北京地區(qū)腸道傳染病與氣象因素的關(guān)聯(lián)性分析

張軒，賀娟

(北京中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京100029)

北京地區(qū)腸道傳染病與氣象因素的關(guān)聯(lián)性分析

張軒，賀娟*

(北京中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京100029)

目的依據(jù)中醫(yī)五運六氣學(xué)說，研究北京地區(qū)腸道傳染病發(fā)病與當年及1～3年前氣象因素的關(guān)聯(lián)性，并嘗試建立氣象預(yù)警模型。方法基于北京地區(qū)1970—2004年35年的氣象數(shù)據(jù)和腸道傳染病(包括細菌性痢疾、病毒性肝炎、傷寒副傷寒)發(fā)病數(shù)據(jù)，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計方法，建立“氣象—腸道傳染病”的預(yù)測模型，并篩選出影響發(fā)病的關(guān)鍵氣象因子。結(jié)果利用當年及1，2，3年前的氣象因素可分別建立腸道傳染病發(fā)病的氣象預(yù)測模型，預(yù)測精度均約為60%，其中貢獻度較大的氣象因素分別是當年的相對濕度，以及1～3年前的相對濕度和風(fēng)速。利用上述當年～3年前的關(guān)鍵氣象因子建模，其預(yù)測效果最佳，精度約為80%。結(jié)論北京地區(qū)腸道傳染病發(fā)病不僅與當年的氣候變化有關(guān)，還與1～3年前的氣象變化具有相關(guān)性;利用當年～3年前(共4年)的氣象因素建立預(yù)測模型，效果要優(yōu)于單用某一年的氣象因子所建模型。

北京;腸道傳染病;氣象;五運六氣;三年化疫;BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

腸道傳染病包括細菌性痢疾、霍亂、傷寒副傷寒、病毒性肝炎、脊髓灰質(zhì)炎等，多好發(fā)于夏季。由于夏季氣溫高、濕度大，利于細菌繁殖，食物易受污染，直接影響了腸道傳染病的發(fā)生和流行。腸道傳染病的主要癥狀包括惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉、食欲不振等胃腸道癥狀;以及發(fā)熱、頭痛、全身中毒等癥狀。其發(fā)病突然，癥狀嚴重，傳染性很強，給人們的健康和生活造成很大威脅。由于氣象因素可以作為傳染病暴發(fā)和流行的前期指標，故近些年來對腸道傳染病的研究［1-4］，愈發(fā)重視從氣象學(xué)角度進行探討，旨在為其防治和發(fā)病預(yù)測提供依據(jù)。

中醫(yī)運氣學(xué)說是氣象和疾病(尤其是傳染病)相關(guān)的理論，集中體現(xiàn)了中醫(yī)學(xué)“天人合一”的整體觀思想，研究運氣理論可以為現(xiàn)代傳染病與氣象關(guān)系的研究提供良好的借鑒和參考。該理論認為天時氣候的變化規(guī)律對傳染病的發(fā)生會產(chǎn)生影響，而這種影響不僅局限于當年的氣候變化，還涉及近3年的氣象變化情況，即“三年化疫”理論:通過3年前氣候的異常變化，來預(yù)測及判斷疫病的發(fā)生、發(fā)展及流行規(guī)律［5］。有學(xué)者［6］研究發(fā)現(xiàn)2003年SARS的流行，即是“三年化疫”作用的結(jié)果。因此，近些年來，有關(guān)傳染病與前期氣象因素關(guān)系的研究日益受到重視［7-9］，而“三年化疫”理論正為前期氣象研究的時間范圍提供了有益的參考，將時間跨度延伸至3年前，這在現(xiàn)代氣象醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域是鮮有提及的［10］。因此，本研究選取北京地區(qū)1970—2004年35年的腸道傳染病發(fā)病數(shù)據(jù)(注:腸道傳染病包括3種數(shù)據(jù)資料完整的疾病，即細菌性痢疾、傷寒副傷寒、病毒性肝炎)及同期的氣象數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計學(xué)方法分析腸道傳染病與同期及前期(即當年～3年前)氣象因素的相關(guān)性，并嘗試建立腸道傳染病發(fā)病的氣象預(yù)警模型。

