【摘要】：改革開放30多年以來,隨著經濟的飛速發(fā)展和城市化的快速推進,我國業(yè)已成為世界上大氣污染最嚴重的國家之一,引起了人們的廣泛關注。近年來,我國大氣污染逐步呈現出傳統(tǒng)煤煙型與機動車尾氣型污染共存的復合型特征。顆粒物(PM)仍為我國絕大部分城市的首要大氣污染物,但是我國部分地區(qū)霾和光化學煙霧頻繁,區(qū)域性的大氣污染污染問題愈加明顯。然而,我國大氣污染與健康的研究起步較晚,開展得較少,尤其缺乏對多個城市同時開展研究多中心流行病學研究,難以反映我國復合型大氣污染的健康危害特征。在我國當前的大氣污染形勢下,我們亟需回答下面四個問題：(1)各主要大氣污染與居民健康的關系如何?(2)我國哪些人群對大氣污染更易感?在什么季節(jié)更易感?(3)在當前的大氣污染流行病學研究中,傳統(tǒng)的暴露評價方法是否合適?(4)我國當前空氣質量日報體系能否有效地反映大氣污染的健康效應?研究大氣污染與慢性健康效應的最佳方法是隊列研究,能提供最具說服力的病因關聯(lián)證據,但隊列研究不僅耗時長久,還需要花費大量的人力、財力和物力考慮到。盡管發(fā)病比死亡更能敏感地反映大氣污染的健康危害,但死亡數據往往更易得,而且更穩(wěn)定。因此,本課題擬研究我國大氣污染的急性健康效應,而且以死亡作為主要的健康結局。本課題共分為以下四部分研究內容。 第一部分我國城市主要大氣污染物對居民日死亡率的影響 大氣污染與居民健康效應的暴露反應關系是世界衛(wèi)生組織(WHO)等國際組織和各主要國家制修訂環(huán)境空氣質量標準的最重要科學依據。然而,現有的大多數大氣污染流行病學研究都是在發(fā)達國家進行的。因此,WHO基于發(fā)達國家較低污染水平下的流行病學證據制訂的《全球空氣質量指南》(AQG),能否完全照搬于我國,尚存在一定的疑問。WHO根據發(fā)展中國家一般污染水平提出的AQG過渡指標值,也未完全考慮發(fā)展中國家(包括我國)特有的暴露—反應關系。有研究顯示我國大氣顆粒物急性健康效應的暴露反應關系系數較發(fā)達國家為低,且有可能存在閾值。因此,我們亟需在我國開展大規(guī)模的人群流行病學研究加以證實。 我們在17個典型城市開展了大氣污染與居民急性健康效應的流行病學研究,取名為“中國大氣污染與居民健康效應研究”(China Air Pollution and Health Effects Study, CAPES)",系統(tǒng)性地分析了我國主要大氣污染物與城市居民日死亡率的關系。CAPES納入的城市包括鞍山、北京、福州、廣州、杭州、香港、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。從各城市的疾病預防控制中心收集市區(qū)居民每日的非意外總死亡數、心血管疾病死亡數和呼吸系統(tǒng)疾病死亡數。從各城市的環(huán)境監(jiān)測中心收集每日的可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、細顆粒物(PM25)、粗顆粒物(PM25-10)、一氧化碳(CO)、臭氧(03)濃度數據。 我們采用國際認可的兩階段貝葉斯層次模型(Two-stage Bayesian hierarchicalmodels),分別在城市和全國平均水平,定量估計大氣污染對城市居民日死亡率的影響。在第一階段,采用時間序列的方法分析大氣污染與日死亡率的關系。具體來講,核心模型是半泊松分布鏈接的廣義相加模型(GAM)；將日期的自然平滑樣條函數納入模型,以控制控制日死亡數的長期和季節(jié)變化趨勢,并采用偏自相關函數指導自由度的選擇；納入“星期幾”的指示變量,以排除日死亡率在一周內的自然波動趨勢；將平均溫度和相對濕度的自然平滑樣條函數納入模型,以控制氣象因素對大氣污染-日死亡率關系的非線性混雜影響。在第二階段,采用貝葉斯層次模型來合并各個城市的效應估計值,從而在全國平均水平上求得大氣污染的急性健康效應。效應估計值一般表示為污染物濃度每升高10μg/m3引起居民日死亡率增加百分比的后驗均值和95%后驗區(qū)間(PI)。在每個城市還繪制了各污染物與日死亡率的暴露反應關系曲線,并在全國水平上對暴露反應關系曲線進行了合并。以各污染物在當日和前一日濃度的移動均值(1ag01)納入模型。 結果顯示,CAPES城市里PM和SO2污染水平較嚴重,明顯高于發(fā)達國家。各污染物與日死亡率的關系在各個城市不盡相同,存在顯著的異質性。從全國平均水平來看,PM1o每升高10μg/m3引起居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別升高0.35%(95%PI：0.18%,0.52%)、0.44%(95%PI：0.23%,0.64%)、0.44%(95%PI：0.23%,0.64%)；SO2每升高10gg/m3引起居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別升高0.75%(95%PI：0.47%,1.02%)、0.83%(95%PI：0.47%,1.19%)、1.25%(95%PI：0.78%,1.73%)。