Аннотация
В последнее десятилетие неоднократно поднимались вопросы о проблемах со здоровьем, связанные с загрязнением воздуха в городах. В статье используются два подхода для качественного и количественного изучения твердых частиц (ТЧ) в 56 крупнейших городах мира. Один основан на данных мониторинга, собранных из различных источников Всемирной организации здравоохранения. Другой основан на комбинации атмосферного моделирования, спутникового дистанционного зондирования и данных мониторинга поверхности. Согласно информации, из обоих источников, по крайней мере 96% населения крупных городов подвергаются воздействию частиц PM2,5, уровень которых превышает допустимые нормы, установленные Всемирной организации здравоохранения.
Вступление
Доля мирового населения, проживающего в городах неуклонно растет в течение последних нескольких десятилетий. Наибольший недавний рост произошел в странах с низким и средним уровнем дохода. Наиболее интенсивно урбанизация протекает в городских районах с 1–5 миллионами жителей.
Во всем мире загрязнение воздуха является наиболее важной проблемой загрязнения окружающей среды. Концентрация твердых частиц и большинства других вредных для здоровья загрязнителей выше в городских, чем в сельских районах из-за большего количества основных источников выбросов. Большинство источников загрязнения сосредоточены в районе с плотной застройкой, интенсивным дорожным движением и развитой промышленностью. Это может привести к высоким уровням загрязнения, особенно если борьба с загрязнением отстает от роста города.
Конкретная проблема загрязнения воздуха в крупных городах мира была отражена в многочисленных мониторинговых кампаниях и отчетах, опубликованных за последние несколько десятилетий.
Было предоставлено большое количество доказательств воздействия загрязнения воздуха на здоровье людей, особенно взвешенных в воздухе твердых частиц размером PM10 или PM2,5, более поздние оценки качества воздуха предоставили лучшую и более актуальную информацию о величине и серьезности проблемы загрязнения воздуха городов в развивающихся странах.
На основании этих данных и поддерживается эконометрическая модель, позволяющая оценить уровни PM2,5 во всех городах с населением более 100 000 человек. Первая оценка глобального увеличения болезней, относящихся к городскому загрязнению воздуха, была проведена в 2004 году. Этот анализ приводит данные о 800 000 преждевременных смертей в год, связанных с ТЧ, причем более двух третей смертей происходит в быстро развивающихся странах Азии.
Недавние исследования показали, что спутниковые оценки и модели качества воздуха с высоким разрешением могут дополнять данные мониторинга, чтобы заполнить временные и пространственные пробелы, даже в странах с высоким уровнем дохода и плотными сетями мониторинга. Этот подход был использован в глобальном исследовании болезней, возникающих от загрязнения воздуха, и допускается для оценки воздействия во всем мире, включая сельские районы и те регионы, где мало или нет данных мониторинга поверхности. Полученная оценка показала, что ТЧ в окружающей среды являются девятым (из 67) фактором риска возникновения болезней во всем мире и четвертый по величине фактор риска в Восточной Азии, шестой в Южной Азии и седьмой в Северной и Западной Африке южнее Сахары, а также в Среднем Востоке.
Мы использовали оценки воздействия GBD2010, а также недавно собранные данные мониторинга поверхности для оценки концентрации загрязнения в мегаполисах. Мы также исследуем ассоциации оценок PM2.5 с основными характеристиками города.
Методы.
«Мегаполис» чаще всего определяется как «очень большой город, как правило, с населением более десяти миллионов человек”
Используя базы данных ООН, мы определили 23 города такого размера, с населением в общей сложности 359 миллионов человек на 2011 год. Однако мы расширили наш анализ, чтобы охватить все 55 городов с населением более 5 миллионов человек, чтобы проанализировать отношения между степенью загрязнения и характеристикой города. К тому же, мы специально добавили Йоханнесбург с населением около 4 миллионов человек в 2011 году, чтобы увеличить количество африканских городов, включенных в базу данных анализа. Общая численность населения из этих 56 городов была 608 миллионов.
Данные мониторинга поверхности, используемые в этом анализе, взяты из базы данных Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Измерения в регионах представлены региональными сетями, такими как Азиатская инициатива по чистому воздуху для Азии, и Авиабаза для Европы.
