我國空氣質量健康指數的初步研究

陳仁杰,陳秉衡,闞海東 (復旦大學公共衛生學院環境衛生教研室,公共衛生安全教育部重點實驗室,上海200032)

科學合理地評價空氣質量,可以為政府部門防控大氣污染,優化空氣質量管理提供依據.目前國際上,最常用的空氣質量評價方法是空氣質量指數(AQI),美國、加拿大、英國、韓國、日本等發達國家都用AQI來評價環境空氣質量.以現行空氣質量標準限值為基礎,AQI采用分段線性函數將每日或某時的空氣污染物濃度轉換為易于理解的指數形式,并將空氣質量分為若干層級,提供相應的健康信息.權威部門以各污染物中 AQI的最大值作為某時段的AQI對外發布,以表征此時段的空氣污染狀況.根據中國環境監測總站發布的《城市環境空氣質量日報技術規定》(總站辦字[2000]026號)[1]的要求,我國城市自 2000年開始每日發布空氣污染指數(API),該指數的構造原理與AQI類似.從2013年起,我國在部分環境保護重點城市開始發布AQI指數.

由于AQI僅以分指數最高的污染物(即首要污染物)來反映空氣質量狀況,掩蓋了其他共存污染物對空氣質量的影響,而且也難以直接反映空氣污染與健康效應間廣泛存在的線性無閾值關系,加拿大環境保護部和衛生部率先提出了空氣質量健康指數(AQHI)的概念[2],直接將人群流行病學觀察到的多個污染物健康效應指數化.已有研究證實加拿大 AQHI可良好地預測居民的健康水平[3].近年來,已有數個研究探討建立類似的指數形式[4-7].

當前,我國正處于經濟社會的轉型期,大氣污染問題比較突出,亟需以保障人的健康權益為核心,優化現有的空氣質量發布體系.此前本課題組在上海地區的初步研究發現,AQHI預測健康的能力優于現行的 API[8-9].因此,本文擬在全國水平初步建立 AQHI,并比較其與 AQI/API預測健康效應的能力.

1 資料與方法

1.1 資料收集

我國此前大部分城市的空氣質量監測體系通常僅常規監測3個污染物:二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入顆粒物(PM10).空氣污染能夠引起生理學指標改變,醫院就診,甚至死亡等一系列健康效應.在大多數情況下,死亡率數據是最易獲得,也是最穩定的健康效應終點,因而在空氣污染流行病學研究中死亡是最常用的健康指標.因而,本研究考慮以 PM10、SO2、NO2與居民日死亡率的關系為基礎,構建全國AQHI.

綜合考慮污染和健康數據的可及性,本研究以“中國大氣污染健康效應研究(CAPES)”數據庫為基礎[9],構建全國水平的AQHI.擬納入16個城市:鞍山、北京、福州、廣州、杭州、蘭州、南京、上海、沈陽、蘇州、太原、唐山、天津、烏魯木齊、武漢和西安.各城市的研究時期不一致,在2001～2010年之間變化[9].

1.2 方法

1.2.1 時間序列分析 大氣中 PM10、SO2和NO2存在復雜的相關關系.已有人群流行病學研究提示 SO2可能不存在獨立的健康危害,即觀察到的SO2健康效應可能在本質上反映了PM10和NO2的效應[11].若把其健康效應簡單疊加則可能會導致重復計數的問題,因此本研究僅以 PM10和NO2作為空氣質量指示污染物.

首先采用經典的時間序列分析方法估算單個城市的PM10和NO2與我國居民日死亡率的定量關系.時間序列方法的核心統計模型是基于對數線性模型的半參數廣義相加模型,并以準泊松回歸模型(Quasi-Poisson)控制數據的過分散(Overdispersion)問題.在各個城市,應用時間序列模型估算 PM10和NO2與死亡率的暴露反應關系系數,即濃度每增加1μg/m3所導致的超額死亡率[8].

然后,應用貝葉斯層次模型合并16個城市的污染物-死亡關系系數(β),即在全國平均水平求得PM10和NO2污染致居民過早死亡的效應.當估算多個城市大氣污染的平均效應時,貝葉斯層次模型不僅能充分解釋一個城市內部的統計學估計誤差,還能解釋“真實”的相對危險度在城市間的變異性(異質性),已被廣泛應用于大型多中心流行病學研究[12].由于貝葉斯層次模型估計的是合并后平均效應的后驗概率分布,因而本研究所計算的全國平均效應可表達為后驗均值及其95%后驗區間(PI).

1.2.2 構建全國 AQHI 絕大多數的流行病學研究均發現空氣污染短期暴露與人群健康效應的暴露反應關系是近似線性且無閾值的[10-11,13].因而,以時間序列分析中估算的單位污染物濃度增加所導致的超額死亡率為基礎,構建全國水平的AQHI.

以污染物的零濃度為基點,計算各城市在研究期間內每日污染水平造成的超額死亡率[2].公式為:

式中:ERit是污染物i在t天導致的超額死亡率;β是全國平均水平的污染-死亡率暴露反應關系系數值;pi是第i個污染物;乘以100表示超額死亡率為百分比的形式.將每日PM10和NO2導致的每日超額死亡率相加得到各城市逐日的空氣質量相關的超額死亡ERt.

