寧波地區(qū)氣象因素與大氣污染對呼吸系統(tǒng)死亡率影響分析*

胡曉 俞科愛 張國超 林陳爽 蔣飛燕 徐璐

(1.寧波市鎮(zhèn)海區(qū)氣象局，浙江 寧波 315202；2.寧波市北侖區(qū)氣象局，浙江 寧波 315806)

0 引 言

隨著工業(yè)化、城市化的迅速發(fā)展，國內(nèi)各大城市在近些年頻繁遭受灰霾污染影響[1]，灰霾的頻繁發(fā)生不但對氣候、環(huán)境等產(chǎn)生重大影響，而且對人的身體健康帶來嚴重危害[2]，“環(huán)境—氣象—健康”一直是世界各國衛(wèi)生學家、環(huán)保學家和氣象學家十分關心的問題，環(huán)境空氣質(zhì)量的好壞，對整個生態(tài)系統(tǒng)和人類健康有直接的影響[3]。大氣污染物對人群健康影響包括長期暴露產(chǎn)生的慢性效應和短期暴露產(chǎn)生的急性效應[4]，可吸入顆粒物(PM10)，細顆粒物(PM2.5)、SO2和NO2與人群健康效應結局的流行病學聯(lián)系最為密切[5]，短期暴露高濃度大氣污染物，將對人體健康造成不利影響，表現(xiàn)為人群超額死亡的增加，因呼吸系統(tǒng)疾病和循環(huán)系統(tǒng)疾病門診或急診就診人次的增加，住院人次的增加等[6]。大量研究證實了大氣顆粒物對呼吸、循環(huán)等多個系統(tǒng)健康有損害[7-9]，因此近年來大氣顆粒物污染與人群死亡變化的關系已成為國際環(huán)境流行病學研究的熱點之一[8]。而氣象環(huán)境與人體健康研究是多學科交叉合作研究的新領域，氣象因子、空氣污染等多因素間聯(lián)合所起的作用可能是相加、協(xié)同或拮抗作用，因此研究多種氣象因素間的復合作用對健康效應的影響具有更加現(xiàn)實的意義。有的學者利用天氣、氣候因子作為潛在變化因子，并用天氣模型估算每日死亡率和顆粒污染物之間的反應關系[10-11]；天津[12]和武漢[13]的氣溫與PM10間存在相互作用，由此引發(fā)的呼吸系統(tǒng)疾病死亡率在氣溫較高時表現(xiàn)更為明顯；上海地區(qū)[14]極端低溫同大氣污染與每日死亡率有較好的相關。通過上述分析說明氣象因素、空氣污染與居民死亡率有相應的內(nèi)在聯(lián)系，因此探討多項氣象要素及其對污染物濃度變化作用和對居民健康的影響具有非常現(xiàn)實的意義。

2012—2013年，我國中東部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)嚴重霾污染天氣[15-17]，特別是2013年12月2—14日的重度霾事件，天津、河北、山東、江蘇、安徽、河南、浙江、上海等多地空氣質(zhì)量指數(shù)達到嚴重污染級別，嚴重霾污染天氣對城市的各項經(jīng)濟活動和居民生活帶來顯著影響，也給人體身體健康造成嚴重威脅。利用2012—2013年寧波地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)、污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)和人口死亡數(shù)據(jù)對大氣污染與居民健康的影響情況進行分析，可以為了解寧波地區(qū)大氣污染對居民健康的影響情況，采取相應措施減少其對人群健康的危害提供參考。

1 資料來源

氣象資料來源于2012—2013年寧波鄞州國家氣象站逐日平均氣溫、日平均相對濕度、日平均氣壓、日平均風速和日降水量等氣象因素。

污染物濃度監(jiān)測資料來自寧波市環(huán)境監(jiān)測中心國控點實測資料，監(jiān)測的大氣污染物包括PM10、PM2.5、SO2、NO2逐日平均濃度。

