宁波地区气象因素与大气污染对呼吸系统死亡率影响分析*
2020-01-03胡晓俞科爱张国超林陈爽蒋飞燕徐璐
胡晓 俞科爱 张国超 林陈爽 蒋飞燕 徐璐
(1.宁波市镇海区气象局，浙江 宁波 315202；2.宁波市北仑区气象局，浙江 宁波 315806)
0 引 言
随着工业化、城市化的迅速发展，国内各大城市在近些年频繁遭受灰霾污染影响[1]，灰霾的频繁发生不但对气候、环境等产生重大影响，而且对人的身体健康带来严重危害[2]，“环境—气象—健康”一直是世界各国卫生学家、环保学家和气象学家十分关心的问题，环境空气质量的好坏，对整个生态系统和人类健康有直接的影响[3]。大气污染物对人群健康影响包括长期暴露产生的慢性效应和短期暴露产生的急性效应[4]，可吸入颗粒物(PM10)，细颗粒物(PM2.5)、SO2和NO2与人群健康效应结局的流行病学联系最为密切[5]，短期暴露高浓度大气污染物，将对人体健康造成不利影响，表现为人群超额死亡的增加，因呼吸系统疾病和循环系统疾病门诊或急诊就诊人次的增加，住院人次的增加等[6]。大量研究证实了大气颗粒物对呼吸、循环等多个系统健康有损害[7-9]，因此近年来大气颗粒物污染与人群死亡变化的关系已成为国际环境流行病学研究的热点之一[8]。而气象环境与人体健康研究是多学科交叉合作研究的新领域，气象因子、空气污染等多因素间联合所起的作用可能是相加、协同或拮抗作用，因此研究多种气象因素间的复合作用对健康效应的影响具有更加现实的意义。有的学者利用天气、气候因子作为潜在变化因子，并用天气模型估算每日死亡率和颗粒污染物之间的反应关系[10-11]；天津[12]和武汉[13]的气温与PM10间存在相互作用，由此引发的呼吸系统疾病死亡率在气温较高时表现更为明显；上海地区[14]极端低温同大气污染与每日死亡率有较好的相关。通过上述分析说明气象因素、空气污染与居民死亡率有相应的内在联系，因此探讨多项气象要素及其对污染物浓度变化作用和对居民健康的影响具有非常现实的意义。
2012—2013年，我国中东部地区出现持续严重霾污染天气[15-17]，特别是2013年12月2—14日的重度霾事件，天津、河北、山东、江苏、安徽、河南、浙江、上海等多地空气质量指数达到严重污染级别，严重霾污染天气对城市的各项经济活动和居民生活带来显著影响，也给人体身体健康造成严重威胁。利用2012—2013年宁波地区的气象数据、污染物监测数据和人口死亡数据对大气污染与居民健康的影响情况进行分析，可以为了解宁波地区大气污染对居民健康的影响情况，采取相应措施减少其对人群健康的危害提供参考。
1 资料来源
气象资料来源于2012—2013年宁波鄞州国家气象站逐日平均气温、日平均相对湿度、日平均气压、日平均风速和日降水量等气象因素。
污染物浓度监测资料来自宁波市环境监测中心国控点实测资料，监测的大气污染物包括PM10、PM2.5、SO2、NO2逐日平均浓度。
呼吸系统每日人口死亡数据由宁波市疾病控制中心提供。
2 结果分析
2.1 宁波地区2012—2013空气质量
根据环保部发布的中华人民共和国国家环境保护标准HJ633—2012中环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)，将空气污染指数AQI分为6级，AQI≤50，空气等级为1级，空气质量优；51
表1 2012—2013年宁波各等级空气质量统计表
图1是2012—2013年宁波地区AQI的逐月分布图。从图1中可以看出，AQI具有明显的月变化特征。11月、12月和1月AQI明显偏高，是污染集中出现的月份；6—8月AQI明显下降到60以下，优质空气日数占到该月的2/3，总体呈现出秋冬季差、夏季好的明显季节特征。
图1 2012—2013年宁波AQI逐月分布图
同样，根据HJ633—2012中划定的标准，将2012—2013年宁波月均及年均污染物浓度列入表2。从年际变化来看，2013年污染程度较2012年更重一些，从月均污染物浓度变化来看，2012年11月PM10最高119 μg·m-3；PM2.5最高79 μg·m-3。2013年12月PM10平均浓度高达192 μg·m-3，PM2.5平均浓度133 μg·m-3，达到国家四级标准。从月际变化来看，秋冬季(11月—次年1月)除O3以外，污染物平均浓度最高时段，这一特征与杭州基本一致[18]，分析原因主要是秋冬季寒冷，混合层高度低易出现逆温天气，大气扩散能力差，以及冷空气活动频繁，容易携带污染物南下等共同原因所至。