NO2每升高10μg/m3引起居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別升高1.63%(95%PI：1.09%,2.17%)、1.80%(95%PI：1.00%,2.59%)、2.52%(95%PI：1.44%,3.59%)；PM25每升高10gg/m3引起居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別增加0.40%(95%PI：0.18%,0.61%)、0.47%(95%PI：0.23%,0.72%)、0.46%(95%PI：0.19%,0.74%)；PM2.5-10每升高10μg/m3引起居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別增加0.43%(95%PI：0.07%,0.79%)、0.33%(95%PI：-0.01%,0.67%)、0.58%(95%PI：-0.35%,1.51%)；CO每升高lmg/m3可導致居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別升高2.89%(95%PI：1.68%,4.11%)、4.17%(95%PI：2.66%,5.68%)和2.03%(95%PI：0.49%,4.55%)；03每升高10μg/m3引起居民總死亡率、心血管疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別增加0.32%(95%PI：0.18%,0.46%)、0.52%(95%PI：0.28%,0.76%)、-0.04%(95%PI：-0.41%,0.34%)。除PM2.5外,各污染物與日總死亡率的暴露反應關系系數與發(fā)達國家的研究結果基本一致。PM25與日總死亡率的暴露反應關系系數大致相當于發(fā)達國家的研究結果的一半左右。各城市的暴露反應關系曲線顯示,各污染物與日總死亡率的關系基本呈線性且無閾值。 敏感性分析發(fā)現,各污染物的效應一般在lag01的時候最強,且能滯后3-4日；在雙污染物模型中,PM10、PM2.5、NO2、CO、O3具有獨立的健康效應,而SO2和PM25-10的效應卻失去了統(tǒng)計學顯著性；時間平滑趨勢控制得越嚴,控制的溫度滯后天數越多,各污染物的效應有逐步稍微減弱的趨勢,但基本穩(wěn)定�？傊�,在選擇不同的模型參數時,本研究估計的污染物健康效應變化不大。 第二部分我國大氣污染健康危害的易感因素分析 即便暴露于同一污染水平,人群中不同個體對大氣污染的反應性不同,也就是說人群中可能存在對大氣污染健康危害易感的個體。識別這些潛在易感的個體具有重要的公共衛(wèi)生意義。此外,大氣污染是一種組成極其復雜的混合物,其組分和來源具有一定的時間變異性,而且居民在不同季節(jié)的暴露模式也不完全一樣,因此有理由認為大氣污染的急性健康效應可能存在一定的季節(jié)差異,即居民可能在某些特定的季節(jié)比在其他季節(jié)對大氣污染的健康危害更加敏感。 我們在CAPES城市中,運用與第一部分相同的統(tǒng)計分析方法,比較分析了大氣污染物在不同年齡層、不同性別和不同教育程度人群中對日總死亡率的效應。結果顯示,各污染物在65歲以上老年人中的健康效應要明顯強于在5-64歲的年輕人,且在這兩個年齡層的健康效應具有統(tǒng)計學顯著的差別；各污染物對女性的影響要稍強于男性,但兩者的差異沒有統(tǒng)計學顯著性；各污染物在受教育程度低的人群中的健康效應要強于在受教育程度高的人群中的效應,但差異不具有統(tǒng)計學顯著性。 為便于理解不同地區(qū)污染物健康效應的季節(jié)性特征,將這些城市按照地理緯度分成3個區(qū)域：北部地區(qū)(鞍山、沈陽、北京、唐山、天津、太原、西安、烏魯木齊、蘭州)、中部地區(qū)(南京、杭州、蘇州、上海、武漢)、和南方地區(qū)(福州、廣州、香港)。我們主要以PM10為例分析了大氣污染健康效應的季節(jié)性特征。我們應用兩階段貝葉斯層次模型來估計各污染物和每日死亡率關系的全國均值和地區(qū)均值。在第一階段,分別構建“主效應”模型、“季節(jié)效應”模型和“平滑效應”模型,估計各個城市的污染物急性健康效應。第二階段則是在全國和地區(qū)水平合并各個城市的污染物效應。“主效應”模型假定PM10效應在全年中保持不變,因而不對季節(jié)進行任何調整。“季節(jié)效應”模型允許各個季節(jié)的PM10效應存在差別,但各個季節(jié)內部的效應不變化。