呼吸系統(tǒng)每日人口死亡數(shù)據(jù)由寧波市疾病控制中心提供。

2 結果分析

2.1 寧波地區(qū)2012—2013空氣質(zhì)量

根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的中華人民共和國國家環(huán)境保護標準HJ633—2012中環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)，將空氣污染指數(shù)AQI分為6級，AQI≤50，空氣等級為1級，空氣質(zhì)量優(yōu)；51300，空氣等級為6級，嚴重污染。從表1中可以看出從2012年到2013年，AQI優(yōu)、良的日數(shù)共占80.6%，2013年輕度污染以上日數(shù)呈較明顯的上升趨勢，3級以上污染天氣明顯增多(比2012年增加了32 d)，并且首次出現(xiàn)3 d6級嚴重污染天氣。

表1 2012—2013年寧波各等級空氣質(zhì)量統(tǒng)計表

圖1是2012—2013年寧波地區(qū)AQI的逐月分布圖。從圖1中可以看出，AQI具有明顯的月變化特征。11月、12月和1月AQI明顯偏高，是污染集中出現(xiàn)的月份；6—8月AQI明顯下降到60以下，優(yōu)質(zhì)空氣日數(shù)占到該月的2/3，總體呈現(xiàn)出秋冬季差、夏季好的明顯季節(jié)特征。

圖1 2012—2013年寧波AQI逐月分布圖

同樣，根據(jù)HJ633—2012中劃定的標準，將2012—2013年寧波月均及年均污染物濃度列入表2。從年際變化來看，2013年污染程度較2012年更重一些，從月均污染物濃度變化來看，2012年11月PM10最高119 μg·m-3；PM2.5最高79 μg·m-3。2013年12月PM10平均濃度高達192 μg·m-3，PM2.5平均濃度133 μg·m-3，達到國家四級標準。從月際變化來看，秋冬季(11月—次年1月)除O3以外，污染物平均濃度最高時段，這一特征與杭州基本一致[18]，分析原因主要是秋冬季寒冷，混合層高度低易出現(xiàn)逆溫天氣，大氣擴散能力差，以及冷空氣活動頻繁，容易攜帶污染物南下等共同原因所至。

表2 2012—2013年寧波市各月平均污染物濃度 μg·m-3

2.2 大氣污染物濃度與氣象要素相關性分析

某一城市的污染情況通常受兩方面因素的影響：一是污染源的分布和排放情況，二是氣象要素即大氣擴散污染物的能力[19]。由于重污染天氣中污染物主要集中在邊界層內(nèi)，除了受大尺度環(huán)流背景場影響外，低空的風、溫、壓、濕等氣象因素也很重要[20]。2012—2013年寧波污染天氣中，首要污染物111 d為細顆粒物(PM2.5)占污染日數(shù)的78.2%，12 d為可吸入顆粒物(PM10)，19 d為O3，這說明寧波地區(qū)的污染物中以細顆粒污染為主。為分析寧波市污染日的地面氣象要素，對比分析空氣質(zhì)量達標日(589 d)和污染日(142 d)地面氣象要素特征。

表3為污染日和達標日地面氣象要素統(tǒng)計數(shù)據(jù)。分析可知，5個氣象要素在污染日和非污染日均有明顯差異，其中差異最大的是雨日頻率，污染日雨日頻率僅17.6%，而非污染日雨日頻率為44.8%，說明降水對于污染物的沖刷和清除有非常明顯的作用；其次氣溫、氣壓、相對濕度和風速。污染日較非污染日平均氣溫低6.5 ℃，氣壓高6.1 hPa，分析原因，主要是因為污染日普遍發(fā)生在氣溫較低、冷空氣活動頻繁的秋冬季所致；另外污染日平均風速比非污染日低0.6 m/s，風速越大越有利于污染物的擴散，相應的污染物濃度越低；由于非污染日雨日偏多，因此相對濕度也較污染日高7%。