Коэффициенты конверсии города были получены, только если были доступны значения PM2,5 и PM10 того же года только для данного города. Если бы коэффициенты пересчета были доступны для нескольких станций мониторинга в городе, их среднее значение было взято как коэффициент преобразования загрязнения города. Если национальные коэффициенты преобразования были недоступны, использовались региональные, полученные из усреднения доступных коэффициентов пересчета по конкретной стране.
Как описано в Brauer et al [16], оценки воздействия PM2,5, используемые в анализе GBD2010 были основаны на комбинации оценок, представленных глобальной моделью переноса химических веществ TM5, и оценки от дистанционного зондирования и откалиброваны для доступных для измерения поверхностей.
TM5
Модель работала с разрешением 1 × 1 градус в четырех основных регионах мира. Результат был уточнен до 0,1 × 0,1 градуса (что соответствует ок. 11 × 11 км на экваторе) с использованием пространственной информации о плотности населения в качестве суррогата для подсеточных пространственных моделей выбросов.
Полученные со спутника оценки PM2,5 были основаны на наблюдениях оптической глубины аэрозоля (AOD), обеспечиваемой Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) из двух инструментов (MODIS и MISR). Концентрации PM2,5 были оценены с разрешением 0,1x0,1 градуса из AOD, используя его связь с оценкой PM2,5 по модели химического транспорта (GEOS-Chem, v8-01-04).
Средние значения TM5 и спутниковые оценки (AVG) были введены в регрессионную модель с поверхностью данных мониторинга за 2005 год (PM2.5 по мониторингу или по оценкам PM10) для сетки порядка 0,1 × 0,1 градуса. Окончательные оценки концентрации для каждого из 0,1 × 0,1 ячейки сетки градусов были оценены из полученного уравнения регрессии (PM2,5 = 1,32 * AVG0,992). Средняя концентрация для каждого города была рассчитана с использованием базы данных городов. Эта база данных включает 3646 крупных городов и столичные районы с населением > 100 000, а вместе составляет в общей сложности 2,01 миллиарда человек на 2000 год. Границы города были составлены на основе спутниковых снимков земельных покровов в крупных городах.
Результаты
Измерения PM2,5 были доступны только для 16 из 56 городов. Для еще 36 городов концентрации PM2,5 могут быть предоставлены с использованием национальных или региональных коэффициентов пересчета (в диапазоне от 0,33 в Тегеране до 0,72 в Париже). Оценки на основе модели GBD2010 были доступны для каждого из городов, кроме Шэньчжэня, который был интегрирован с большой агломерацией Гуанчжоу в GBD2010 базы данных городов. Среднегодовое значение PM2,5 по мониторингу варьировалось от 11–14 мкг / м3 в Мадриде и нескольких городов США до 135 мкг / м3 в Дакке и 169 мкг / м3 в Дели.
Моделированные оценки PM2,5 варьировались от 8 до 14 мкг / м3 в нескольких городах Южной Америки, в Маниле. В Мадриде и Москве, а также в нескольких китайских городах были самыми высокими (от 71 мкг / м3 до 128 мкг / м3).
Среднегодовое значение PM2,5 на основе измерений относительно лучше соотносится с некоторыми характеристиками города чем те, которые основаны на моделировании, чего можно было ожидать.
Уровень PM, как правило, увеличивается с плотностью населения в городах. Это соотношение улучшилось (до R = 0,56), когда два выброса, Дели и Гонконг, были сняты с анализа. Концентрация PM2.5 в Дели была необычно высока для своей плотности населения, в то время как противоположное наблюдалось для Гонконга. Отношение между плотностью населения и оценки PM2,5 на основе модели менее выражено.
Наблюдаемые уровни PM2,5 имели тенденцию быть выше в городах с более высокими внутригородскими фракциями потребления первичных загрязнителей (доля местных выбросов, которые вдыхаются населением).
Контролируемые уровни PM2,5 имели тенденцию к снижению с общим уровнем развития города (измеряется валовой внутренний продукт города (ВВП, извлеченный из Википедия), ВВП города на душу населения или национальный уровень ВВП на душу населения).
Во всех городах с ВВП более 40 000 долларов США, контролируемый уровень PM2,5 был ниже 25 мкг / м3.
В диапазоне 20 000 - 40 000 долларов США, средний PM2,5 варьировался от 12 до 56 мкг / м3.
В городах с более низким ВВП на душу населения PM2,5 уровни варьировались от 22 до 169 мкг / м3.
Используя базу данных GBD2010, мы также исследовали отношения между оценочными концентрациями в 2005 году и теми, что были рассчитаны на 2010 год посредством экспоненциальной экстраполяции.
