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地铁开通会降低城市空气污染吗?

推文人 | 张果果
 
原文信息:Subways and Urban Air Pollution, NBER Working Paper 24183,Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02138,January 2018.
 
1 Contribution
 
本文的核心意在构建地铁的开通与Aerosol Optical Depth (大气浑浊程度,AOD)的因果关系,即量化识别城市地铁的开通对空气污染的影响。但凡好的文章,肯定会有比较创新性的贡献。那么,本文的主要贡献有三个方面:一是为修建地铁作为减少城市空气污染的公共政策反应提供了更可信的量化依据。二是根据文中估计的空气污染减少量,以及目前文献所估算的污染颗粒物的危害,能够计算出由于地铁开通导致死亡人数下降所带来的社会福利价值,即这篇论文给出了开通地铁的社会福利效应。三是多数文献集中在发达国家开通地铁的效果,那么本文还验证了地铁开通对发达城市和发展中的城市的影响是相似的。
 
因此,这篇论文的精彩之处在于,不仅识别了地铁这一公共交通工具开通确实会降低城市空气污染,也估计出来了地铁开通的社会福利提升,更加支持了地铁建设的经济社会价值。
 
2 Literature Review
           
文献的介绍主要分成了两类:一类主要关于地铁的研究领域。Gibbons and Machin (2005) or Billings (2011) 研究地铁的远近与房价、人口密度之间的关系。Baum-Snow and Kahn (2005) 研究小样本下美国地铁与客流量之间的关系。Voith (1997)则侧重于跨区域的两者之间的关系。Gonzalez-Navarro and Turner (2016)利用地铁站面板数据量化了地铁对人口增长的长期影响。另外一类主要涉及地铁与空气质量关系的研究,只有Chen and Whalley(2012)一篇文献,发表在American Economic Journal (AEJ)上,识别了1996年3月台北地铁开通对台北市中心空气质量的影响。这篇文献主要使用每小时的污染和每小时的客流量做量化分析,得出了地铁的开通能减少5-15%的一氧化碳,但没有对臭氧和颗粒物产生影响。而且Chen and Whalley(2012)局限于台北市,本文涵盖了世界城市43个城市地铁开通和104个地铁延伸的样本。
                        
3 Data 
 
(一)Subway Data
 
1.地铁的概念界定:完全与汽车交通和行人隔离的并且以电力为能源的城市铁路系统。它不包括路面电车和重型铁路通勤车。前者与汽车交通没有隔离,后者不使用电力。但它包括地下电车。事实上,这种界定存在争议。
 
2.地铁数据来源:www.urbanrail.net.
 
3.数据说明:截至2014年全球有171个城市拥有地铁,其中亚洲63个,欧洲62个,北美30个,南美、澳大利亚和非洲总共16个,共有8889个地铁站,每年大约增加200个地铁站。虽然地铁的开通始于19世纪,但卫星能够测量污染的数据是近些年的事情。Terra和Aqua卫星数分别从2000年2月和2002年7月开始测量AOD,所以文章总体上选取了2000年2月到2014年12月的43条开通的地铁
 
从上表中可以看出,统计数据涉及地铁所在城市、计划时间、修建时间、开通时间、总长度、扩建情况、每天客流量、平均AOD、AOD的标准差、城市人口、国家人均GDP。由于文章关注地铁开通前后18个月的窗口期,所以地铁开通时间应该在2001年8月到2013年7月,删除了不在此时间段的四个城市的地铁,所以主要的研究涉及39个城市。
 
(二)AOD and Data
 
1、气溶胶光学厚度(AOD:Aerosol Optical Depth)是大气浑浊程度的关键物理变量,衡量大气削弱光的程度。AOD值越大,大气越浑浊,颗粒物越多。
 
从公式上可以看出,一般情况下,到达地面的光量小于达到大气层顶部的光量,整体分子式小于1,AOD的理论取值只需是非负值,实践中AOD取值范围为0-5000,大部分文献标记为0-5。
数据来源:ftp://ladsweb.nascom.nasa.gov。
 
2、中分辨率成像光谱仪(MODIS: Moderate Resolution Image Spectroradiometer)是测量AOD的主要的仪器设备,安装于Terra和Aqua两颗人造卫星上。文章主要用四组存储于MODIS的大气数据,分别是来自于Terra卫星的MOD04_L2、MOD04_3K和来自Aqua卫星的MYD04_L2、MYD04_3K,前者分辨率为10×10千米,后者分辨率为3×3千米。文件数据的格式为.hdf,如下图所示
 
3、Data
 
AOD数据主要是每日数据构成,但是从下图2014年6月1日全球数据图像可以看出,由于有反射和云层,存在缺失数据,所有文章把每日数据整理成以月为单位的数据进行研究。而table 1展示了2014和2000年的AOD年均数据。
 
从Table 1中可以看出,不同地区的AOD数据不同。2014年亚洲最高,欧洲最低。从2000到2014年的趋势看,亚洲、非洲、南美略有上升,而北美和欧洲下降幅度较大
 
