济发
展模式是导致中国环境状况恶化的根源，解决环境问题将经济发展模式转到以技术进步为第一驱动力的可持续发展轨道上来。这些文献的政策主张是流量污染的控制。
大气污染(雾霾)产生的第二个条件是一定的气象条件。气候变化导致最大环境容量减少是雾霾形成的重要因素。据此，大气环境治理的另一思路是人工改变气象条件，如增加城市绿化、合理规划建筑改变风速风向，通过人工降雨增加湿度，从而调节城市大气环境容量m]O但是，气候的人为改善相对于源头治理难度较大且费用较高，因此对于大气环境治理仍然以源头控制为主，气象条件的改善为辅。
可以看岀，这些代表性文献强调的是从源头控制流量污染。但是，如果环境污染只取决于流量污染，则不能解释我国在武汉疫情管控期经济活动水平很低的情况下，仍然岀现了较严重的空气污染的经验事实。根据这一事实，有理由认为，已有的研究忽视了存量污染的作用[n]O因此，提岀如下待检验假说：当期空气污染是由当期排放的流量污染与前期形成的存量污染决定的。如果流量污染得到控制，已经形成的存量污染物会在一定的气象条件下，以一定的比重形成空气污染；气象条件越差，存量污染物就会有越大的比重形成雾霾；反之，尽管有存量污染物，但不会形成雾霾。我国在武汉疫情管控期间很低的经济活动水平为检验这个假说提供了一个自然实验。检验思路如下：假设有两种污染情况，假设1只有流量污染，假设2既有流量污染又有存量污染。如果假设1成立，则该研究的假说不成立，已有研究及治理政策成立，如何解释低经济活动水平下的空气污染需要提岀新的假说。如果假设2成立，则该研究的假说成立，低经济活动水平下的空气污染主要是由存量污染造成的。
2理论分析与研究假设
最优控制理论模型主要借鉴了文献[12：的成果。生产过程会消耗能源，同时会产生污染，令E为能源的使用量,S为能源使用后产生的污染存量,y为污染流量。假定有人个污染源，污染和能源使用成正比，令0<3<2为比例因子，则：
S=sE⑴
同时，污染S以5(0<5W2)的速度消散而减少，即：-S'=-8sE(2)
污染的存量变化为：
S=sE-8sE(3)
使用能源E进行生产活动，提高了能源消费者的效用水平，但同时也产生污染S；污染在0到T时刻积累，累积的污染S增加负效用。显然，社会效用函数依赖于能源消费和污染的积累，消费函数和污染累积函数分别是：C=C(E)且O0,C〜<0(4) S=sE-8sE且S‘>0,S〜>0(4)社会效用函数为：
U=U[C(E),S(E)](6)
且
U C>0，S<0，，CC>0,U$S<0,，CS=0(4)环保部门的问题是在给定的时期[0，门内，最大化社会效用：
max|U[C(E),S(E)]dt
Jo
构造汉密尔顿函数：
H=U[C(E),S(E)]+入(g E-5E)(6)
最大化一阶条件为：
刁H
=U c C\E)+USE)+入(s-3)(9)
"=-詈=0,()=c(c为常数且c>0)(12)
由UC(E)+US(E)=-A(s-s)可知，能源使用增加的社会效用与能源使用产生污染减少的社会效用取
-12-
中国人口•资源与环境2021年第2期
决于污染累积的影子价格人、能源与污染的比例因子3和消散率5。式中第一项U c C\E)度量的是E的变
化通过消费能源产生的正边际社会效用；式中的第二项U s S\E)度量的是能源的使用通过污染的积累而产生的边际负效用。
若消散率5=1，期初排放污染完全消散，存量污染：
S=0(11)
任何污染源当天排放的污染，只有流量污染：
St=sE(17)
能源使用增加的社会效用正好等于能源使用产生污染减少的社会效用，即：
西安疫情源头在哪U C C(E)+U S S\E)=0(13)
由于上式E独立于时间变量t，最优能源使用的解是常数，即：
E*(t)=E*(E*为任意常数)(14)
这说明任意一单位能源的使用都不会增加或者降低整个社会效用。
当消散率0<5<1时，随着流量污染的排放，存量污染被积累，但是每天的存量污染中的一部分污染物会被消散。因此，假定存量从零开始，即第1天之前没有存量污染，则第一天的存量污染为：
S]=s(1-5)E](17)
第二天的存量污染等于第二天的流量污染加上第一天未吸收的存量污染：
S2=s(1-5)E2+(1-5)•S7(16)
一般说，第t天的存量污染等于第t天的流量污染加上第)-1天未吸收的存量污染：
S)=s(1-5)E)+(1-5)•S)-(17)
考虑到这种情况，式(9)为U c C(E)+US(E)=-A (s-3)<0，任意一单位能源使用所产生的污染会被累积，累积的污染产生的负社会效用大于能源使用产生的正的社会效用，从而使整个社会效用降低。基于上述分析，提岀研究假设。
假设1：当消散率5=1时，存量污染为零，监测的污染量为流量污染。
假设2：当消散率0<5<1时，存量污染大于零，监测到的污染既有流量污染又有存量污染。
3数据模拟
3.6思路设计
根据我国实际排放模拟不同消散率下污染累积的情况，并根据大气监测的实际数据对以上假设进行检验。