Тенденция смоделированных данных PM2,5 представлена с 1990 по 2005 год (которая обычно отражена в изменениях в выбросах). Для 25 из 55 городов (Шэньчжэнь не был включен), была тенденция увеличения концентрации. Увеличение, превышающее 10%, оценивается для Карачи, Ханчжоу, Шэньян, Ухань и Нанкин. Больше чем на 10% снизилось загрязнение в Йоханнесбурге, Лондоне, Париже, Лос-Анджелесе, Москве и Хайдарабаде.
В целом, была тенденция к снижению уровня загрязнения с ростом ВВП страны (R = 0,40).
Во всех городах стран с ВВП более 12 000 долларов США, оценки PM2.5 снизились. Однако следует отметить, что оценка ТЧ в 2005 могла отличаться от оценки 2010г.
Модель GBD2010, использующая также спутниковые наблюдения в качестве информации об удаленном зондировании урбанизированной территории для каждого города, позволяет исследовать пространственное распределение загрязнения в крупных городах и вокруг них.
Обсуждение
Оба источника информации о концентрации ТЧ, используемые в этом исследовании, указывают, что большинство (по крайней мере, 96%) населения крупнейших городов мира подвержены воздействию мелких частиц в концентрациях, превышающих допустимые значения Руководства ВОЗ по качеству воздуха.
Самые высокие уровни загрязнения находятся в городах Южной и Восточной Азии. В тех высоко загрязненных регионах повышенные уровни воздействия определялись не только границами города, также часто оказывалось воздействие на население в прилегающих районах к городу.
Использование двух источников данных демонстрирует потенциал ограничения каждого из них. Модель GBD2010 использовала относительно ограниченный набор данных мониторинга для калибровки модели, с большинством измерений, происходящих из Северной Америки и Западной Европы. Обновление этих оценок для GBD2013 будет включать в себя большее количество измерений, что может обеспечить лучшую калибровку модели в других регионах.
Оценки PM2,5 на основе поверхностного мониторинга были основаны для большего числа городов, оценки PM10. Преобразование PM10-PM2.5 часто основывалось на очень ограниченной информации, увеличивая неопределенности оценок мониторинга. Например, недавно опубликованное исследование, проведенное в Пекине, указывает соотношение PM2,5 к PM10, равное 0,73, что значительно выше, чем региональный коэффициент преобразования 0,46 используемый для всех стран региона Западной части Тихого океана в этом анализе. Средний PM2,5 в центре Пекина в течение периода 2004-2008 гг. было 105 мкг / м, который ближе к оценке модели GBD2010 (91 мкг / м3), чем это оценивалось из мониторинга PM10 (56 мкг / м3).
В текущих данных относительно чистые города также можно найти среди стран со средним или низким уровнем дохода. Большой разброс уровней загрязнения среди стран с низким уровнем дохода свидетельствуют о том, что улучшение качества воздуха также может быть достигнуто на ранних этапах экономического развития и независимо от прироста экономического статуса. Такие улучшения требуют эффективных вмешательств для решения проблемы использования твердого топлива в домашних хозяйствах для приготовления пищи и отопления, сжигания мусора в кварталах и свалки, а также кустарное производство, кирпичные печи и другие мелкие источники. Такие источники обычно выходят за рамки правил и часто не хватает инженерных средств контроля выбросов.
Таким образом, доклад был сосредоточен на крупнейших городских районах мира, но большая часть урбанизации происходит в небольших городах в странах с низким и средним уровнем дохода. У небольших городов, в отличие от мегаполисов, менее подробный мониторинг загрязнения воздуха и более плохие средства для мониторинга, хотя эта ситуация улучшается в некоторых странах, особенно в Китае.
Это подчеркивает необходимость дальнейшего развития потенциала для спутникового мониторинга, способного быстро давать оценки городского масштаба.
Выводы
Инструменты и методы количественной и качественной оценки характеристики воздуха в мегаполисах, а также оценки воздействия загрязнения воздуха на здоровье людей быстро развивается. Тем не менее, выводы текущего исследования мало чем отличаются от оценок исследования, проведенного два десятилетия назад. И хотя есть хорошие примеры связи экономического роста и прогресса в уменьшении загрязнения воздуха, многие города, очевидно, следуют линии развития, включающей небольшое или недостаточное внимание качеству воздуха и влиянию его на здоровье населения.