表3 污染日和非污染日地面氣象要素統(tǒng)計

2.3 環(huán)境氣象因素與呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)相關性分析

2.3.1 特征分析

近年來，呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率和死亡率呈明顯上升趨勢，呼吸系統(tǒng)疾病多發(fā)于冬、春兩季，分別因病毒或細菌引發(fā)，主要包括哮喘、肺炎、過敏性鼻炎、濕疹、感冒、支氣管炎等[21]。特別是寧波地區(qū)污染天氣又以細顆粒污染為主，空氣中可吸入的PM10和更小PM2.5，能夠穿透肺泡參與血氣交換，其本身伴有有毒重金屬元素、多環(huán)芳烴類化合物，甚至病毒和細菌等有毒有害物質(zhì)，可被血液和人體組織吸收，對人體健康和大氣環(huán)境的危害最大[22]。圖2分別為2012、2013年寧波地區(qū)PM2.5及呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)隨時間變化趨勢，由圖可見，研究期間寧波地區(qū)呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)的時間分布呈季節(jié)性波動，夏季降低，秋冬春季升高，特別是春季對應呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)的高值區(qū)。同樣，PM2.5的時間分布呈現(xiàn)出一致的季節(jié)性波動特征，夏季PM2.5相對較低，秋季濃度逐漸升高，冬春季為PM2.5濃度的高值時間段，特別是2013年冬季PM2.5濃度最高值達422 μg·m-3。

進一步對2012—2013年各季節(jié)呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)進行統(tǒng)計，各季的死亡人數(shù)分別為：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，冬季呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)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氣活動，氣溫低，同時冷空氣輸送或天氣靜穩(wěn)時均容易帶來污染天氣，造成空氣中顆粒物濃度增高，呼吸系統(tǒng)疾病多發(fā)，死亡人數(shù)增加。春季冷暖空氣均較活躍，冷空氣活動仍會造成顆粒物輸送，同時由于氣溫起伏，容易造成人體免疫力下降，引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病。夏季里氣溫高、濕度大、空氣質(zhì)量較好，因此呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)最少。

(a：2012，b：2013)圖2 2012—2013年寧波PM2.5及呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)的時間變化趨勢

2.3.2 相關性分析

通過分析各氣象要素，包括氣壓、氣溫、相對濕度、平均風速、降水量與細顆粒物濃度和呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)的相關性可以發(fā)現(xiàn)(表4)：呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)與氣壓、PM10和PM2.5存在著明顯的正相關(r為0.513、0.243、0.243，P<0.01)，說明當顆粒物濃度升高時，呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)相應增加，呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)與氣溫呈負相關(r為-0.416，P<0.01)，說明氣溫下降，呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)相應增加，特別冬季多冷空氣活動，氣溫下降、顆粒物濃度升高，對應呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)最多。PM2.5與PM10、氣壓之間存在著明顯的正相關(r分別為0.952、0.513、P<0.01)，顆粒物吸濕增長為氣態(tài)污染物提供非均相轉化載體，促進細顆粒物的生成，進一步降低大氣能見度[23]；PM2.5與氣溫和降水呈負相關(r分別為-0.605、-0.175，P<0.01)，風速的增大以及降水都是有利顆粒物擴散及清除的氣象條件。PM10與氣壓存在著明顯的正相關(r為0.423，P<0.01)，與氣溫、風速、降水和相對濕度呈負相關(r分別為-0413、-0.271、-0.221、-0.294，P<0.01)。

表4 寧波地區(qū)2012—2013年呼吸系統(tǒng)疾病日死亡人數(shù)與各污染物日均濃度、氣象因素的相關性分析

考慮空氣污染、氣象等暴露因素的健康效應均有一定的持續(xù)性和滯后性[24-25]，以及人體對外界環(huán)境發(fā)生變化做出生理反應的響應時間存在差異，選取與呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)相關性最高的氣溫、氣壓PM2.5及PM10做進一步分析，對2012—2013年間寧波市呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)做以下處理[26]：

其中N(i)為考慮到人體響應時間差異的第i天寧波市呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)，n(i-1)，n(i)，n(i+1)分別為實際統(tǒng)計得到的第i-1天，第i天，第i+1天寧波市呼吸系統(tǒng)疾病的死亡人數(shù)。

