北京地區奧運會期間PM2.5對心腦血管疾病的影響

孫兆彬，陶 燕，崔甍甍，馬小會，張小玲，安興琴，張德山（1.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100089；.京津冀環境氣象預報預警中心，北京 100089；.蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 70000；.北京急救中心，北京 10001；.中國氣象科學研究院，北京 100081；.北京市公共氣象服務中心，北京 100089）

北京地區奧運會期間PM2.5對心腦血管疾病的影響

孫兆彬1，2*，陶 燕3，崔甍甍4，馬小會2，張小玲2，安興琴5，張德山6（1.中國氣象局北京城市氣象研究所，北京100089；2.京津冀環境氣象預報預警中心，北京 100089；3.蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000；4.北京急救中心，北京 100031；5.中國氣象科學研究院，北京 100081；6.北京市公共氣象服務中心，北京 100089）

為了探討2008年奧運會前后減排和限行措施對北京居民心腦血管健康的影響，調查了2006～2010年7～9月的空氣質量狀況及北京急救中心心腦血管疾病日入院人數，采用時間序列方法中的非參數廣義相加模型（GAM），在控制了長期趨勢、“星期幾效應”及氣象因素的影響后，分析了北京 PM2.5濃度與心腦血管疾病日入院人數的暴露-反應關系，并按性別、年份建立了模型.結果表明，PM2.5對心腦血管疾病的影響具有一定的滯后效應，全人群、男性和女性滯后均為0～2d，在2006～2010年7～9月中，2008年3個人群的RR均最小，2009年RR最大.PM2.5日均濃度每增加10μg/m3，2008年男性、女性及全人群日入院人數風險分別增加0.18%、0.07%和0.00%， 2009年男性、女性及全人群日入院人數風險分別增加3.43%、2.10%和2.97%.2008年7～9月采取的相關政策措施對降低了北京地區居民心腦血管疾病的發病風險具有重要作用.

奧運會；時間序列；心腦血管疾病；空氣污染

大量的流行病學研究表明，大氣污染物濃度的升高與人群心腦血管疾病、呼吸系統疾病的發病率的升高關系密切［1-10］，同時年齡、性別、氣象要素等與大氣顆粒物之間存在交互效應［11-13］.隨著工業化和城市化進程的加快，能源消耗的過度增加造成的大氣環境污染問題日益突出，因此，定量評價大氣顆粒物污染的健康危害并進行經濟學評價，對控制大氣污染、保護人民群眾身體健康具有重要意義［14］.近年來北京地區多次出現持續性、嚴重污染天氣，人群具有較高的暴露水平.2008年奧林匹克夏季運動會在北京召開，為了此次重要活動順利開展，從2008年7月1日～2008年9月20日近3個月采取了嚴格的機動車限行制度，超標排放的大型運輸車被禁止上路，北京及周邊地區向大氣中排放污染物的工廠被責令關閉.因此，奧林匹克夏季運動會的召開，為北京提供了一個難得的機遇來評估減排所形成健康效應與減排前后年份健康效應的關系.

由于氣象條件在很大程度上影響著污染物濃度的變化，本研究定義了一個表征空氣污染積累的氣象參數，叫做濕靜穩指數，用濕靜穩指數來說明奧運期間及奧運前后年份近地層氣象要素對污染物濃度的影響.在此基礎上，利用國際上通用的基于時間序列的廣義相加模型（GAM）和危險度評價方法定量評估了2006～2010年7月、8月、9月PM2.5的日均濃度變化與人群心腦血管疾病入院人數之間的關系.

1　資料與方法

1.1資料來源

1.1.1心腦血管疾病數據來源 心腦血管疾病病例資料來源于北京急救中心病案資料，包括2006～2010年7月、8月、9月期間逐日心腦血管疾病病例，依據疾病的分類標準為第十版（ICD-10），具體疾病編碼如下：腦血管疾病，主要包括：急性腦血管病 I67.8，腦出血 I61.9，腦梗死E63.9，蛛網膜下腔出血I60.9，腦卒中I64.X，；心血管疾病，主要包括：心絞痛 I20.9，急性心肌梗死I21.9，冠狀動脈粥樣硬化性心臟病I25.1.