大气监测的实际数据来自2022年1月19日一2月1。0o为了使观察呈现岀平行趋势，选择武汉疫情管控前4天的数据平均值为武汉疫情管控前的天气状态，选择武汉•16•疫情管控后4天的数据平均值为武汉疫情管控后的天气状态。取这段时间是因为随着人口流动受到严格限制，大部分企业和机动车停止了排放，流量污染迅速减少。如果假设1成立，则在此期间的空气污染浓度应当也会随之下降，空气质量持续上升；如果假设2成立，则在此期间，虽然流量污染排放迅速减少，但是污染浓度不会随污染排放量的减少而单调下降。
3.6模型与数据
根据理论推导，得到模型：当消散率5=1时，期初排放的污染完全消散，存量污染S)=0，任何污染源当天排放的污染只有流量污染，则实际监测到的污染量为：M)=S(=S E)(13)
其中,M)为只有流量污染时在)时刻监测到的污染量,S；为)时刻排放的流量污染。根据式(18)将实际监
测到的污染量转化为监测浓度值：
(17)
其中，为只有流量污染时在)时刻监测到的污染量为只有流量污染时监测浓度值,C为最大环境容量，在晴天时，=0，在阴天时z=1，并且在晴天时最大的环境容量大于阴天时最大的环境容量，即C>C。
皿,=0
C={(22) Lc：,,=1
当消散率0<5<1时，随着流量污染的排放，一部分污染物被累积形成存量污染。假定每天的存量污染中有一部分会被消散，则实际监测到的污染量为：
M)=s(1-5)E)+(1-5)・S)_1=(1-5)(S+S)1)
(2其中,M)为)时刻监测到的污染量,S，为)时刻排放形成的存量污染,S为)时刻排放的流量污染,s,_1为)-1时刻未吸收的存量污染。根据式(2将实际监测到的污染量转化为监测浓度值：
其中，他为即有流量污染又有存量污染时在)时刻监测到的污染量,p为即有流量污染又有存量污染时监测浓度值。
为了检验假设，选择两组数据。第一组是根据各个城市的实际流量排放数据按假设条件计算得到的空气监测模拟值，第二组是用来与第一组模拟值进行对比的各个城市的实际空气监测值。空气监测数据是每天实时的，实际排放量是年度数据，因此需要将各个城市实际排放的年度数据平均为日排放的流量数据。污染物选择二氧化硫(SO?)、氮氧化物(NO?(和粉尘(PM?,)。排放数据来自
张衔等：中国大气环境治理的新启示
《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国环境年鉴》《中国统计年鉴）,214年之前相应污染物浓度和空气质量（AQI）的监测值来自《中国环境统计年鉴》和《中国环境年鉴》,2022年2月4日一2月4日的数据来自国家环境保护部数据中心。文中以2222年2月230武汉疫情管控期间作为自然实验观察期的起始点，以2222年2月120全国复工为自然实验观察期的终结点，因此自然实验的观察时间为2222年2月230—2月40。
3S模拟结果
对假设2的检验。表2是武汉管控前后三种污染物的排放量，其中管控之前三种污染物的排放量在2.33~ 2.45万t、3.40~3.56万t、2.12-2.23万t之间随机产生，假定管控后第2天的排放量在管控之前排放量上减少2/4，第2天在管控之前排放量上减少2/3，第3天在管控之前排放量上减少2/2，第4天在管控之前排放量上减少2/3，第4天之后三种污染物的排放量在0.54-0.56万t、2.12-2.22万t、0.68~0.78万、之间
随机产生。全国除港澳台以外的32个省会城市，晴天的最大环境容量为2.26x1212m3，阴天的最大环境容量为晴天的2/3，即0.68xl212m3，计算方法是用2022年2月12日全国除港澳台以外32个省会城市的平均排放量除以二氧化硫的平均浓度12.22p.g/m3o
表2是根据式（2）和表2的条件计算得到的武汉管控后的模拟监测浓度表。可以看出，武汉管控后天气不变的条件下,SO/、NO/、PM o5的浓度值是下降的，空气质量AQI也从武汉疫情管控前的良转为优。在阴天条件下，SO2JNO22^M/_5和AQI的值先上升后下降，空气质量先保持不变，最后变为优。
为了与污染浓度模拟值比较，表3整理了全国除港澳台以外32个省会城市在武汉疫情管控前后的空气AQI实际监测值。由表3看岀，哈尔滨、上海、南京、杭州、合肥、南昌、济南、武汉、长沙、南宁和海口满足假设2模拟的结果，这些城市的空气质量在武汉疫情管控之后变好；而北京、天津、石家庄、太原、呼和浩特、沈阳、长春、郑州和西安不满足假设1模拟的结果，这些城市的空气质量在武汉疫情管控之后变差。这表明假设2不符合实际情况，即消散率不为2o 对假设2进行检验。根据空气质量的实际变化，在晴天消散率取0.55，阴天取0.26，并且晴天和阴天以随机方式产生，污染物为二氧化硫（氮氧化物和粉尘的模拟结果与二氧化硫的类似）除消散率和存量不同，其他条件和假设2的条件相同。为了控制人为干扰，分别随机设计2组模拟实验，每组120次，共模拟2000次，结果见表4o 模拟发现，武汉疫情管控前后空气质量没有发生变化的470次，占47%；管控前后空气质量变好的230次，占23%；空气质量变坏的300次，占30%o对比表3的实际观测值，在32个省会城市中，空气质量无变
