氣溫與臭氧協同作用對COPD住院人數的影響

付桂琴,田亞芹,張成偉

氣溫與臭氧協同作用對COPD住院人數的影響

付桂琴*,田亞芹,張成偉

(河北省氣象服務中心,河北省氣象與生態環境重點實驗室,河北 石家莊 050021)

為評價氣溫與臭氧(O3)協同作用對慢性阻塞性肺病(COPD)住院人數的影響,采用廣義相加模型(GAM)、平滑曲線閾值效應和飽和效應方法,在控制了時間序列長期趨勢、季節效應、節假日效應和相對濕度、污染物PM2.5、SO2、NO2濃度混雜因素的影響后,分析了2013~2016年石家莊市氣溫與O3協同作用對COPD住院人數影響的暴露-反應關系,并考慮了不同年齡、性別的分人群效應.結果表明,日平均氣溫的閾值為0.3,19℃,O3的分層臨界值100μg/m3;當O33100mg/m3時,隨著氣溫每上升1℃,COPD日均住院人數增加的相對危險度1.042 (95%:1.020, 1.065),并且在319℃時其效應值最大,為1.084 (95%:1.048, 1.121).較高氣溫、高O3污染環境對COPD疾病人群的影響存在協同加強效應,且對老年人影響更敏感,而男女性別上沒有顯著差異.

慢性阻塞性肺病(COPD)；氣溫和臭氧；協同作用；廣義相加模型(GAM)

國內外流行病學研究發現,除細顆粒物PM2.5污染對人體健康不利外,臭氧(O3)污染與呼吸系統疾病發病率和死亡率增加有關[1-4].O3污染會造成呼吸系統的感染及損害,全球每年因O3污染引起的過早死高達70000人[5].Tao等[6]研究珠江三角洲O3污染的急性影響發現,O3濃度每增加10mg/m3,總死亡率將增加0.81%,對呼吸系統死亡率的影響更強.胡悅等[7]研究大氣O3濃度與居民急救關系發現,O3濃度每升高10mg/m3,居民因呼吸系統疾病急救人次增加1.21%.

與此同時,全球氣候變暖,極端天氣事件增多,天氣氣候變化對人體健康產生的影響受到人們高度關注[8-11].大量研究表明,氣溫與呼吸疾病發病率或死亡率呈“J”型或“U”型關系[12-14],當溫度超過了人體的承受極限(閾值溫度)時,容易導致疾病的發生或加重,甚至死亡[15].

氣溫和臭氧都與呼吸系統疾病有關,但以往研究氣溫對呼吸系統疾病的影響時,往往把大氣污染物作為混雜因素加以排除,而在研究污染物對呼吸系統疾病的影響時,又把氣溫作為混雜因素來考慮[16].事實上,氣象條件與大氣污染存在著一定的關聯,尤其是O3濃度和溫度存在顯著的正相關,且在不同的溫度范圍,O3表現出不同的增長速率[17].氣溫與O3對呼吸系統疾病影響的協同效應值得關注.本文選擇O3污染和夏季高溫相對集中的石家莊,利用2013~2016年石家莊市慢性阻塞性肺病(COPD)住院醫保報銷病例資料,分析氣溫與O3協同作用對慢性阻塞性肺病住院人數的影響關系,為確立科學的預防和醫療技術提供參考,為提高敏感人群的主動預防,推動由疾病治療向健康管理的轉變提供科技支撐.

1 資料與方法

1.1 資料來源

疾病資料:2013年1月1日~2016年12月31日石家莊市COPD住院病例資料來源于石家莊市醫療保險管理中心,包括:患者年齡、性別、住院日期、出院日期、病種代碼、醫療費用等信息.

氣象資料由河北省氣象信息中心提供,選取2013年1月1日~2016年12月31日石家莊站地面觀測資料,包括日平均氣溫、相對濕度、氣壓等.同期的大氣污染物O3-8h濃度和PM2.5、SO2、NO2日均濃度監測資料,來源于河北省環境保護局.