“平滑效應”模型通過構建一個年周期函數,允許PM10效應在一年中隨時間平滑地波動。 結果顯示,每日總死亡數和污染水平在各個季節(jié)間存在明顯的變化。一般冬春季的污染水平高于夏秋季,北部城市的污染較中部和南部城市重。根據“主效應”模型分析結果,PM10濃度每升高10μg/m3將導致居民日總死亡率升高0.35%(95%PI：0.13%,0.56%)；這一結果與第一部分的估計結果一致。根據“季節(jié)效應”模型分析結果,夏季和冬季的效應最強,然而春季和秋季則沒有顯著性效應。PM10濃度每升高10μg/m3將使冬季、春季、夏季和秋季的日總死亡率分別升高0.45%(95%PI：0.15%,0.76%),0.17%(95%PI：-0.09%,0.43%),0.55%(95%PI：0.15%,0.96%)和0.25%(95%PI：-0.05%,0.56%)。在南方城市PM10的效應估計值最強,其次為中部城市。北方城市的PM10效應最低,且一般不具有統(tǒng)計學顯著性。應用“平滑效應”模型,描繪PM10每增長10μg/m3導致日死亡率增長的百分比在一年內平滑波動的趨勢圖。我們可以直觀地看出,PM10的效應在一年中存在兩個峰值,即在冬季和夏季的效應最強,這種“雙峰”模式與“季節(jié)效應”模型的結果一致。北部、中部、南部城市均呈現出“冬夏高、春秋低”的季節(jié)性特征,且不受共存氣態(tài)污染物和溫度滯后效應的明顯影響。將效應測量尺度由10μg/m3換成四分位數間距(IQR),也呈現出類似的季節(jié)性特征。SO2和NO2急性健康效應的季節(jié)特征與PM10類似。 第三部分對大氣污染流行病學研究的改進：室內外時間加權的暴露評價方法 在傳統(tǒng)流行病學研究中,暴露評價經常被人詬病的一個原因是以室外大氣固定監(jiān)測站的測量值來代替人群中的個體暴露水平,但是人一天的大部分時間往往都在室內度過。因此,某地區(qū)內室外大氣監(jiān)測站的觀測到的污染物水平,或數個站點的平均水平,難以真實反映某人群中的個體暴露水平。 因此,我們運用數理統(tǒng)計的手段,在考慮了各城市室內外環(huán)境的空氣交換速率、室內PM表面去除率、PM在建筑物表面的穿透效率等因素之后,模擬得到每日PM由室外環(huán)境滲入到室內的濃度值。應用人群的時間地點活動模式等信息,求得人群對環(huán)境PM的室內外加權總暴露值(PM10wtd)。鑒于模擬過程中各參數在部分城市不可獲得,我們設定了一個基礎情景和多個敏感性情景。運用與第一部分相同的統(tǒng)計分析方法,在全國平均水平求得PM10wtd與日死亡率的關系。 結果顯示,模擬得到的PM10wtd濃度要比原始的室外PM10測量水平低30%-60%左右。在基礎情景下,PM10wtd每升高10μg/m3將會導致每日總死亡率升高0.65%(95%PI.0.29%,1.00%)。在各種敏感性分析的情景下,PMlowtd-死亡率的關聯(lián)強度一般是原始PM10-死亡率的2倍左右。而且,無論是基礎情景還是各種敏感性分析情景,效應估計的t值均高于原始PM10-死亡率估計的t值,表明PM10wtd能增強效應估計的統(tǒng)計學把握度。依據Cochran's Q異質性檢驗的結果,所有模擬情景下的Q統(tǒng)計量均明顯低于原始PM1o。這表明盡管異質性仍然顯著(P0.01),但PM10wtd已能使各城市效應的異質性有一定程度的降低。綜上,我們提出的方法能優(yōu)化大氣污染的暴露評價,可以提高時問序列研究中大氣污染急性健康效應估計的強度和精度。 第四部分我國空氣質量健康指數的構建和驗證 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(yōu)化空氣質量管理提供必要的依據。包括我國在內的世界主要國家目前均以空氣質量指數(AQI)或類似的空氣污染指數(API)評價每日的環(huán)境空氣質量。AQI/API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。我國在計算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(tǒng)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。因此我國現行的空氣質量日報體系可能存在重要的缺陷。 有鑒于此,我們直接利用了CAPES研究中大氣污染與日死亡率的暴露反應關系系數,以PM1o+NO2或PM25+NO2為基礎構建我國空氣質量健康指數(AQHI)。計算公式為： PM10AQHI=10/17*100*[exp(0.000154*PM10)-1+exp(0.000664*N02-1], PM2.5AQHI=10/15*100*[exp(0.000172*PM2.5)-1+exp(0.000664*N02-1]. 