表2 2012—2013年宁波市各月平均污染物浓度 μg·m-3
2.2 大气污染物浓度与气象要素相关性分析
某一城市的污染情况通常受两方面因素的影响：一是污染源的分布和排放情况，二是气象要素即大气扩散污染物的能力[19]。由于重污染天气中污染物主要集中在边界层内，除了受大尺度环流背景场影响外，低空的风、温、压、湿等气象因素也很重要[20]。2012—2013年宁波污染天气中，首要污染物111 d为细颗粒物(PM2.5)占污染日数的78.2%，12 d为可吸入颗粒物(PM10)，19 d为O3，这说明宁波地区的污染物中以细颗粒污染为主。为分析宁波市污染日的地面气象要素，对比分析空气质量达标日(589 d)和污染日(142 d)地面气象要素特征。
表3为污染日和达标日地面气象要素统计数据。分析可知，5个气象要素在污染日和非污染日均有明显差异，其中差异最大的是雨日频率，污染日雨日频率仅17.6%，而非污染日雨日频率为44.8%，说明降水对于污染物的冲刷和清除有非常明显的作用；其次气温、气压、相对湿度和风速。污染日较非污染日平均气温低6.5 ℃，气压高6.1 hPa，分析原因，主要是因为污染日普遍发生在气温较低、冷空气活动频繁的秋冬季所致；另外污染日平均风速比非污染日低0.6 m/s，风速越大越有利于污染物的扩散，相应的污染物浓度越低；由于非污染日雨日偏多，因此相对湿度也较污染日高7%。
表3 污染日和非污染日地面气象要素统计
2.3 环境气象因素与呼吸系统死亡人数相关性分析
2.3.1 特征分析
近年来，呼吸系统疾病发病率和死亡率呈明显上升趋势，呼吸系统疾病多发于冬、春两季，分别因病毒或细菌引发，主要包括哮喘、肺炎、过敏性鼻炎、湿疹、感冒、支气管炎等[21]。特别是宁波地区污染天气又以细颗粒污染为主，空气中可吸入的PM10和更小PM2.5，能够穿透肺泡参与血气交换，其本身伴有有毒重金属元素、多环芳烃类化合物，甚至病毒和细菌等有毒有害物质，可被血液和人体组织吸收，对人体健康和大气环境的危害最大[22]。图2分别为2012、2013年宁波地区PM2.5及呼吸系统死亡人数随时间变化趋势，由图可见，研究期间宁波地区呼吸系统死亡人数的时间分布呈季节性波动，夏季降低，秋冬春季升高，特别是春季对应呼吸系统死亡人数的高值区。同样，PM2.5的时间分布呈现出一致的季节性波动特征，夏季PM2.5相对较低，秋季浓度逐渐升高，冬春季为PM2.5浓度的高值时间段，特别是2013年冬季PM2.5浓度最高值达422 μg·m-3。
进一步对2012—2013年各季节呼吸系统死亡人数进行统计，各季的死亡人数分别为：春季(3—5月)3047人，日均16.56人；夏季(6—8月)2341人，日均12.72人；秋季(9—11月)2465人，日均13.54人；冬季(12月至次年2月)4041人，日均22.45人。可以看出，冬季呼吸系统疾病死亡人数最高，其次是春季、秋季，夏季最少。分析原因可能是由于冬季多冷空气活动，气温低，同时冷空气输送或天气静稳时均容易带来污染天气，造成空气中颗粒物浓度增高，呼吸系统疾病多发，死亡人数增加。春季冷暖空气均较活跃，冷空气活动仍会造成颗粒物输送，同时由于气温起伏，容易造成人体免疫力下降，引发呼吸系统疾病。夏季里气温高、湿度大、空气质量较好，因此呼吸系统死亡人数最少。
(a：2012，b：2013)图2 2012—2013年宁波PM2.5及呼吸系统死亡人数的时间变化趋势
2.3.2 相关性分析
通过分析各气象要素，包括气压、气温、相对湿度、平均风速、降水量与细颗粒物浓度和呼吸系统死亡人数的相关性可以发现(表4)：呼吸系统死亡人数与气压、PM10和PM2.5存在着明显的正相关(r为0.513、0.243、0.243，P<0.01)，说明当颗粒物浓度升高时，呼吸系统死亡人数相应增加，呼吸系统死亡人数与气温呈负相关(r为-0.416，P<0.01)，说明气温下降，呼吸系统死亡人数相应增加，特别冬季多冷空气活动，气温下降、颗粒物浓度升高，对应呼吸系统死亡人数最多。PM2.5与PM10、气压之间存在着明显的正相关(r分别为0.952、0.513、P<0.01)，颗粒物吸湿增长为气态污染物提供非均相转化载体，促进细颗粒物的生成，进一步降低大气能见度[23]；PM2.5与气温和降水呈负相关(r分别为-0.605、-0.175，P<0.01)，风速的增大以及降水都是有利颗粒物扩散及清除的气象条件。PM10与气压存在着明显的正相关(r为0.423，P<0.01)，与气温、风速、降水和相对湿度呈负相关(r分别为-0413、-0.271、-0.221、-0.294，P<0.01)。
