中国冬季清洁取暖政策对空气质量的影响：机器学习与因果推断的联合方法研究

作者及机构
本研究由深圳大学医学院生物医学工程系的柴玉娟（Yujuan Chai）、深圳大学大湾区国际创新研究院的王龙丰（Longfeng Wang）团队共同完成，发表于SPIE（国际光学工程学会）第13届材料科学与环境工程国际会议论文集（Proceedings of SPIE Vol. 13811），会议时间为2025年。

学术背景
中国北方地区的冬季集中供暖是全球最大的能源消耗系统之一，传统以煤炭和生物质为主要能源的供暖方式导致严重的空气污染。2013年起，中国政府相继实施《大气污染防治行动计划》《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）》等政策，旨在推广天然气、电力等清洁能源替代传统燃煤取暖。然而，既往政策评估方法（如断点回归（Regression Discontinuity, RD）、双重差分法（Difference-in-Differences, DID）和合成控制法（Synthetic Control Method, SCM））存在短期效应评估局限、平行趋势假设依赖性及过拟合等问题。为此，本研究提出结合随机森林（Random Forest, RF）天气标准化方法与合成双重差分法（Synthetic Difference-in-Differences, SDID），系统评估清洁取暖政策的长期效果。

研究流程
1. 数据收集与处理
- 研究对象：中国145个城市2014-2023年的每小时空气污染物（AQI、SO₂、NO₂、PM₂.₅、PM₁₀、CO、O₃）及气象数据。
- 数据预处理：采用指数加权移动平均（EWMA）填充数值变量缺失值，分类变量前向填充，并通过独热编码（One-Hot Encoding）处理分类变量。

1. 准自然实验设计

   • 城市分组：
     
     • 处理组1：“2+26”城市（23个供暖覆盖率>60%的城市）；
       
     • 处理组2：北方其他城市（49个供暖覆盖率>60%的城市）；
       
     • 对照组：南方无集中供暖城市（33个）；
       
     • 补充组：南方部分供暖城市（8个）及邻近南方城市（32个）。
       
   • 政策干预点：以每年11月23日（供暖启动日）作为政策实施节点。

2. 随机森林天气标准化

   • 通过RF模型解耦气象因素对污染物浓度的影响，输入变量包括温度（T）、气压（P）、风速（U）等12项气象参数，输出为“去气象化”（De-weathered）污染物浓度。
     
   • 模型验证：训练集占70%，测试集占30%，所有污染物预测的相关系数>0.7，偏差接近0，表明模型性能稳定。

3. 合成双重差分法（SDID）分析

   • 结合SCM的单位权重与DID的时间权重，构建合成对照组，缓解平行趋势假设依赖性。
     
   • 评估指标：计算政策实施前后处理组与合成对照组的差异，以均方根误差（RMSE）验证模型收敛性。

主要结果
1. 区域污染变化趋势
- 2014-2023年，“2+26”城市AQI年均降幅最大（41.33 μg/m³），PM₂.₅浓度在2017-2018年单年降幅达15.3%（9.45 μg/m³），显著高于北方其他城市（2.3倍）。
- O₃浓度总体上升，其他污染物（SO₂、NO₂、PM₁₀、CO）均呈下降趋势，且供暖期降幅高于非供暖期。

1. 政策效应动态分析

   • 2017年政策密集实施期，“2+26”城市污染物合成差异显著缩小（如PM₂.₅降幅达40.54 μg/m³），但2018年后效果减弱且波动增大，表明政策效应呈短期集中、长期递减特征。
     
   • O₃和SO₂的合成差异在2018年后持续为负，提示政策对这两类污染物的控制较持久。

2. 新冠疫情干扰
   2020-2022年污染物浓度异常下降，可能与疫情期间工业活动减少相关，需在因果推断中排除该混杂因素。

结论与建议
1. 科学价值
- 方法学创新：首次联合RF-SDID框架量化长期政策效果，为环境政策评估提供可扩展的分析范式。
- 实证发现：清洁取暖政策在“2+26”城市的初期减排效果显著（尤其对PM₂.₅和SO₂），但需警惕O₃浓度上升及政策效力的时效性。

1. 应用建议
   
   • 政策优化：建议通过财税激励推广地源热泵、生物质能等清洁技术，并强化臭氧前体物（VOCs和NOx）的协同管控。
     
   • 动态监测：建立政策效果衰减预警机制，避免“一刀切”式政策调整。

研究亮点
1. 跨学科方法融合：将机器学习的非线性建模能力（RF）与因果推断的反事实逻辑（SDID）结合，克服传统方法的假设局限性。
2. 高时空分辨率数据：基于145城市10年小时级数据，显著提升评估的时空精度。
3. 政策时效性揭示：首次明确清洁取暖政策的“边际递减效应”，为政策迭代提供实证依据。

补充价值
研究还指出，南方部分供暖城市的污染特征与北方趋同，提示区域协同治理的必要性，未来可扩展至跨境污染传输研究。