1.2 研究方法

COPD每日住院人數按時間序列統計,通過泊松分布的廣義相加模型(GAM),分析氣溫與O3協同作用對COPD住院人數的影響.利用R3.4.3軟件和EmpowerStats(http://empowerstats.com/en/)軟件實現[2].

在研究氣溫與O3協同對COPD住院人數影響之前,首先,分別研究日平均氣溫、O3濃度對COPD住院人數的影響關系,確定日平均氣溫、O3對COPD的影響是否存在曲線關系.以COPD日住院人數為響應變量,以氣溫為暴露變量,控制了時間長期趨勢(Time)、季節(Season)、節假日(Holiday)、相對濕度(RH)、污染物PM2.5、SO2、NO2濃度混雜因素的影響后,得到的影響關系式:

式中:Y為第日COPD住院人數;(Y|)為第日COPD住院人數的期望值;為截距,為回歸系數;為非線性樣條函數,df是自由度;使用自相關函數(PACF),通過最小信息準則法(Akaike Information Criterion, AIC),確定各因子自由度.

其次,按照平滑曲線閾值效應和飽和效應方法,分析日平均氣溫、O3濃度的分層閾值點,用對數似然比進行檢驗.第三,分析氣溫與O3對COPD住院人數的協同效應,以<0.05作為是否具有統計學意義進行檢驗.

1.3 質量控制

COPD住院病例資料來源于石家莊市醫療保險管理中心,所有資料都有醫院診斷病種代碼記錄.按照國家疾病分類標準第10版(IDC-10)編碼,篩選疾病編碼為J43-44的信息.空氣污染數據和氣象資料均來自國家認證的大氣自動監測系統和氣象觀測系統,沒有缺測記錄.

2 結果

2.1 石家莊市COPD住院人數與氣象環境要素描述性分析

表1 2013~2016年石家莊市COPD日住院人數、氣象要素及空氣污染物描述性分析

注:O3-8h為8h平均;PM2.5、SO2、NO2均為24h平均;P25、P50、P75分別表示第25、50、75百分位數.

如表1所示,COPD日均住院總人數4.4人次,日最多住院人數為16人.對應期間的日平均氣溫14.7℃,日平均氣溫范圍為-9.4~35.5℃,季節變化差異顯著.2013~2016年O3-8h平均濃度為81.5mg/m3, O3-8h濃度范圍為2.0~262.0mg/m3,年內變化差異顯著.PM2.5濃度平均為114.8mg/m3,SO2和NO2日均濃度分別是63.8,56.9mg/m3.

2.2 日平均氣溫、O3與COPD住院人數的暴露—反應關系

實線代表住院人數隨暴露變量的變化,虛線代表其95%可信區間

在控制了時間長期變化趨勢、季節、節假日效應、相對濕度和空氣污染物PM2.5、SO2、NO2濃度混雜影響后,分析石家莊市日平均氣溫、O3與COPD住院人數的暴露反應關系(圖1).由圖1可以看出,日平均氣溫與COPD日均住院人數呈寬口的“U”型變化,當日平均氣溫在0.3℃￡<19℃之間時,COPD日均住院人數相對較少,呈現在寬“U”型底部;當日平均氣溫319℃,隨著日平均氣溫每上升1℃, COPD住院人數將增加4.3%(95%:1.024, 1.062);當日平均氣溫<0.3℃時,隨著日平均氣溫每下降1℃, COPD住院人數將增加1.5%(95%:0.952, 1.019).可見,日平均氣溫對COPD住院人數的影響存在冷效應(<0.3℃)、熱效應(319℃)和相對適宜的氣溫區間(0.3￡<19℃).而O3濃度與COPD日均住院人數總體上呈波動變化趨勢,隨著臭氧O3濃度每升高10mg/m3,COPD日均住院人數增加1.1%(95%:1.005, 1.017).