(a：氣溫；b：氣壓)圖3 不同氣象要素與不同滯后時間下寧波呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)的相關關系

圖3分別為氣溫和氣壓與同期及滯后1～10 d寧波呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)的相關情況，可以看出，在夏季呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)與氣溫的相關性弱，這是由于夏季的平均氣溫較高；春季的負相關性最強，且對氣溫的響應存在滯后性，最佳滯后時間為5 d；秋冬季節(jié)呼吸系統(tǒng)疾病的死亡人數(shù)對氣溫變化響應較快，秋季最佳滯后時間為2 d，冬季為3 d，說明當氣溫下降，2～3 d后呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)就會有上升。同樣，呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)與氣壓的相關性在夏季很弱，春季最強，秋冬季居中，這與春夏季平均氣壓相差較大有關。同時分析呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)對氣壓響應也存在滯后性，春季最佳滯后時間為4 d，秋季為3 d；冬季和夏季表現(xiàn)出雙峰結構，第一峰值分別出現(xiàn)在第2 d和第3 d，第二峰值均出現(xiàn)在第8 d。

(a：PM2.5；b：PM10)圖4 不同顆粒物濃度與不同滯后時間下寧波呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)的相關關系

圖4為PM2.5和PM10與同期及滯后1～10 d寧波呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)的相關情況，可以看出，呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)對PM2.5在秋季相關性最大，滯后性上看也表現(xiàn)出雙峰結構，分別在1 d和8 d相關系數(shù)出現(xiàn)峰值，在冬季，呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)對PM2.5同樣呈現(xiàn)正的相關性，從第3天開始。隨著滯后天數(shù)增加，相關性逐漸增大，最佳滯后時間為9 d；春季和夏季的相關性較小。PM10與呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)的相關情況和PM2.5的情況十分相似，秋季相關性最大，冬季次之，春秋季相關性較弱。

3 結 語

1)2012—2013年寧波環(huán)境空氣質(zhì)量達標天數(shù)為589 d，占80.6%，污染天氣為142 d，其中111 d首要污染物為細顆粒物(PM2.5)，占污染日數(shù)的78.2%。AQI表現(xiàn)為秋冬差、夏季好的明顯季節(jié)特征。

2)氣象要素在污染日和非污染日均有明顯差異，差異最大的是雨日頻率，污染日雨日頻率僅17.6%，而非污染日雨日頻率為44.8%。

3)2012—2013年寧波地區(qū)呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)的時間分布呈季節(jié)性波動，夏季降低，秋冬春季升高。冬季呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)最高，日均22.45人，其次是春季日均16.56人。呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)與氣壓、PM10和PM2.5存在著明顯的正相關，氣溫呈負相關，呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)對氣溫響應存在滯后性，秋冬季呼吸系統(tǒng)疾病死亡人數(shù)對氣溫變化的響應較快，滯后時間為2～3 d，在秋冬季顆粒物濃度與呼吸系統(tǒng)死亡人數(shù)的相關性較大，有8～9 d的滯后效應，春夏季相關性較小。

4)本文對氣象因素、大氣污染對呼吸系統(tǒng)死亡率影響展開分析，得到了一些結論，但由于氣象因子、空氣污染等因素對人體健康所起的作用是非常復雜的，這些作用可能是相加的、協(xié)同的。而在今后的工作中還將就以下幾方面加強分析：1)文中僅對氣象、大氣污染與呼吸系統(tǒng)死亡率進行分析，但污染天氣過程也可能涵蓋其他的健康效應結局，如心血管系統(tǒng)等等；2)污染天氣過程對人群健康的影響存在滯后效應和累計效應，在對滯后效應進行分析的基礎上還可對累計效應展開研究；3)空氣污染對不同年齡組的影響結果不同，兒童和老年人最容易受到惡化的空氣質(zhì)量的傷害，因此空氣污染對不同人群的健康效應還需進一步細化分析。