基于贝叶斯回归分析的城市温度与死亡人数变化研究

基于贝叶斯回归分析的城市温度与死亡人数变化研究

气候因素直接或间接影响健康，气候条件对人类的死亡率有显著影响。夏连博等人研究了温度对上海居民死亡的影响。结果表明，发病率年变曲线与气温变化曲线一致，表明死亡率变化与气温变化密切相关。目前,气候变化对人群健康造成的影响主要是负面的,其中对传染病传播的影响较明显,气候变化导致的极端气候事件如热浪,可直接导致心血管和呼吸道疾病患者的死亡。在全球气候变化的环境下,高温热浪已经成为气候变暖导致的主要极端气候事件之一,并且将会频繁出现,其产生的热效应可对人群健康产生直接影响。另外,由于城市特定的下垫面类型以及稠密的人口,高温必会造成“热岛效应”,而城市的建筑群结构致使高温持续较长时间,因此,高温热浪将对城市居民的健康产生非常严重的影响。这种负面的影响也越来越受到卫生部门和研究机构的重视。本文所采用的环境温度是综合了气温和相对湿度的一项综合气象指标,因为人体对于外界温度的感受除了温度高低外,还与所处环境的湿度有关,较高的湿度会影响人体的散热,因此,同样的温度值时,较高相对湿度的热效应会高于较低相对湿度的热效应。由于环境温度的升高,每年有大量的人住院或死亡。夏季时由于城市热岛效应的影响,城市的热指数(气温和相对湿度的综合指标)会明显升高,致使生活在城市的人群暴露于较高的环境温度下,可能增加热相关死亡的危险。本研究的主要目的是分析我国不同地理位置的城市人群日死亡人数变化与环境温度之间的关系,确定不同城市最低死亡危险的阈值温度,同时,针对气候变暖所导致的高温热浪频繁出现,分析当环境温度高于阈值温度时死亡人数变化的百分数,为相关卫生或气象部门的预防预报提供科学依据。1对象和方法1.1典型城市的地理位置选定的研究地区为我国不同地理位置的5个城市,分别为年平均气温较低的东北城市哈尔滨市(包括所有的区)、典型的北方城市北京市(朝阳区)、内陆城市同时也是山城和有“火炉城市”之称的重庆市(渝中区)、中部沿海城市福州市(仓山区,台江区和鼓楼区)以及南方亚热带沿海城市汕头市(金平区),图1显示的是所选的这5个城市的地理位置。1.2死亡数据的时间序列在不同城市分别收集全死因的死因监测数据,数据来源于各城市的疾病预防控制中心。哈尔滨市、北京市朝阳区、重庆市渝中区、福州市3个区及汕头市金平区的死亡数据时间范围分别为2004-2008年、1998-2008年、2002-2008年、2004-2007和2005-2007年。将原始死亡数据进行审核并整理成逐日死亡人数的时间序列格式,包括全死因和不同死因别的日死亡人数。其中,汕头市的死因数据没有死因代码,研究中未对汕头市的不同疾病死因别各项指标进行分析。1.3湿度和温度对应各城市的死因数据,从中国气象数据共享服务网收集各城市同时段的气象数据,分析的数据变量包括日平均气温和相对湿度,并由这2项气象指标计算出每日的环境温度。环境温度是综合空气温度和露点温度的一个综合温度指标,按下式进行计算:AT=-2.653+0.994×Tm+0.0153×Dew2。其中,AT是环境温度,Tm是日平均气温,Dew是露点温度。1.4阈值的迭代和确定大多数研究发现日死亡人数和温度变化之间大致呈V、U或J型关系,即存在一个温度阈值使得死亡危险达到最低。研究应用R软件中的分段回归软件包对不同城市的数据分别进行分段回归,运用最大似然法进行迭代,用日死亡人数的对数对应环境温度的散点图来确定迭代算法中的阈值温度初始值,同时根据贝叶斯信息准则(bayesinformationcriterion,BIC)确定各城市的环境温度阈值。