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推文人 | 谢凯 
原文信息:Maximilian Auffhammer and Ryan Kellogg. Clearing the air? The effects of gasoline content regulation on air quality. American Economic Review,101(October 2011), 2687-2722.
 
一、引言
 
今天推送的是一篇运用双重差分方法(DID)进行政策评估的经典文献,作者研究的是美国汽油管制政策的实施是否对空气质量有影响。AER官网同时提供了文中所用数据,且较为完整,有感兴趣的朋友可以进行文献复制。
 
自1963年通过最初的《清洁空气法》以来,美国各州和联邦政府在不同时期对汽油成分采取了不同的管制政策,因而对空气质量可能会形成不同的改善情况,如联邦汽油和加州汽油就有着不同的标准,这种差异是否会带来不同的效果呢?作者基于法规实施过程中的空间和时间差异,搜集了全美空气质量监测站和气象站的数据,运用双重差分(DID)和断点回归(RD)的方法,考察了汽油成分管制是否对空气质量有明显的改善作用,什么样的汽油成分管制政策效果更为显著。
 
结果发现,同为汽油管制政策,联邦政府要求降低汽油中总VOCs(挥发性有机物)含量的政策,几乎没有作用,因为炼油厂选择去除的是技术成本较低的丁烷,而丁烷对于恶化空气质量效果极小;相比之下,加州政府具体限定特定物质浓度的汽油管制政策,效果就非常显著。
 
二、监管背景
 
2.1 地面臭氧的形成
 
臭氧是一种无臭无色气体,已被发现与哮喘有关, 它增加了对肺炎和支气管炎的易感性,并且对作物和自然植被造成损害。虽然臭氧不是由任何来源直接排放的, 但在大气中反应产生臭氧的两类化学品:挥发性有机化合物 (VOCs)和氮氧化物 (NOx),是通过人类活动产生的部分污染物,比如汽车尾气的排放。因此,美国汽油成分管制的主要目标就是通过减少这两种化学前体的排放来降低地面臭氧的环境浓度。下面介绍了三种汽油成分管制措施。
 
2.2 三种燃油成分管制措施
 
Federal Reid Vapor Pressure (RVP)
 
随着1989年RVP法规的引入, 汽油法规首先针对的是地面臭氧污染。RVP,单位是平方英寸/磅 (psi) ,用来测量汽油中挥发性有机化合物(VOCs)排放的强度。这些排放可能发生在道路上,通过汽车尾气或蒸发。例如,在给车辆加油时,人们会闻到烟雾,因为它是蒸发性VOC排放的。
 
RVP的实施分为两个阶段。第一阶段为1989-1991年,共有48个地理位置相邻的州被实施RVP管制,实施时间为夏季(6月1日-9月15日)。因为不同州的污染情况各异,有些州被实施更严格的管制,美国环境保护局(EPA)将标准分为三类:10.5、9.5、9.0 psi(数字越低越严格)。第二阶段从1992年开始,这一阶段要求所有州都实行更严格的9.0 psi的管制标准,对于空气质量未达到EPA标准的一些南部州,EPA设立了更严格的7.8 psi、7.0 psi 的标准,与9.0 psi限制相比, 这一严格限制使汽油中的VOC排放量至少减少了15%(EPA,1993)。
 
Federal Reformulated Gasoline (RFG)
 
根据1990年《清洁空气修订案》的授权,联邦政府于1995年开始实施RFG,主要针对的是在EPA标准下臭氧浓度未达到要求的州。
 
同样的,RFG管制的实施也分为两个阶段,第一阶段于1995年生效, 第二阶段于2000年生效。与RVP法规一样,RFG也以地面臭氧为目标;然而,RFG法规比RVP的法规更严格,涉及内容标准和性能标准。在一阶段中,①RFG要求常规燃油中的苯含量不超过1%,这是一种有毒致癌物质, 也是一种VOC;②VOCs和TAP(包括苯在内的五种化学成分)排放减少15%;③NOx的排放量不得超过传统汽油的排放量;苯、TAP和 NOx的标准是全年的, 而VOC标准仅适用于6月1日-9月15日的夏季。 第二阶段的标准更加严格,VOC要减少25%,TAP减少20%,NOx减少5.5%。
 
California Air Resources Board (CARB)
 
加州的汽油成分管制措施相比于联邦,更为严格。整个加利福尼亚州采用的是7.8 psi的标准,RVP第二阶段的法规今天仍然有效,但在某些领域已被RFG或CARB标准所取代。CARB标准于1996年3月实行,要求汽油中苯不超过1%,对VOC的管控比RFG更严格,在RVP达到7.0 psi的基础上,要求烯烃按体积计算不超过6%,芳香烃按体积计算不能超过25%(这些都是VOC中形成臭氧活性很高的成分,活性是丁烷的3-10倍)。此外,CARB要求将硫含量降低 80%,以减少二氧化硫和氮氧化物的排放。
 