為建立全國統一的 AQHI,需要計算各城市最大日 ERt的加權平均值.以各城市的平均日死亡數作為權重,可以弱化污染水平較高的小城市對 AQHI公式的影響[2].在每一個城市,將每日總ERt乘以 10,再除以研究期間的最大 ERt(加權平均值),可得到一個0～10范圍內變化的簡單指數,即AQHI.

1.2.3 比較 AQHI、API和 AQI預測健康的能力 為檢驗 AQHI預測健康的能力,運用時間序列模型在每個城市估計 AQHI與日死亡率的關系,然后運用貝葉斯層次模型合并多個城市的AQHI-死亡率關系(具體方法同1.2.1節).本文進一步比較了AQHI和API/AQI預測居民日死亡率的能力.根據《環境空氣質量日報技術規定》(總站辦字[2000]026號)[1],計算各城市在研究期間的逐日API.根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633-2012)[14]計算各城市在研究期間的逐日AQI數值.在計算API/AQI時,僅考慮PM10、SO2和NO23種常規污染物.采用時間序列分析方法(如 1.2.1節所述)計算 API、AQI與日死亡率的定量關系.

為檢驗易受空氣質量影響的敏感人群,將各城市的總死亡人數按照性別、年齡和教育程度分層.然后,在各層分別估算AQHI與日死亡率的定量關系.

表1 各城市AQHI、API、和AQI的統計學分布Table 1 The statistical distribution of AQHI, API, and AQI

2 結果

2.1 構建AQHI

各個城市的研究期間在 2001～2010年之間,但限于數據收集的可及性,時間跨度亦不同.由于各城市的人口數不等,各城市間日平均總死亡數的變化范圍為 11～119、心血管系統疾病死亡為6～54、呼吸系統疾病死亡為 1～15.PM10、SO2、NO2年平均濃度分別為 72～156、16～100,23～67μg/m3.這3個污染物之間存在著明顯的相關關系,相關系數在 0.51～0.87不等.各城市詳細研究時期、日死亡數、污染水平、氣象條件等數據信息詳見CAPES文獻[10,13].

運用時間序列分析方法和貝葉斯層次模型,算得在全國平均水平 PM10和 NO2濃度每升高1μg/m3可引起當日居民總死亡率分別升高0.019%(95%PI:0.005%,0.034%)和0.061%(95%PI:0.019%,0.103%).以 PM10和 NO2為指示污染物,大氣污染每日最多能使各城市的總死亡率升高10.3%(福州)～21.1%(北京).以各 CPAES 城市的平均日死亡數對各城市的總超額死亡率進行加權,平均得到在研究期間,每日大氣污染最多能使某城市的總死亡率增加16.4%.

因此,可得到全國水平的AQHI構建公式為:

表1列出了研究期間構建的AQHI、API和AQI的統計學分布狀況.可見,各城市每日 AQHI數值的頻數分布呈“右偏態”,2～5區間的天數最多,其次為 0～2 和 6～10.API和 AQI也有類似“右偏態”的分布特征. AQHI與API的平均spearman相關系數為0.89,AQHI與AQI的平均spearman相關系數為0.92.

2.2 比較AQHI、API和AQI預測健康的能力

將各城市的AQHI、API和AQI數值分別納入時間序列分析模型,結果如表2所示.在全國平均水平,AQHI數值每增加 1,則會引起當日總死亡率分別增加 0.97%(95%PI:0.36%,1.57%)、1.08% (95%PI:0.31%, 1.85%)和1.96% (95%PI:0.86%, 3.07%).相應地,API和AQI每增加一個絕對單位導致的超額死亡率則低得多.考慮到這3種指數的每日相對變異程度不同,以四分位數間距(IQR)為相對計量尺度,AQHI預測居民每日死亡率的能力仍然強于API和AQI. 分層分析發現,不同年齡、性別和教育程度的人群,AQHI與死亡率的關聯度不同.由表3可知,AQHI在女性、老年人和受教育程度較低的人群中與每日死亡率的關聯最強,是易受空氣污染健康危害的敏感人群;而在年輕人和受教育程度較高的人群中,AQHI與日死亡率的關系不具有統計學顯著性.