1 資料與方法

1.1 研究地點北京地區(qū)屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。春季干旱，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。風(fēng)向有明顯的季節(jié)變化。有學(xué)者［11］研究發(fā)現(xiàn)北京全年六氣時段的實際氣候特點與中醫(yī)六氣模式“厥陰風(fēng)木、少陰君火、少陽相火、太陰濕土、陽明燥金、太陽寒水”特點基本符合，認為北京地區(qū)的氣候特點比較適合于運氣理論的研究。因此，本研究選擇北京地區(qū)作為研究對象，并采用六氣分段的方式處理數(shù)據(jù)，以期較為客觀地分析氣象因素與腸道傳染病發(fā)病之間的關(guān)系。

1.2 資料來源北京市疾病預(yù)防控制中心提供1970—2004年記錄存檔的細菌性痢疾、傷寒副傷寒、病毒性肝炎的年度、逐月發(fā)病數(shù)據(jù);以及北京市觀象臺提供的同期逐月測得的日平均氣溫、日平均風(fēng)速、日降水量、日平均相對濕度、日平均水汽壓5項基本氣象因子的數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理有學(xué)者［12］研究發(fā)現(xiàn)“初運始于立春”與北京地區(qū)的實際氣候較為吻合，故本研究從每年立春日起運，將一年劃分為六個時段。即初之氣(立春—春分，約為2—3月)、二之氣(清明—小滿，約為4—5月)、三之氣(芒種—大暑，約為6—7月)、四之氣(立秋—秋分，約為8—9月)、五之氣(寒露—小雪，約為10—11月)、終之氣(大雪—大寒，約為12—次年1月)。以六氣時段為單位，統(tǒng)計1970—2003年34年間各時段內(nèi)氣溫、風(fēng)速、降水量、相對濕度、水汽壓，以及腸道傳染病發(fā)病數(shù)的平均值(注1:腸道傳染病逐年六段發(fā)病數(shù)即為細菌性痢疾、傷寒副傷寒、病毒性肝炎3種疾病逐年六段發(fā)病數(shù)之和;注2:因缺少2005年1月份的數(shù)據(jù)資料，無法統(tǒng)計2004年終之氣的各組數(shù)據(jù)，故本研究六段數(shù)據(jù)研究截止到2003年)。

1.4 統(tǒng)計方法由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有獨特的信息存儲方式、良好的容錯性、大規(guī)模的非線性并行處理方式以及強大的自組織、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力［13］，故近些年來，該方法廣泛應(yīng)用于“氣象—腸道傳染病”關(guān)系的研究中［14-16］。針對腸道傳染病數(shù)據(jù)的非線性特點，本研究將采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析當年、1，2，3年前不同時間段的氣象因子與腸道傳染病發(fā)病的相關(guān)性，進而建立氣象預(yù)警模型。

具體方法為:首先利用當年、1，2，3年前的氣象因子分別建立4個腸道傳染病發(fā)病的氣象預(yù)測模型。即模型1:選擇1973—2003年5個當年氣象因子的六段均值數(shù)以及1973—2003年腸道傳染病的六段發(fā)病數(shù)進行統(tǒng)計;模型2:選擇1972—2002年5個1年前氣象因子的6段均值數(shù)以及1973—2003年腸道傳染病的6段發(fā)病數(shù)進行統(tǒng)計;模型3:選擇1971—2001年5個2年前氣象因子的六段均值數(shù)以及1973—2003年腸道傳染病的六段發(fā)病數(shù)進行統(tǒng)計;模型4:選擇1970—2000年5個3年前氣象因子的六段均值數(shù)以及1973—2003年腸道傳染病的六段發(fā)病數(shù)進行統(tǒng)計。各模型將氣象因子作為輸入變量，腸道傳染病發(fā)病數(shù)作為輸出變量，各自包含186組數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)計學(xué)常規(guī)且默認的7∶3比例隨機抽取數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練及預(yù)測，分析各氣象因子與腸道傳染病發(fā)病的關(guān)系并建立氣象預(yù)測模型。然后在4個模型中選擇預(yù)測效果較好(即預(yù)測精度高于50%)的時間段中貢獻度最大的氣象因子，如上法建立模型5，分析不同時間范圍內(nèi)的氣象對腸道傳染病發(fā)病的影響。以上統(tǒng)計分析均采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 腸道傳染病的發(fā)病特點