从Figure A可以看出,AOD具有明显的季节性,夏季较高,冬季较低。图中的红线是Aqua卫星观测数据的起始时间。
 
(三)Other Data
 
1、气候数据来源:主要涉及云量覆盖率,霜冻频率,平均温度,降水量和蒸气压,CRU gridded dataset。
 
2、国家数据来源:主要涉及城市人口、国家人均GDP, 佩恩世界表(Penn world table),世界银行(World Bank)。
 
3、颗粒物数据来源:主要涉及PM.5和PM10,世界卫生组织(World Health Organization)。
 
 
4 Model
 
(一)AOD和颗粒物之间转化模型
 
作者选取了143个城市测量颗粒物的数据,20个城市有4年数据、80个城市有3年数据、28个城市有2年数据和15个城市有1年数据,共合计收集326个PM10和227个PM2.5城市-年数据。
 
 
PMyit表示i城市在t年PM y的值,α0为截距项,在其他变量都为0时PM y的值,AODit表示城市i在t年气溶胶光学厚度,controlsit 表示i城市在t年其他的控制变量。Y取值2.5,10,主要回归结果见下表:
 
(1) (4) 没有控制其他变量,(2) (5) 控制了气候和大陆变量,(3) (6) 增加控制城市人口和国家人均GDP变量。结果显示:在没有其他控制变量时,Terra卫星AOD值每增加1单位,PM 10和PM 2.5增加122.85和61.58µg/m3,Aqua卫星增加124.49和63.47µg/m3。
 
(二)地铁开通和AOD之间模型
 
1、定义一组虚拟变量
 
(1)Dit(j)表示城市i在t时间开通的时间为j,则Dit(j)取1,否则,取0。
 
(2)Dit(j,j′)表示城市i在t时间开通的时间在j 和j′之间,则Dit(j, j′)取1,否则,取0。
 
(3)Dit(τ ≶j′)表示城市i在t时间开通的时间在j 和j′之外,则Dit(τ ≶j′)取1,否则,取0。
 
 
从图上可以看出,开通前AOD变化不显著异于0,而开通后在置信区间AOD变化显著异于0。
 
 
从Table 3可以看出,无论是否控制其他变量,地铁开通后AOD减少0.02左右,并在5%的水平上显著异于0。
 
(5)稳健性检验
 
作者为了证明地铁开通对AOD影响的稳健性,分别做了以6个月为单位的局部检验和以12个月为单位的4年和8年的检验,结果显示整体上5年内结果较为显著,5年以后不显著。作者还做了安慰剂检验,结果显示其他城市不存在AOD的减少。另外,作者还做了异质性,扩大城市样本,剔了低像素和扩大空间范围(从10km到150km的空间衰减)的检验,结果显示不同城市地铁开通对AOD影响不同,城市样本越大,影响有轻微减弱,城市空间范围越大,影响逐步降低。作者进一步对地铁的扩建进行研究,结果表明影响逐渐递减。
 
(三)福利效应分析
 
最值得指出的是,作者还进行了地铁开通的社会福利分析。地铁开通每年减少的0.02单位的AOD,换算成PM10:0.02×100=2µg/m3,从而每年大约避免10个婴儿的死亡,从而每年减少2100万美元的经济损失,按照5%折现率,五年减少9550万美元损失,永久减少4.41亿美元。每年减少0.02单位AOD可换算成PM2.5:0.02×55.12=1.102µg/m3,从而减少了各年龄段各种疾病的死亡人数,大约每年可以挽救222条生命,从而避免了每年大约5.94亿美元和五年大约27亿元的损失,永久减少125亿美元。而地铁建造的成为每英里250-2870万美元,文章研究的地铁平均长度为19.2千米,所以总造价仅在2.98-34亿美元之间。由此可见,开通地铁提高了整体社会福利水平。
 
5 主要结论
 
本文的主要结论如下:(1)在研究的样本中,地铁开通的时点与城市AOD水平之间存在清晰的结构断点,地铁的开通后的四年(48个月),城市AOD水平下降了4%;(2)随着离城市中心的越远,AOD值下降的越慢;(3)地铁的初次开通和地铁的扩建对AOD的影响是不同的,随着扩建次数增加而递减:(4)地铁开通由于减少污染带来整体社会福利的提高。从这个结论,可以看出,中国城市建设地铁是利国利民的好事情。
 
本文识别干净之处在于利用了城市地铁开通作为冲击,发现了城市地铁开通前AOD变化不显著,而开通断点后后有一个明显的AOD下降,安慰剂也发现其它城市并没有显著的污染减少。此外,本文还估算了地铁开通后的社会福利提升。
 
Abstract
 
We investigate the relationship between the opening of a city’s subway network and its air quality. We find that particulate concentrations drop by 4% in a 10km radius disk surrounding a city center following a subway system opening. The effect is larger near the city center and persists over the longest time horizon that we can measure with our data, about eight years. We estimate that a new subway system provides an external mortality benefit of about $594m per year. Although available subway capital cost estimates are crude, the estimated external mortality effects represent a significant fraction of construction costs.
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