1.1.2大氣環境的監測資料 北京市海淀區寶聯大氣氣溶膠監測站選用美國R&P公司生產的TEOM 1400a顆粒物監測儀來測量PM2.5的質量濃度.TEOM 1400a系列儀器可用于室內、外環境空氣中顆粒物質量濃度的實時測量，通過對進氣口切割頭的控制可以測量不同粒徑顆粒物的質量濃度，如TSP、PM10、PM2.5以及PM1等.TEOM 1400a大氣顆粒物監測儀應用錐管振蕩微天平（TEOM）方法連續測量大氣中顆粒物濃度.寶聯站的PM2.5濃度的監測數據均由專人對每個數據進行質量控制，剔除少量的奇異值，也有專人定期對儀器進行維護.寶聯氣溶膠監測站較早開展了PM2.5等氣溶膠成分的監測，對北京地區PM2.5濃度的變化監測時間較長，同時具有較好的區域代表性［15-16］.

1.1.3氣象數據來源 氣象數據來源于北京市氣象局的北京市2006～2010年7月1日～9月30日均風速（m/s）、相對濕度（%）、平均溫度（℃）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）等.

1.2濕靜穩指數的建立

本研究定義了一個濕靜穩指數（WSS）來表征研究時段內氣象因素對污染物及健康效應的影響，空氣污染物的濃度與氣象要素的關系密切［17-20］，北京三面環山，受太行山及燕山山脈的影響，污染物一旦積聚，在無明顯冷空氣的條件下便較難擴散，在弱氣壓場的影響下，大氣趨于靜穩，此時若相對濕度也隨之增加，大氣中的顆粒物會迅速吸濕增長，同時發生二次反應，北京地區就會出現重污染天氣，所以持續性的小風和高濕是北京地區出現重污染天氣重要局地氣象特征［21-24］.

濕靜穩指數（WSS）被定義為：

1.3GAM模型的建立

1.3.1參數的選取 廣義相加模型（GAM）是對廣義線性模型（GLM）的非參數擴展，適用于處理應變量和眾多解釋變量間過度復雜非線性的關系［25］.GAM 模型通過對部分或全部的解釋變量采用平滑函數的方法建立模型［8，26-27］.它排除了長期趨勢、季節趨勢、日歷效應、氣象因素、污染因素等混雜因素對健康效應終點的影響，將污染物濃度日變化作為因子變量引入模型，分別觀察其對健康效應終點人數的影響.對于總人群來說，日心腦血管疾病的發病屬于小概率事件，分布近似泊松分布［28-29］.

本研究采用半參數廣義相加模型（GAM）具體模型如下：

式中：Yk為的心腦血管疾病入院人數； E（Yk）為的心腦血管疾病入院人數的期望值；β為回歸系數，稱為暴露-反應關系系數；Xk為污染物濃度；s為非參數樣條平滑函數，排除長期趨勢、季節性、日歷效應、氣象等混雜因素的影響；df為自由度；考慮到居民每日心腦血管疾病入院人數的在一周內的有“星期幾效應”顯著性不明確，為排除“星期幾效應”可能帶來的影響，所以引入虛擬函數DOW；time為日歷時間；Zk為某種氣象要素.通過此模型對心腦血管疾病入院人數與日均PM2.5的濃度進行非線性擬合，求得暴露反應關系系數β，從而建立了PM2.5與逐日心腦血管疾病入院人數之間的暴露-反應關系.

1.3.2模型擬合的優度檢驗 赤池信息準則（AIC）是一種用來反映模型擬合數據能力的統計方法，可以對模型進行因子選擇與優度檢驗.根據AIC準則，AIC值越小，模型的擬合優度越好，AIC值最小的模型即為最優模型.