2.1.1 腸道傳染病的年發(fā)病特點1970—2004年北京地區(qū)腸道傳染病報告發(fā)病總數(shù)為3 433 261例，平均每年發(fā)病數(shù)為98 093例。在1972—1975年間腸道傳染病呈高發(fā)態(tài)勢，之后有所下降，到80年代初略有回升;自20世紀80年代末腸道傳染病發(fā)病開始明顯下降，在1990—2004年間發(fā)病數(shù)基本穩(wěn)定在31 763例/年左右。見圖1。

圖1 北京地區(qū)1970—2004年腸道傳染病年發(fā)病趨勢

2.1.2 腸道傳染病的六段發(fā)病特點腸道傳染病高發(fā)集中于三之氣，占總發(fā)病數(shù)的40%，四之氣其次，占總發(fā)病數(shù)的30%。初之氣和終之氣的發(fā)病最低。見圖2。

圖2 北京地區(qū)1970—2003年六氣時段腸道傳染病發(fā)病趨勢

2.2 腸道傳染病與氣象因子的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析

2.2.1 當年氣象與腸道傳染病發(fā)病(模型1)結(jié)果顯示:模型1的訓(xùn)練樣本占數(shù)據(jù)的73.7%，測試樣本占數(shù)據(jù)的26.3%。訓(xùn)練相對錯誤值為0.436，測試相對錯誤值為0.468，均小于1，模型建立成功。其中訓(xùn)練樣本和測試樣本的預(yù)測精度均接近60%，預(yù)測結(jié)果尚可。見表1。將各項輸入變量的重要性系數(shù)進行標準化計算發(fā)現(xiàn)，對腸道傳染病發(fā)病的影響程度超過50%的氣象因子只有日平均相對濕度，其對腸道傳染病發(fā)病的影響最大。見表2。

2.2.2 1年前氣象與腸道傳染病發(fā)病(模型2)結(jié)果顯示:模型2的訓(xùn)練樣本占數(shù)據(jù)的71.0%，測試樣本占數(shù)據(jù)的29.0%。訓(xùn)練相對錯誤值為0.452，測試相對錯誤值為0.499，均小于1，模型建立成功。其中訓(xùn)練樣本和測試樣本的預(yù)測精度均接近60%，預(yù)測結(jié)果尚可。見表1。將各項輸入變量的重要性系數(shù)進行標準化計算發(fā)現(xiàn)，對腸道傳染病發(fā)病的影響程度超過50%的氣象因子是:日平均相對濕度和日平均風(fēng)速。其中相對濕度對腸道傳染病發(fā)病的影響最大，其次是風(fēng)速，見表2。

2.2.3 2年前氣象與腸道傳染病發(fā)病(模型3)結(jié)果顯示:模型3的訓(xùn)練樣本占數(shù)據(jù)的68.8%，測試樣本占數(shù)據(jù)的31.2%。訓(xùn)練相對錯誤值為0.353，測試相對錯誤值為0.316，均小于1，模型建立成功。其中訓(xùn)練樣本和測試樣本的預(yù)測精度均接近70%，預(yù)測結(jié)果優(yōu)于前2個模型，見表1。將各項輸入變量的重要性系數(shù)進行標準化計算發(fā)現(xiàn)，對腸道傳染病發(fā)病的影響程度超過50%的氣象因子是:日平均風(fēng)速和日平均相對濕度。其中風(fēng)速對腸道傳染病發(fā)病的影響最大，其次是相對濕度，見表2。