結果顯示,在全部城市里,AQHI與日死亡率的關聯(lián)強度要大于API/AQI；在上海地區(qū),AQHI預測每日門診、急診和住院率的能力均明顯強于API。因此,本研究提示AQHI預測健康的能力明顯優(yōu)于我國現行的API/AQI。從理論上講,AQHI(1)直接采納了我國大氣污染與居民健康的暴露反應關系曲線,更符合我國的大氣污染和人群健康特征；(2)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；(3)能較全面地反映空氣質量及其對健康的影響；(4)能反映空氣污染和健康效應之間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。因此,我們構建的AQHI是一種有效的大氣污染健康風險交流工具,具有較好的應用前景,可能是對我國現行空氣質量日報和實時報體系的有益補充和改善。 綜上,本研究的主要發(fā)現包括：1)我國城市大氣污染形勢嚴峻,PM和SO2污染較為嚴重；2)我國主要大氣污染物(PM10/PM2.5/SO2/NO2/CO/O3)對居民健康的危害證據充分,與發(fā)達國家的研究結果基本一致：3)SO2和PM25-10可能不具有獨立的急性健康效應；4)各污染物濃度與日死亡率的暴露反應關系曲線基本為線性遞增型,且不存在明顯的閾值；5)我國PM25.與日死亡率的暴露反應關系數低于發(fā)達國家研究結果,大致相當于一半左右；6)老年人、女性和低教育程度的人對大氣污染的急性健康危害尤為敏感；7)我國PM10的急性健康效應呈現冬夏季較強、春秋季較弱的特征,南方城市PM10的健康效應要強于北方；8)在大氣污染流行病學研究中,考慮了在室內暴露源于大氣污染物的部分能明顯增強大氣污染的急性健康效應估計；9)基于時間序列研究成果構建的空氣質量健康指數可能優(yōu)于我國現行的API或AQI,是一種不錯的風險交流工具。以上研究結果可能具有重要的政策意義。
【學位授予單位】：復旦大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：X51
【圖文】：

80-2008年我國機動車保有量、城市化率、GDP和能源消耗總量的變化趨勢圖

復旦大學博士學位論文 近十多年以來，由于一系列環(huán)保措施的有力實施，如工業(yè)結構和布局的調整，能源結構的調整，提高機動車尾氣排放標準以及工業(yè)園區(qū)的綜合治理，我國大污染形勢有了明顯的好轉。如圖2所示，我國大氣中PMio和S02的濃度水平年降低，但是N02污染水平卻變化不大[4]。但從污染物濃度的絕對值及未來面的壓力來看，我國的大氣污染依然形勢嚴峻。大部分城市的PMio濃度仍然維高值，我國仍是世界上大氣污染最嚴重的國家之一。以2008年為例，我國11個環(huán)境保護重點城市的PMio的年平均水平為97^ig/m3，雖然略低于我國現行大氣質量標準（10(Hig/m3),但遠高于世界衛(wèi)生組織（WHO)制定的《全球空質量指導值》（Air Quality Guidelines, AQG) [5]7K平（年平均：20}ig/m3); SO2 平均濃度為48呢/m3，也明顯高于AQG (日平均：20(xg/m3 ,無年平均限值）；N02污染（年平均濃度41|xg/m3),與AQG幾乎一致（年平均：40(xg/m3),但分城市的超標情況也較嚴重。

圖1-1.通過NASA衛(wèi)星數據得到的全球大氣PM2.5濃度大氣中的S02主要來自燃煤、石油等化石燃料的燃燒。近20年來，我國城市大氣中S02的污染水平逐年降低。2010年我國113個重點城市的年平均S02水平已低至41|_ig/m3，地級及其以上城市中S02年平均濃度達到或優(yōu)于國家二級標準（GB 3095-1996)的城市占到94.9%，無劣于三級標準的城市。盡管如此，我國的S02污染水平仍然明顯高于西方發(fā)達國家。S02是水溶性的剌激性氣體，具有強烈的呼吸道刺激作用。近年來也有研究提示S02也能引起心血管系統(tǒng)的損傷。目前世界范圍內有關S02的流行病學研究結果很不一致，尤其是部分研究提示S02的健康危害可能不具有獨立性【26]。大氣環(huán)境中的N02除少量來自自然界氮循環(huán)外，大部分來自于各種礦物燃料的燃燒過程。近年來，我國PMio和S02污染水平均穩(wěn)中有降，但N02水平一直比較穩(wěn)定，甚至在個別城市有所升高。機動車尾氣已成為我國城市大氣NCb污染的主要來源之一，并被認為是與交通來源大氣污染的指示物之一。根據我國環(huán)境狀況公報，2010年我國113個重點城市的\02年平均水平為35^^/1113,所有地級及以上城市均達到國家二級標準（GB 3095-1996)，也均符合WHO2OO5年修訂的NO2

【參考文獻】

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本文編號：2777480