反应变量和指示变量之间可以建立如下模型:E[Y]=β1AT+β2(AT-Ψ)+,其中E[Y]表示日死亡人数的期望值,AT代表指示变量(环境温度),β1、β2分别为分段回归的系数,当环境温度高于阈值温度时,(AT-Ψ)+=AT-Ψ,当环境温度低于阈值温度时,(AT-Ψ)+=-AT+Ψ。2结果2.1个城市的日平均气温、全死因日死亡人数分布表1显示了5个城市的地理位置参数及研究数据年限。表2显示了5个城市全年及暖季(5～9月)气象指标及死亡指标的描述性分析结果。从全年来看,5个城市的日平均气温最低为5.89℃,最高为26.35℃,环境温度最低的为6.39℃,最高的为30.95℃。全死因日死亡人数最低为6.69人,最多为56.21人。暖季的日平均气温最低为19.99℃,最高为31.16℃,环境温度最低为20.09℃,最高为39.02℃,全死因日死亡人数最低为6.42人,最多为52.83人。2.25不同性别死亡的阈值温度比较图2显示的是北京市全死因日死亡人数对数对环境温度的散点图及分别进行迭代后所显示的分段拟合回归直线(其他城市及各死因别的图形结果由于个数较多,在此未一一给出),根据散点图可以认为有一个环境温度点使得日死亡人数的对数值达到最低,即阈值温度,不同城市数据分布差异较大,阈值温度也各异。表3显示的是5个城市全死因及不同死因别所对应的阈值温度,以及当环境温度高于阈值温度时每升高1℃时死亡人数增加的百分比。北京市朝阳区的阈值温度范围为20.21～29.88℃,其中女性的阈值温度高于男性,环境温度超出阈值温度时,女性的日死亡人数增加也高于男性,为2.30%(1.16%～3.46%),而男性为0.73%(0.06%～1.41%);65岁以上与65岁以下(包括65岁)年龄组的阈值温度相差不大,并且65岁以上年龄组的阈值温度低于65岁以下年龄组;心血管疾病死亡所对应的阈值温度达29.88℃,其在环境温度超过阈值时死亡人数增加的百分比也高于其他死因别死亡对应的百分比增加值,为2.44%(0.62%～4.30%)。同属于北方城市的哈尔滨,由于处于东北地区,年平均气温较低,其全死因及各死因别死亡所对应的阈值温度分别低于北京市各项阈值温度(差异有统计学意义,P=0.027)。重庆市虽然被称为四大“火炉城市”之一,夏季的气温比较高,但由于是典型的山城,有独特的气候条件,其各项死因死亡所对应的阈值温度也不高,但不同的死因别死亡阈值温度明显不同,其中65岁以下(包括65岁)年龄组的阈值温度达到34.71℃,呼吸系统疾病死亡对应的阈值温度达到28.73℃。福州和汕头均属于较暖地区,福州的各项死因死亡指标对应的阈值温度都超过了34℃,汕头的各阈值温度也达到30℃左右,相对于福州市,汕头市的阈值温度整体偏低(差异有统计学意义,P=0.002),这可能和这两个城市的地理位置关系有关,汕头市地处南方沿海,虽然纬度低于福州市,但易受夏季海洋季风影响,使其高温不会持续较长时间,从而使死亡危险的阈值降低。3影响因素的分析结果,有以下几种本研究分析了我国不同地理位置5个城市的综合气象指标环境温度与日死亡人数变化之间的关系,根据日死亡人数的对数,对环境温度的散点图确定迭代算法的阈值温度初始值,对日死亡人数的时间序列拟合广义线性模型,连接函数为对数函数,对拟合后的广义线性模型用初始阈值温度值进行分段回归和迭代,当最终的阈值温度趋于稳定,根据BIC信息准则确定最优的阈值。本研究所确定的阈值温度即为最低死亡危险时所对应的温度值。