2.2.4 3年前氣象與腸道傳染病發(fā)病(模型4)結(jié)果顯示:模型4的訓(xùn)練樣本占數(shù)據(jù)的69.9%，測試樣本占數(shù)據(jù)的30.1%。訓(xùn)練相對錯誤值為0.588，測試相對錯誤值為0.335，均小于1，模型建立成功。其中訓(xùn)練樣本的預(yù)測精度大約接近50%，測試樣本的預(yù)測精度大約接近70%，預(yù)測結(jié)果不如模型3。見表1。將各項輸入變量的重要性系數(shù)進行標準化計算發(fā)現(xiàn)，對腸道傳染病發(fā)病的影響程度超過50%的氣象因子是:日平均相對濕度和日平均風(fēng)速。其中相對濕度對腸道傳染病發(fā)病的影響最大，其次是風(fēng)速，見表2。

2.2.5 3年前～當年氣象與腸道傳染病發(fā)病(模型5)鑒于上述4個模型均建立成功，且預(yù)測結(jié)果良好(預(yù)測精度基本高于50%)，故采用當年、1，2，3年前這4年中貢獻度最大的氣象因子(即當年的相對濕度，1，2，3年前的相對濕度和風(fēng)速)，共同建立腸道傳染病發(fā)病的預(yù)測模型，即模型5。

結(jié)果顯示:模型5的訓(xùn)練樣本占數(shù)據(jù)的71.0%，測試樣本占數(shù)據(jù)的29.0%。訓(xùn)練相對錯誤值為0.383，測試相對錯誤值為0.149，均小于1，模型建立成功。其中訓(xùn)練樣本的預(yù)測精度大約接近70%，測試樣本的預(yù)測精度大約接近90%，預(yù)測結(jié)果最佳，見表1。將各項輸入變量的重要性系數(shù)進行標準化計算發(fā)現(xiàn)，對腸道傳染病發(fā)病的影響程度超過50%的氣象因子是:2年前日平均相對濕度和日平均風(fēng)速，以及3年前的日平均相對濕度。其中2年前的平均風(fēng)速對腸道傳染病發(fā)病的影響最大。見表3。

表1 模型結(jié)果匯總

表2 4個模型中的重要氣象因子(重要性＞50%)