 
三、数据
 
3.1 空气质量监测数据
 
作者从美国国家环保局的空气质量标准数据库中获得了1989年-2003年的臭氧环境空气浓度数据,这个数据库报告了EPA的空气质量监测器网络中的每小时读数。作者利用这些数据构建了两种在监测日水平上的臭氧浓度测量指标: 每日最大浓度和每日8小时的平均最大浓度。
 
当然,一些异常的数据被剔除:包括①从上午9点到晚上9点,超过9小时没有记录的监测站的数据;②在夏季(6月1日-8月31日)超过25%的天数没有任何记录的监测站数据;③邻近州的空气质量标准受到更严格监管的州的数据。删除这些异常的数据使得数据集减少了9.8%,并且不会对估计结果产生重大影响。
3.2 气象数据
 
因为臭氧浓度会随着温度和阳光的增加而上升,在分析中同时也需要控制天气数据。作者从NOAA(美国国家气候数据中心)获得了气象数据,该数据库涵盖了全美20000多个气象数据监测站点,包括每日最高最低气温,降雨和降雪数据等。但有个问题是,气象监测站往往不是和空气质量监测站在一起的,因此需要对两个数据库进行匹配。
 
匹配方法是,计算一个空气质量监测站与所有气象监测站的距离,随后选取距离最近的10个气象站,要求这些气象站相距不超过50英里,高度不超过500英尺。在这些气象站中,将最近的,能够将超过50%的污染监测数据与气象数据相匹配的站确定为“一级站”,然后比较四项气候变量和臭氧的时间序列。按照这个步骤,作者发现空气质量监测站的10.2%的每日臭氧数据与气象监测站的数据不匹配。
四、实证策略
 
研究的目标是确定每项汽油成分管制政策的实施对大气中臭氧浓度的影响程度。具体来说,包括以下五种:
 
①夏季9.0 psi的RVP(1989-1991年的一些县;1992年之后的大部分完成目标县)
 
②夏季9.5 psi或10.5 psi的RVP(1989-1991年的大部分县)
 
③夏季7.8 psi或更低的RVP(1992年后的南部未达标县和北部入选县)
 
④联邦RFG(1995年后的严重未达标县和入选县)
 
⑤CARB(1996年后加州所有的县)
 
后面的实证研究过程中,作者将夏季9.0 psi 的RVP作为控制组,与其他4项政策做比较,所用的方法为双重差分法(DID)和断点回归法(RD)。
 
 
五、实证结果
 
5.1 DID结果
 
 
灰色虚线为控制组,黑色竖线是政策开始实行的时间。从A、B、C三图可以看出,实验组RVP几乎相当于控制组;实验组RFG稍低于控制组;实验组CARB相比控制组有明显的下降。从下图来看,CARB的估计系数具有很强的显著性。
5.2 RD结果
由上图可以看出,RD的估计结果和DID的估计结果是相一致的。
 
另外我们也可以看到,在CARB标准的汽油管制政策中,对臭氧浓度的影响在空间上也是异质性的。在洛杉矶和圣地亚哥内陆地区实施的CARB标准具有更显著的效果,相反旧金山湾区的效果就没有这么明显了。这种结果与臭氧形成的科学过程是一致的,在汽油燃烧排放的挥发性有机化合物(VOCs)推动大量臭氧形成的地区,减少汽油中形成臭氧的挥发性有机化合物(VOCs)的含量将是最有效的: 而这些地区就是炎热、人口密集和VOCs受到严格限制的地区。
 
 
六、结论
 
这篇文献考察了三种类型的汽油成分含量法规的有效性: 联邦RVP标准, 联邦RFG标准和加州CARB标准。使用从EPA监测网络获得的地面臭氧浓度数据,作者发现,实施CARB标准可以大大减少臭氧污染,特别是在之前臭氧问题最为严重的地区,效果更为显著。然而,没有证据表明RVP和RFG标准能够导致臭氧浓度大幅降低,即使在CARB标准生效的同一地点也是如此。
 
进一步的,作者给出了解释:RVP和RFG标准在减少臭氧方面的无效性可以用炼油商对管制法规的成本最小化反应来解释。由于这些标准使炼油商在决定从其汽油中去除哪些特定挥发性有机化合物(VOCs)方面具有很大的灵活性,因此他们能够降低特定挥发性有机化合物丁烷的含量,而丁烷的去除成本相对较低,但不容易形成臭氧。相比之下,CAEB标准下的汽油要求降低高反应性挥发性有机化合物(VCOs)的浓度, 从而大幅减少地面臭氧污染。这些结果突出了灵活性环境法规的潜在缺陷:虽然允许对标准做出灵活反应可以降低减排成本,但灵活性也可以降低预期的环境效益。
 
Abstract
 
This paper examines whether US gasoline content regulations, which impose substantial costs on consumers, have successfully reduced ozone pollution. We take advantage of spatial and temporal variation in the regulations’ implementation to show that federal gasoline standards, which allow refiners flexibility in choosing a compliance mechanism, did not improve air quality. This outcome occurred because minimizing the cost of compliance does not reduce emissions of those compounds most prone to forming ozone. In California, however, we find that precisely targeted, inflexible regulations requiring the removal of particularly harmful compounds significantly improved air quality.
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