2.3 不同氣溫環境下O3濃度的變化

在控制了時間長期變化趨勢、季節變化影響后,圖2是2013~2016年石家莊O3濃度隨日平均氣溫變化關系圖.由圖2可見,隨著氣溫的升高,O3濃度總體呈增長趨勢,但其增長速度不同.根據平滑曲線閾值效應和飽和效應分析,日平均氣溫以19℃分層,得到O3濃度隨日平均氣溫的關系:當<19℃,隨著氣溫每升高1℃,O3濃度增加的相對危險度RR(95%)為2.897(95%: 2.119,3.674);當319℃時,隨著日平均氣溫每上升1℃,O3濃度增加的相對危險度RR(95%)為9.071(95%: 7.928,10.215),對數似然比檢驗,< 0.001,具有統計意義.

圖2 石家莊市日平均氣溫與O3濃度的變化關系

實線是O3隨氣溫變化,虛線是其95%可信區間

在上述分析的基礎上,對2013~2016年石家莊市日平均氣溫和O3濃度進行統計,結果發現,石家莊市日平均氣溫<19℃時,89.1%的日數O3平均濃度<100mg/m3;石家莊市319℃,主要出現在3~10月,其中5~9月出現日數占到91%;O3濃度O33100mg/m3也出現3~10月,其中5~9月出現日數占到81.9%.按照中國空氣質量標準(GB 3095-2012)[18]和環境空氣質量指數技術規定(HJ 633-2012)[19],當O3濃度小于100mg/m3,空氣質量分指數為一級,空氣質量優,對人體健康無影響,因此,按照O3濃度100mg/m3進行分層分析.

2.4 不同O3污染環境下氣溫對COPD住院人數的影響

由表3可以看出,兩個模型不同的O3分層中,日平均氣溫與COPD住院人數的影響存在穩定一致的影響關系.模型Ⅱ中,對于石家莊市COPD住院總人數,當O3<100mg/m3,日平均氣溫每上升1 ℃,COPD住院總人數的相對危險度為1.014 (95%CI:1.002, 1.026),當O33100mg/m3時,日平均氣溫每上升1℃, COPD住院總人數的相對危險度為1.042(95%:1.020, 1.065).可見,在O33100mg/m3時,對石家莊COPD住院人數增加的風險是O3< 100mg/m3時的3倍,交互作用檢驗為0.042 (<0.05),說明兩層間的差異具有統計意義.也就是說,在較高O3濃度下,氣溫對COPD住院人數增加的風險相對較低的O3濃度更顯著.從性別和年齡分人群看,同樣表現出高O3(O33100mg/ m3)下對COPD住院人數的影響風險大于較低O3濃度(O3<100mg/m3)下的風險,只是男性和60歲以上的老人,分層間的值都小于0.05,具有統計意義,而女性和18~60歲的成年人,由于樣本人數少,分層間的顯著性檢驗,不具有統計意義.

表3 不同O3濃度下日平均氣溫對COPD住院人數影響的相對危險度及95%可信區間(95%CI)

注:為交互作用檢驗值;模型Ⅰ是單因素模型,模型Ⅱ是調整了時間變化趨勢、季節效應、節假日效應,控制了相對濕度、PM2.5,NO2和SO2污染物混雜因素影響后的模型;*代表<0.05.

2.5 氣溫與O3協同作用對COPD住院人數的影響

在模型Ⅱ的基礎上,按照O3不同濃度水平分層,計算了氣溫冷、熱效應及相對舒適區間內,日平均氣溫每上升1℃對石家莊分人群COPD住院人數的定量關系(表4).在O3<100mg/m3分層,不同氣溫區間的效應有所差異,其中當<0.3℃時,隨著氣溫每上升1℃對COPD住院人數影響的相對危險度小于1,說明發病風險隨著氣溫的升高而降低,對總人數其相對危險度0.986(95%:0.946, 1.028),男性1.003 (95%: 0.953, 1.054)、女性 0.946 (95%:0.878, 1.018)、成年人0.994 (95%:0.902, 1.096)、老人0.982 (95%:0.938, 1.028).在O33100mg/m3分層,除<0.3℃時樣本數只有5個沒有計算RR(95%)外,其他2個氣溫閾值區間,平均氣溫每上升1℃對COPD住院人數影響的相對危險度都大于1,說明發病有增加的風險,當319℃時,無論是總人數還是男女,成人和老人,都表現出最大的效應值,即隨著氣溫每上升1℃,COPD疾病住院總人數增加的風險為8.2%、男性 7.9%、女性8.1%、成人3.8%、老人8.4%,60歲以上的老人是最敏感人群,男女間差異不顯著.