化的12个占35%，变好的12个占35%，变差的9个占22%o模拟结果与实际观测十分相似，这说明实际情况与假设2基本符合，即空气污染是由当期排放的污染与上一期未消散的存量污染构成的。
表2武汉疫情管控后污染物流量的变化
污染物管控之前管控第2天管控第2天管控第3天管控第4天管控第4天之后二氧化硫/万t  2.35〜2.45  2.50  2.20  2.420.75〜0.05氮氧化物/万、  3.4〜3.5  2.59  2.53  2.22  2.15  2.12-2.22粉尘/万t  2.13〜2.23  2.24  2.45  2.290.230.65〜0.78
表2污染浓度模拟值（）=2）
时间-
排放量（流量）/万t浓度值/(p/m3/天气不变天气转阴SO2NO2SO2NO2PM"A空气质量AQI空气质量2024.2.12.55324321515364366良66良2022.2.22  2.40  3.45  2.1224344464良64良2022.2.43  2.50  2.59  2.2412243342优54良2022.2.2  2.60  2.50  2.452222934优75良2020.2.25  2.20  2.2222095252222优96良2020.2.44  2.150.236122629优34优2020.4.12023  2.150.25423242优2优
原、呼和浩特、沈阳、长春、郑州、西安
注：满足假设2的城市：哈尔滨、上海、南京、杭州、合肥、南昌、济南、武汉、长沙、南宁、海口。不满足假设2的城市：北京、天津、石家庄、太
-24-
中国人口•资源与环境2021年第2期
根据2000个观察值，随机选岀空气质量在武汉疫情管控前后无变化、变好和变差三组数据。发现武汉疫情管控前后空气质量无变化的特征是气候在武汉疫情管控前后变化不大，消散率整体变化比较均匀，在2022年2月22 0之前来自存量污染物形成的空气污染程度较轻，之后空气污染程度变化不大，来自存量污染物形成的整体污染平均在2万t o武汉疫情管控前后空气质量变好的特征是气候在武汉疫情管控之前较差，在武汉疫情管控之后较好，消散率在武汉疫情管控之前比较小，在武汉疫情管控之后比较大。在2020年1月220之前来自存量污染物
表332个省会城市的实际空气AQI监测变化值(2222年)
城市
月.0
1.47管控评价
2.22  2.42  2.42223  1.2  1.25  1.46前4天后4天变化效果
2229
北京603260593310229324/20550276良到中度变差天津9442392122247712424625972255良到中度变差石家庄1246353236/15266/1325722259215良到重度变差太原62661122551372352671210579277良到中度变差呼和浩特129124122236259254122141532629轻度到重度变差沈阳546565129995432625723570179良到中度变差长春124522241293259261263126252轻度到中度变差哈尔滨25432。3323615/77266226263215273重度到中度变好上海223273122124496236394013547轻度到优变好南京12922626396366637447012649轻度到优变好杭州6352125332453634349037良到优变好合肥123129m25369773。397523277中度到良变好福州2936637777326422294343优到优不变南昌5299956234446722409244良到优变好济南2552291222492121569612955159234中度到轻度变好郑州6666266/1525225122612510399276良到中度变差武汉154⑵⑵1251274463436712664轻度到良变好长沙1241125966643969777710662轻度到良变好广州354660629742422294535优到优不变南宁447269634649233。326036良到优变好海口9446464636324325305033良到优变好重庆9255535459777354435563良到良不变成都643592127229674944357462良到良不变贵阳62232。3226232735263222优到优不变昆明2223292526222。29262123优到优不变拉萨1292424126923242212优到优不变西安4669941202272
122222727266279良到中度变差兰州4369367242357675657976良到良不变西宁6035656366465247736976良到良不变银川456412096222559962936759良到良不变乌鲁木齐96992632392362721275669224223轻度到轻度不变注：无变化的城市12个(35%)、变好的城市12个(35%)、变差的城市9个(29%)
-15-

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。