1.3.3相對危險度計算 根據GAM模型估算出暴露-反應關系系數β，計算當PM2.5變化單位濃度時，每日心腦血管疾病入院人數自然對數的相對改變量為相對危險度 RR.本文的單位濃度變化為污染物濃度的四分位間距（IQR）.RR的形式如下：

在此基礎上計算出RR的95%的可信區間（95%CI）［30］為EXP［（β±1.96SE） ·IQR.

污染物濃度每增加 10μg/m3，疾病平均日入院人數變化的百分比為［（10/IQR） · （RR-1）］ · 100%

按照上述原則分不同年份建立模型，估算PM2.5的人群健康影響.利用 AIC準則進行模型擬合優度檢驗，并考察模型的滯后效應.

1.4奧運期間健康效應的對比研究

本文對比分析了 2008年奧運期間（7～9月）與前兩年（2006年、2007年）、后兩年（2009年、2010年）同時期的氣象要素、PM2.5濃度、RR，通過對比減排前后與減排期間年份的人群健康效應，來說明污染物濃度的降低所對應的健康效應的影響.

2　結果

2.1濕靜穩指數與PM2.5之間的關系

PM2.5濃度受排放源、周邊地區輸送、二次氣溶膠生成、氣象條件等多種因素影響，由圖 1可見，濕靜穩指數對 PM2.5濃度變化具有一定的指示意義，當濕靜穩指數增大時，說明大氣低層相對濕度增大，大氣低層的空氣流動性在持續變差，一方面利于顆粒物吸濕增長，另一方面利于污染不斷積聚，所以可以用濕靜穩指數來表征北京地區大氣污染的氣象潛勢，從圖 2（a）可見，2006～2010年7～9月濕靜穩指數的年變化趨勢并不顯著，均處于7～7.5區間之內，從圖2（b）可見，2008年由于奧運會前后的減排作用PM2.5濃度為2006～2010年中的最低值60.6μg/m3.

2.2心腦血管疾病每日入院人數、大氣污染物的濃度及氣象因素頻率分布

圖2　2006～2010年7～9月濕靜穩指數與PM2.5濃度時間序列變化Fig.2 The variation of wet static stability index and PM2.5concentration from July to September during 2006 to 2010

表1　2006～2010年7～9月北京地區心腦血管疾病、PM2.5及氣象因素的描述性統計Table 1 The descriptive statistics of cardiovascular and cerebrovascular diseases， PM2.5and meteorological factors from July to September in 2006～2010

2006～2010年 7～9月北京市 PM2.5日均濃度、主要氣象因子和心腦血管疾病入院人數的描述性統計結果見表 1.平均每天心腦血管疾病入院人數為9例左右.2006～2010年 7～9月平均氣溫為25.01℃，相對濕度為67.2%.

2.32006～2010年7～9月心腦血管疾病與PM2.5的健康效應

從圖3可以看出，2006～2010年7～9月，統計學意義上 PM2.5對心腦血管疾病日入院人數的影響存在一定的滯后效應.北京地區的 PM2.5濃度水平對居民心腦血管疾病存在影響.全人群、男性人群、女性人群的滯后時間為 lag0～lag2.對于3類人群，RR最小值均出現在2008年，男性人群 RR為 1.006（95%置信區間：0.880～1.151），女性人群 RR為 1.003（95%置信區間：0.825～1.218），全人群的 RR僅為 0.973（95%置信區間：0.863～1.096）.

圖3　北京市PM2.5影響不同人群心腦血管疾病日入院人數的相對危險度Fig.3 Relative risks of the associations between PM2.5and hospitalizations for cardiovascular and cerebrovascular diseases in different groups

圖4　不同人群心腦血管疾病日入院人數隨PM2.5增加10μg/m3而增加的風險Fig.4 Increased risks for cardiovascular and cerebrovascular diseases in hospitalizations different groups with increase of 10μg/m3in PM2.5

由圖4可見，當北京地區PM2.5日均濃度增加10μg/m3時，2008年3個人群日入院人數增加的風險分別為男性人群0.18%、女性人群0.07%、全人群近0.00%，而2009年3個人群日入院人數增加的風險達到最大值，分別為男性人群3.43%、女性人群2.10%、全人群2.97%，與2008年相比均出現明顯的上升.