表4 不同O3濃度、不同氣溫區間下,日平均氣溫每上升1℃對石家莊市COPD住院人數影響的相對危險度及95%可信區間(95%CI)

注:NA表示樣本量少,沒有計算RR(95%).*代表<0.05.

3 討論

本研究發現,日平均氣溫對COPD住院人數的影響呈非線性關系,日平均氣溫的閾值為0.3,19℃,存在冷效應、熱效應和相對適宜的氣溫區間.當氣溫在0.3~19℃之間時,COPD住院人數相對最少,為相對適宜的氣溫區間,當<0.3℃時,日平均氣溫每下降1℃,COPD住院人數增加的風險為1.5%,當319℃時,隨著日平均氣溫每上升1℃,COPD住院人數增加的風險為4.3%.研究表明高溫、低溫對哮喘呼吸疾病的急性發作都有影響[20].Gómez等[21]發現低溫對人群死亡的影響明顯大于高溫效應,其比值比OR值為3.40(95%:2.95,3.93).高溫能引起呼吸系統疾病入院率升高,中東和北歐城市的氣溫從臨界值開始每升高1℃,呼吸系統疾病入院率增加4.5%[22],本研究結果與前期相關報道相一致.但不同地區、不同呼吸疾病敏感人群其最佳氣溫閾值有所不同[13,23].高溫條件下,COPD患者可能出現過度呼吸,引起肺過度充氣,導致疾病復發[24].有關低溫與呼吸系統疾病關系方面,有研究表明冷空氣對呼吸道黏膜有刺激作用,低溫環境,肺功能降低,炎癥細胞數量容易增加誘發疾病發生[25-26].

與氣溫相比,國內外關于O3污染對呼吸疾病的影響研究相對較少.本研究發現氣溫與O3呈非線性關系,O3對COPD住院人數的影響呈波動變化.研究表明,長期的臭氧暴露與呼吸原因引起的死亡風險相關,O3濃度增加10′10-3mg/m3相關的呼吸原因導致死亡的相對風險為1.04%[27],與本研究結果相一致.Faridi等[28]發現長期接觸O3導致呼吸系統疾病死亡率增加0.9%~2.3%.Wong等[29]發現中國城市NO2,SO2,PM10和O34種污染物對人群健康的綜合影響等于或大于西方工業國家.Tao等[6]研究珠江三角洲O3污染的急性影響發現,O3濃度增加10mg/m3,總死亡率將增加0.81%,對呼吸系統死亡率的估計影響更強.以上研究均表明O3與呼吸原因導致的疾病、死亡風險有關,與本研究結果一致.

進一步分析發現, O3與氣溫對COPD疾病的影響具有協同加強作用.當O33100mg/m3時,氣溫不分層時,氣溫每上升1℃對COPD日均住院總人數增加的相對危險度1.042 (95%:1.020, 1.065);當319℃時,其效應值最大為1.084 (95%:1.048, 1.121).說明較高氣溫、較高O3污染環境下,對COPD發病風險有增加效應.有關氣象環境因素對呼吸疾病的協同作用分析方面,王敏診[23]分析了氣溫與濕度的交互作用對呼吸疾病的影響,發現低溫低濕的效應最強;張瑩等[16]分析了氣溫與PM2.5的協同作用,表明高溫與PM2.5對人群健康的影響存在協同加強效應.Ren等[30]研究氣溫與O3對美國東部60個社區總死亡率的短期影響,指出高溫可以調節O3對死亡的風險,并且出現一定的區域差異.胡悅等[7]研究表明夏秋季大氣O3污染對增加居民呼吸系統疾病的風險更大,從季節變化的角度印證了氣溫與O3污染存在協同效應,與本文的結論相一致.而Zhang等[31]研究上海O3與包括自然原因死亡率和因心腦血管、呼吸系統疾病死亡率之間的關系時,發現在我國上海,O3污染對呼吸疾病死亡率的影響在寒冷季比暖季更強,可見氣溫與O3的協同性具有地域差異.