根据不同的研究,气温与死亡率变化之间的关系为非线性关系,即存在某个温度值或范围使死亡率达到最低,当温度由该温度值或范围逐渐降低或升高时,其对应的死亡率也随着升高,表现出V、U或J型关系,其中以V和U型关系居多,J型关系主要表现在某些特定死因别的温度与死亡率变化关系中。本研究根据这种非线性关系,利用分段回归迭代算法,将最低死亡危险时对应的温度值定量地计算出来。研究确定了5个城市全死因及不同死因别死亡危险所对应的阈值温度,同时针对全球气候变暖所导致高温热浪的频繁出现,只对暖季分析了当环境温度高于阈值温度时死亡人数变化的百分比,但在研究过程中未对环境温度的滞后影响进行分析,只对当日环境温度的影响(即滞后0天的环境温度影响)进行了分析,研究所得出的结果与各地的气象条件相符合,但由于部分城市的不同死因别数据量较少,可能导致分析结果有一定偏差。本研究结论显示,对于全死因及不同死因别死亡危险,其环境温度的阈值温度由于地理位置及气候环境的不同而有差异,有大量的研究已经分析了不同地区的最低死亡温度(指与最低逐日全死因死亡率相对应的温度,即此温度下全死因死亡率最低,最适合人类生存,又称最适温度,在此温度两侧,全死因死亡率随着气温的变冷或变热而增加),这些研究显示不同地区或国家的最低死亡温度不同,西班牙瓦伦西亚的最低死亡温度范围为22～25℃,英国伦敦的最低死亡温度则为19℃,荷兰的最低死亡温度仅为16.5℃。欧洲的研究显示,较温暖地区的最低死亡温度较高,而且趋于该地温度的上限。美国的研究显示,最低死亡温度一般随着地区所处纬度的增高而降低,本研究中的环境温度阈值也是这种趋势。北京市和哈尔滨市的环境温度阈值相差不大,其在环境温度高于阈值时每升高1℃死亡率增加的百分比也比较接近。中部城市重庆的阈值温度在30℃左右,但当环境温度高于阈值时其死亡率增加的百分比却相对较低,这可能是因为重庆市曾经是温度较高的城市,但最近几年由于三峡大坝的建立,其气候有很大改变。福州市和汕头市都是南方沿海城市,其纬度都较其他几个城市低,而且容易受热带风暴影响,所以其阈值温度相对较高,而且当环境温度高于阈值时死亡率增加的百分比也相对较大。其中汕头市的纬度低于福州市,但其环境温度阈值高于福州市,可能是由于汕头市相对于福州市更容易受台风或海洋季风的影响,较少出现延续时间较长的高温天气。另外,不同地区的环境温度阈值不同,可能与不同地理气候条件下人群的生理适应和行为适应有关。人群长期处于某一类型的气候条件下会对其产生适应性,但是人对气象条件的适应能力也是有一定限度的,当环境温度高于或低于某温度范围或阈值时,遭遇过热或过冷刺激,机体的热平衡调节机制被打乱时,都会加重机体生理性体温调节的负担,导致不适、疾病加重甚至死亡,气温等还会影响到人们反应时间和反应速度,从而影响到人们的工作效率和导致事故(工伤及交通)的发生。总之,当环境温度高于或低于阈值时,死亡危险都会有所上升。在全球变暖的大环境下,气候变化对人类最主要的影响就是极端高温产生的热效应,即产生的热浪天气过程,由于热浪的频率和程度在不断地增加,儿童、老年人、体弱者等易感人群以及高血压、冠心病、脑血管疾病等慢性疾病患者极易受到影响,炎热的应激反应使体温调节系统处于“超负荷”状态,感受热压迫会影响健康;对于病人,会使原已受损的系统、组织、器官负荷增加,功能不济,往往导致病情加重甚至死亡。因此,随着全球变暖的不断加剧,更应该关注环境温度高于阈值时带来的死亡危险性。相关卫生部门或气象预报中心应根据不同的阈值温度和环境温度变化对死亡危险的影响程度制定相应的预防措施和预警策略,以降低易感人群在环境温度超过阈值时的死