2008年7～9月的減排和限行措施的實施，不但降低了心腦血管疾病的相對危險度，同時降低了PM2.5日均濃度增加10μg/m3時心腦血管疾病日入院人數增加的百分比.

3　討論

3.1對比分析

本研究證實了北京地區PM2.5濃度對心腦血管疾病日入院人數具有影響.經GAM模型分析得知，2006～2010年全人群、男性人群、女性人群的最佳滯后時間均在0～2d.同時，3個人群中2008年在奧運會減排前后的RR值均低于前后2年的數值，由于減排和限行政策的落實，2008年7～9月PM2.5平均濃度僅為60.6μg/m3，為 2006～2010年中的最低值.

以往有大量的研究采用某種疾病的日死亡人數或日入院人數來進行流行病學研究，對于北京這樣的超大城市，外來人口，尤其是外來看病的人口占到了相當大的比例，而如何在GAM模型的建模過程中區分本地患病人群和外地來京就醫人群成為了研究中的難點，如不對兩者進行仔細區分，將增大計算結果中的RR值，產生誤差.本研究中所使用患病人群數據為北京急救中心調度指揮信息數據庫和病案資料，2006～2010年 7月、8月、9月期間逐日心腦血管疾病數據，具有較好的地區代表性，同時既然是急救數據，那么基本可以排除外地病患就醫帶來的計算誤差，所得到的結論也主要基于本地的大氣污染情況和氣象條件得出的.

氣象條件對居民的健康具有較大影響，研究中為了排除氣象條件對結果的影響，在GAM模型的運算中也利用平滑函數對其進行了處理，同時建立了一個濕靜穩指數，用來表征2008年的大氣污染的氣象潛勢，通過分析發現，2008年的氣象條件并未顯著地不同于其他年份，因此氣象條件對2008年RR數值相對較低和PM2.5濃度下降影響較小，2008年7～9月PM2.5濃度的明顯下降應與限行和減排措施地實施關系密切

3.2不確定性分析

本文利用GAM模型建立了2006～2010年7～9月心腦血管疾病的暴露-反應關系，所使用的數據為 120急救中心心腦血管日入院人數資料，因最初急救時效性的需要無法在接治病人的同時獲取詳盡的病人年齡、病史等情況，但針對這一情況，120急救中心采取跟蹤入院后病人病情、記錄入院后醫生再次檢查確診后的結論等方式保證數據質量.

此外由于導致個體發病的外界混雜因素眾多，本文所采用的GAM模型能夠在一定程度上控制過分散效應，但無法完全消除.

本文重點研究了PM2.5心腦血管疾病的健康效應，模型建立過程中排除了氣象因子的影響，但除PM2.5外，PM10、NO2、SO2、O3等污染物也具有顯著的健康效應，本文未針對其他大氣污染物的交互效應開展研究.

由于交通相關空氣污染物的排放高度接近人體呼吸帶，交通環境中的污染物暴露嚴重威脅著公眾的健康.大量流行病學研究顯示，交通相關空氣污染物能對人體心血管系統造成損害［31-32］，而對污染物采取不同的控制策略將會對人群健康效應具有不同的改善［33］，與此同時由于奧運期間限行政策的推出，將會改變北京市民外出時的行為習慣，進而改變 PM2.5的暴露強度和暴露時間［34-37］，與非奧運期間的暴露特征相比，無法定量說明兩者間由于人群出行方式改變導致暴露水平的差別.

由于交通源排放對 PM2.5成分影響較大，人群出行方式的改變、北京全城限行和減排措施地實施會改變交通源的排放強度，從而影響 PM2.5中各化學組分的分布［38-41］.