本文分析了氣溫與O3對COPD人群的協同作用,開展了男女性別、不同年齡段分人群分析及分層交互作用檢驗.研究方法上,與王敏診等[23]、張瑩等[16]相同,都采用的廣義相加模型.本研究的優點是利用平滑曲線閾值效應和飽和效應方法,得到的閾值點相對與百分位數[32]、中位數[33]、多氣溫分層[16]等得到的閾值點更精確;O3不同分層間,進行了似然比顯著性檢驗;另外本研究選擇的是我國北方污染嚴重的石家莊市,典型的呼吸類疾病——慢性阻塞性肺病,且是市醫保住院病例資料,相對于從某個醫院得到的資料更具有代表性.所不足的是氣象和大氣污染資料是本市監測均值,在個體暴露方面可能有一定的局限性.

4 結論

4.1 平均氣溫和臭氧污染對石家莊COPD住院人數均有影響.日平均氣溫的影響具有冷效應(<0.3℃)、熱效應(319℃)和相對適宜的氣溫環境(0.3~19℃);O3的影響沒有最低閾值.

4.2 當O3濃度大于100mg/m3,氣溫大于等于19℃時,氣溫與O3協同加強效應最強,且對老年人影響更敏感;而當氣溫小于0.3℃時,沒發現氣溫冷效應與臭氧濃度對COPD住院人數的聯合作用.

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Synergistic effect of temperature and O3on the numbers of COPD hospitalizations.

FU Gui-qin*, TIAN Ya-qin, ZHANG Cheng-wei

(Hebei Meteorological Service Center, Key Laboratory for Meteorology and Ecological Environment of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)., 2019,39(12)：5312~5318

In this study, we applied the generalized additive models (GAMs) including threshold and saturation effect of smooth curve analysis model to evaluate the synergistic effects of air temperature and ozoneon the numbers of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) hospitalizations in Shijiazhuang, China. After controlling the potential confounding factors, such as long-term time trends, seasonal patterns, and the effect of holidays and day of the week of time series data, we estimated the synergistic effect of temperature and ozone on COPD hospitalizations, controlling forrelative humidity, PM2.5, SO2, and NO2. In addition, we also evaluated differential associations on samples stratified by sex and age. The results showed that, the thresholds of temperature and ozone in the dose-response relationship with the numbers of COPD hospitalizations were 0.3℃, 19℃, and 100μg/m3, respectively. When the concentration of ozone was above 100μg/m3, the relative risk (RR) of COPD hospitalization was 1.042 (95% confidence interval [CI]: 1.020, 1.065) per1℃ increase in temperature, and achieved the maximum of 1.082 (95% CI: 1.049, 1.116) when temperature was above 19℃. There were synergistic effects of high temperature and high ozone concentration on the COPD hospitalizations, to which the elderly were more sensitive. However, no significant difference was found regarding gender.

chronic obstructive pulmonary disease (COPD)；temperature；ozone；synergistic effect；generalized additive model (GAM)

X503.1

A

1000-6923(2019)12-5312-07

付桂琴(1968-),女,河北蔚縣人,正高級工程師,碩士,主要從事環境健康等應用氣象研究.發表論文30余篇.

2019-05-21

河北省重點研發項目(18273705D);上海健康氣象重點實驗室開放基金(QXJK201606)

*責任作者, 正高級工程師, fgq84@tom.com