表4 宁波地区2012—2013年呼吸系统疾病日死亡人数与各污染物日均浓度、气象因素的相关性分析
考虑空气污染、气象等暴露因素的健康效应均有一定的持续性和滞后性[24-25]，以及人体对外界环境发生变化做出生理反应的响应时间存在差异，选取与呼吸系统死亡人数相关性最高的气温、气压PM2.5及PM10做进一步分析，对2012—2013年间宁波市呼吸系统疾病死亡人数做以下处理[26]：
其中N(i)为考虑到人体响应时间差异的第i天宁波市呼吸系统疾病死亡人数，n(i-1)，n(i)，n(i+1)分别为实际统计得到的第i-1天，第i天，第i+1天宁波市呼吸系统疾病的死亡人数。
(a：气温；b：气压)图3 不同气象要素与不同滞后时间下宁波呼吸系统疾病死亡人数的相关关系
图3分别为气温和气压与同期及滞后1～10 d宁波呼吸系统疾病死亡人数的相关情况，可以看出，在夏季呼吸系统疾病死亡人数与气温的相关性弱，这是由于夏季的平均气温较高；春季的负相关性最强，且对气温的响应存在滞后性，最佳滞后时间为5 d；秋冬季节呼吸系统疾病的死亡人数对气温变化响应较快，秋季最佳滞后时间为2 d，冬季为3 d，说明当气温下降，2～3 d后呼吸系统疾病死亡人数就会有上升。同样，呼吸系统疾病死亡人数与气压的相关性在夏季很弱，春季最强，秋冬季居中，这与春夏季平均气压相差较大有关。同时分析呼吸系统疾病死亡人数对气压响应也存在滞后性，春季最佳滞后时间为4 d，秋季为3 d；冬季和夏季表现出双峰结构，第一峰值分别出现在第2 d和第3 d，第二峰值均出现在第8 d。
(a：PM2.5；b：PM10)图4 不同颗粒物浓度与不同滞后时间下宁波呼吸系统疾病死亡人数的相关关系
图4为PM2.5和PM10与同期及滞后1～10 d宁波呼吸系统疾病死亡人数的相关情况，可以看出，呼吸系统疾病死亡人数对PM2.5在秋季相关性最大，滞后性上看也表现出双峰结构，分别在1 d和8 d相关系数出现峰值，在冬季，呼吸系统疾病死亡人数对PM2.5同样呈现正的相关性，从第3天开始。随着滞后天数增加，相关性逐渐增大，最佳滞后时间为9 d；春季和夏季的相关性较小。PM10与呼吸系统疾病死亡人数的相关情况和PM2.5的情况十分相似，秋季相关性最大，冬季次之，春秋季相关性较弱。
3 结 语
1)2012—2013年宁波环境空气质量达标天数为589 d，占80.6%，污染天气为142 d，其中111 d首要污染物为细颗粒物(PM2.5)，占污染日数的78.2%。AQI表现为秋冬差、夏季好的明显季节特征。
2)气象要素在污染日和非污染日均有明显差异，差异最大的是雨日频率，污染日雨日频率仅17.6%，而非污染日雨日频率为44.8%。
3)2012—2013年宁波地区呼吸系统死亡人数的时间分布呈季节性波动，夏季降低，秋冬春季升高。冬季呼吸系统疾病死亡人数最高，日均22.45人，其次是春季日均16.56人。呼吸系统死亡人数与气压、PM10和PM2.5存在着明显的正相关，气温呈负相关，呼吸系统疾病死亡人数对气温响应存在滞后性，秋冬季呼吸系统疾病死亡人数对气温变化的响应较快，滞后时间为2～3 d，在秋冬季颗粒物浓度与呼吸系统死亡人数的相关性较大，有8～9 d的滞后效应，春夏季相关性较小。
4)本文对气象因素、大气污染对呼吸系统死亡率影响展开分析，得到了一些结论，但由于气象因子、空气污染等因素对人体健康所起的作用是非常复杂的，这些作用可能是相加的、协同的。而在今后的工作中还将就以下几方面加强分析：1)文中仅对气象、大气污染与呼吸系统死亡率进行分析，但污染天气过程也可能涵盖其他的健康效应结局，如心血管系统等等；2)污染天气过程对人群健康的影响存在滞后效应和累计效应，在对滞后效应进行分析的基础上还可对累计效应展开研究；3)空气污染对不同年龄组的影响结果不同，儿童和老年人最容易受到恶化的空气质量的伤害，因此空气污染对不同人群的健康效应还需进一步细化分析。