3.3建議

大氣中的細顆粒物 PM2.5粒徑較小，不受上呼吸道阻擋，可直接進入人體呼吸系統深部甚至血液循環系統中，不易被排出體外，對人體健康的危害嚴重，尤其是對人口密度極大的北京地區，人群暴露水平較高，由此帶來的健康損害和經濟損失給城市中低收入人群帶來更大的壓力.應利用奧運期間氣溶膠質量濃度、數濃度、顆粒物源解析等成果認真評估奧運期間近 3個月的減排和限行措施所對應人群健康效應的變化，評估由于污染物濃度降低所減少的經濟損失.

個體的暴露水平取決于其所處的暴露環境中所吸入的顆粒物濃度.由于減排和限行措施的實施，人群出行的行為模式會發生變化，從而導致人群的暴露水平發生改變，這對人群健康效應將產生怎樣的影響需要仔細研究.

4　結論

4.1北京地區的 PM2.5濃度水平對居民心腦血管疾病存在影響.全人群、男性人群、女性人群的滯后時間為lag0～lag2.對于3類人群，RR最小值均出現在 2008年，男性人群 RR為 1.006 （95%CI：0.880～1.151），女性人群RR為1.003（95% CI：0.825～1.218），全人群的 RR僅為 0.973（95% CI：0.863～1.096）.

4.2北京地區PM2.5日均濃度增加10μg/m3時，2008年3個人群日入院人數增加的風險分別為男性人群 0.18%、女性人群 0.07%、全人群近0.00%，而2009年3個人群日入院人數增加的風險達到最大值，分別為男性人群 3.43%、女性人群2.10%、全人群2.97%，與2008年相比均出現明顯的上升.

4.32008年限行和減排措施的實施，降低了北京市居民的暴露水平，降低了心腦血管疾病的發病風險.

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The effect of PM2.5on cardiovascular and cerebrovascular diseases in Beijing areas during the Olympic Games.

SUN Zhao-bin1，2*， TAO Yan3， CUI Meng-meng4， MA Xiao-hui12， ZHANG Xiao-ling12， AN Xing-qin5， ZHANG De-shan6（1.Institute of Urban Meteorology， China Meteorological Administration， Beijing， Beijing 100089， China；2.Environment Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei， China Meteorological Administration， Beijing 100089， China；3.College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China；4.Beijing Emergency Medical Center， Beijing 100031， China；5.China Meteorological Administration， Beijing 100081， China；6.Beijing Meteorological Service Center， Beijing 100089， China）.

China Environmental Science， 2015，35（11）：3481～3488

To investigate the impact of emission reduction and traffic restrictions measures before and after the 2008 Olympic Games in Beijing on public health， which had cardiovascular and cerebrovascular diseases. Air quality and the hospitalizations of cardiovascular and cerebrovascular diseases from Beijing Emergency Medical Center were collected from July to September during 2006～2010 in this paper. Using time series method of nonparametric generalized additive model （GAM） by controlling the long-term trend， "week effect"， the influence of meteorological factors， to establish the relationship between the concentrations of PM2.5and hospitalizations including gender and years stratification. There is significantly associations between PM2.5and different cardiovascular and cerebrovascular disease with a lag of 0～2d. From July to September during 2006 to 2010， the relative risks （RR） of different groups are least in 2008 and are largest in 2009. Increases of 0.0%， 0.18% and 0.07% in 2008， 3.43%、2.10% and 2.97% in 2009 for total， male and female cardiovascular and cerebrovascular diseases hospitalizations were associated with increase of 10μg/m3in PM2.5. In addition， it is very important for reducing the risk of cardiovascular and cerebrovascular diseases in Beijing by taking the related measures during the Olympic Game in 2008.

Olympic Games；time series；cardiovascular and cerebrovascular diseases；air pollution

X503.1

A

1000-6923（2015）11-3481-08

2015-03-14

國家科技支撐科研專項（2014BAC23B01）；北京市氣象局科技項目（BMBKJ201403007；BMBKJ201402005）；國家自然科學基金（41075102）.

* 責任作者， 工程師， szb850804@163.com

孫兆彬（1985-），男，黑龍江黑河市人，工程師，碩士，主要從事大氣污染對人體健康影響評估與重污染天氣形成機制的研究.發表論文14篇.