表2 AQHI、API、AQI每增加1個單位和1個IQR引起我國居民當日總死亡、心血管疾病死亡和呼吸系統疾病死亡增加的百分比(均值和95%后驗置信區間)Table 2 Percentage increase (mean and 95% posterior intervals)of the current-day total, cardiovascular and respiratory mortality associated with a unit and interquartile range increase of AQHI, API, and AQI

表3 在不同年齡、性別和教育程度人群中,空氣質量健康指數每增加1個單位引起當日總死亡率增加的百分比Table 3 Gender-, age- and education-specified percentage increase (mean and 95% posterior intervals)of currentday total mortality associated with a unit increase of air quality health index

3 討論

3.1 AQHI解釋

基于我國迄今為止我國最大的一項大氣污染流行病學研究成果,本文在全國水平初步建立了AQHI.時間序列分析顯示PM10和NO2可能具有獨立的健康危害,因此作為空氣質量的指示物.在我國,PM10主要來源于地面揚塵、工業排放和機動車尾氣,能綜合反映煤煙型和機動車尾氣型的空氣污染特征.NO2除主要來自交通污染外,工業排放亦是其重要來源之一.因而,PM10和 NO2能在相當程度上反映我國大氣污染的特征.在本研究中,為了使AQHI更貼近生活,以當日的空氣污染作為居民的暴露水平,而沒有考慮其滯后多日的健康效應.實際上,由于我國現行的空氣質量日報體系是以前一天12:00至當日12:00的24h濃度的均值作為當日的污染水平,這也自然地體現了污染水平的滯后效應(相當于滯后半天).同時,敏感性分析也發現,與滯后1,2,3d相比,當日的污染水平一般能導致最大的死亡效應[10,13].近來幾項流行病學研究也進一步證實暴露于空氣污染僅幾小時后便可引起健康危害,且在滯后十幾個小時以內的效應最強[15-16].

3.2 AQHI與API/AQI的比較

與 API/AQI相比,AQHI具有以下優點[8]:AQHI直接利用了采納了我國大氣污染與居民健康的暴露反應關系曲線,因此更符合我國的大氣污染和人群健康特征.API/AQI計算時所依賴的分段線性函數節點多參考國家規定的標準限值,但這一限值卻多根源于國外的流行病學研究成果.由于AQHI直接采用了時間序列研究結果,能敏感地反映每日空氣質量短期波動所導致的急性健康效應.與此相反,計算API/AQI時所參考的日均值標準限值,多依賴于年均值和日均值統計學對應關系,而年均值標準的制定則主要來源于美國長達十數年的隊列研究成果[17]. AQHI能較全面地反映空氣質量及其對健康的影響.API/AQI僅以幾個污染物中分指數最大者反映當天的空氣質量,難以反映空氣質量的整體狀況及其對健康影響的全貌. AQHI能反映空氣污染和健康效應之間近乎公認的線性無閾值關系,即理論上任何濃度的空氣污染均能導致健康威脅.從本質上講,API/AQI由于采納了分段線性函數,認為當低于某一數值時(如 50),不存在空氣污染,亦無健康危害.實際上,已有為數不少的流行病學研究仍然在非常低的濃度水平下發現了空氣污染的健康危害[17].為進一步檢驗和比較AQHI預測居民健康效應的能力,將AQHI、API、AQI分別納入時間序列模型.結果發現,AQHI預測居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統疾病死亡率的能力均強于 API和 AQI.因此,AQHI可能是一種優質的健康風險交流工具.

3.3 局限性探討和前景展望

AQHI目前僅在加拿大得到了正式推廣.本文構建的AQHI可能存在以下5點局限性.時間序列分析在本質上屬于生態學研究,因此其結果受到潛在的“生態學謬誤”的影響.本研究僅以 16個城市為基礎試圖構建全國水平的 AQHI,尚不能完全反映我國大氣污染與居民健康效應的特征.雖然死亡是最穩定、最可靠的健康結局,AQHI仍未能全部反映大氣污染的健康危害.近年來研究提示PM2.5和O3可能具有獨立的健康危害,但在研究期間我國尚未開展系統性的監測,因而本文構建的 AQHI僅是一種初步的嘗試.大氣中各個污染物之間存在著復雜的相關關系,盡管有流行病學研究發現PM10和NO2的健康效應估計相對穩健,但它們的健康效應是否存在部分重疊尚未可知.

盡管如此,本文建立的 AQHI仍擁有較好的應用前景.由于 AQHI與健康的關系為線性無閾值的,可將 AQHI的數值區間平均分為 4個級別:0～3 為“低健康風險”; 4～6 為“中健康風險”;7～10為“高健康風險”;10以上為“極高健康風險”.AQHI在 10以上表示該天的空氣污染相關健康風險超過了本研究期間最大日風險的加權平均值(即使日死亡率升高 16.4%).一般人群和敏感人群可根據自身狀況,采取必要的措施,防范大氣污染的健康威脅.為建立在全國水平上有充分代表性的 AQHI,未來可在更多的代表性城市開展大氣污染流行病學研究.強化數據質控,通過嚴格設計的流行病學方法,以期獲得更準確、更具代表性的大氣污染與我國居民的暴露反應關系.考慮到發病是更常見的健康結局,將來可基于大氣污染與醫院每日急診量的定量關系來建立 AQHI.自《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)[18]公布后,我國有越來越多的城市開始常規監測PM2.5、O3和CO.等數據累積到一定的年限后,可考慮基于這些污染物來完善AQHI.

4 結論

4.1 基于我國 16個城市的大氣污染和居民總死亡率的流行病學研究成果,本研究在全國水平初步建立了AQHI.

4.2 AQHI預測居民每日總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統疾病死亡率的強度和精確度優于現行的API和AQI.未來納入各城市PM2.5和O3信息后,具有良好的應用前景.

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