表3 模型5中各氣象因子的重要性

3 討論

目前，關(guān)于單個傳染病與同期氣象變化關(guān)系的研究較多，而系統(tǒng)性傳染病(如:腸道系統(tǒng)傳染病、呼吸系統(tǒng)傳染病、蟲媒傳染病等)與同期，特別是前期氣候變化關(guān)系的研究報道較少。其中腸道傳染病是我國急性傳染病中發(fā)病數(shù)最多，流行面最廣，影響群眾生活最普遍的一組疾?。?7］，因此，本研究以北京地區(qū)為例，基于中醫(yī)運氣理論，運用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計學(xué)方法，回顧性分析了腸道傳染病發(fā)病與同期，尤其是前期氣象因素之間的相關(guān)性，并建立氣象預(yù)警模型，時間范圍由當年跨至3年前，以期為現(xiàn)代腸道傳染病的預(yù)防提供新思路。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):1)在1970—2004年間，北京地區(qū)腸道傳染病高發(fā)于1972—1975年間，以1975年為最。1975年為天符年，依據(jù)運氣理論，該年份氣候變化劇烈，傳染病易呈高發(fā)、高死亡特點。2)腸道傳染病高發(fā)于三之氣和四之氣，此時正值6—9月間，氣候炎熱，潮濕多雨，在這種濕熱交蒸的氣候環(huán)境下，易形成濕熱病邪侵襲人體導(dǎo)致本病的發(fā)生。中醫(yī)也正是從這個角度來認識本病的，并確立了清熱、祛濕兩大傳統(tǒng)治法。3)利用當年、1、2、3年前的氣象因素皆可成功建立預(yù)測模型，說明北京地區(qū)1970—2004年腸道傳染病的發(fā)病不僅與其當年的氣象變化有關(guān)，而且與1～3年前的氣象變化均有關(guān)聯(lián)。這提示研究傳染病的發(fā)病，不應(yīng)忽視前期氣候變化的影響。4)在利用當年、1、2、3年前氣象因素分別建立的4個模型中，預(yù)測效果最好的是模型3，即利用2年前的氣象因子來預(yù)測腸道傳染病的發(fā)病情況，其訓(xùn)練樣本和測試樣本的預(yù)測精度均接近70%。該結(jié)果在一定程度上佐證了“三年化疫”理論的客觀性，并且提示所謂“三年化疫”之“3年”并非固定的預(yù)測之數(shù)，而是約數(shù)。如《素問遺篇·刺法論》［18］云:“假令甲子，剛?cè)崾兀稳曜魍涟O，……晚至丁卯，早至丙寅，土疫至也?！敝赋龈鶕?jù)“早至”“晚至”的不同，疫病發(fā)生可歸咎于發(fā)病時間之前的第2年或第3年的氣候異常。5)上述4個模型的結(jié)果還提示了平均相對濕度對腸道傳染病發(fā)病的重要影響，不論在同期還是前期;而前期中的平均風(fēng)速也是影響腸道傳染病發(fā)病的重要氣象因素，這與其他報道［19-20］結(jié)果相一致。風(fēng)邪作為伏邪發(fā)病與腸道傳染病之間關(guān)系密切，雖然早在《黃帝內(nèi)經(jīng)》中便已有論述［18］，但其機制還有待于深入探討。6)本研究最后選取同期及前期(即當年～3年前)中的重要氣象因子，共同建立腸道傳染病發(fā)病的預(yù)測模型(即模型5)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型的預(yù)測效果最佳，訓(xùn)練樣本的預(yù)測精度約為70%，測試樣本的預(yù)測精度接近90%。這提示利用當年～3年前(共4年)的氣象因素建立預(yù)測模型，效果要優(yōu)于單用某一年的氣象因子所建模型。7)模型5發(fā)現(xiàn)在前4個模型顯示的重要氣象因子中，影響腸道傳染病發(fā)病的最重要的氣象因子是2年前的風(fēng)速和相對濕度及3年前的相對濕度，其中2年前的風(fēng)速貢獻度最大。該結(jié)果提示，可以嘗試利用2年前的平均風(fēng)速和平均相對濕度以及3年前的平均相對濕度等前期氣象因子來預(yù)測北京地區(qū)腸道傳染病的發(fā)病情況。

本研究的創(chuàng)新點在于:1)研究設(shè)計思路上的創(chuàng)新:除了分析當年氣象因素對腸道傳染病發(fā)病的影響，還依據(jù)運氣理論，尤其是“三年化疫”理論，重點探討了3，2，1年前這些前期氣象因素對腸道傳染病發(fā)病的影響，并建立了氣象預(yù)警模型。2)研究結(jié)果中的創(chuàng)新:本研究不僅揭示了腸道傳染病發(fā)病與前期氣象變動之間存在的某些確切關(guān)聯(lián)，提示在現(xiàn)代傳染病的研究中應(yīng)重視前期氣候變化，尤其不要忽略2～3年前的氣象變動對傳染病發(fā)病可能造成的影響;而且從前期氣象因素入手建立傳染病的預(yù)測模型，在時間上促進了預(yù)警系統(tǒng)關(guān)口的前移，提高了預(yù)測的及時性，凸顯了預(yù)測的超前性特征;并且發(fā)現(xiàn)利用多年的氣象因子建模，效果可能會優(yōu)于單用某一年的氣象因子所建模型。

不過，本研究仍具有一定的局限性:由于資料有限，研究只選擇了5個基本氣象因子作為研究對象，而腸道傳染病也只包含細菌性痢疾、傷寒副傷寒、病毒性肝炎這3種最常見、最為高發(fā)的腸道類傳染病，研究指標有限。而且，傳染病的發(fā)生除受自然因素影響外，還受社會、經(jīng)濟等諸多因素的影響。因此，在接下來的研究中，筆者認為應(yīng)擴大入選的氣象指標，并引入氣象綜合參數(shù)等概念，參考能反映氣象綜合變動的數(shù)學(xué)模型;擴大傳染病數(shù)據(jù)庫，增大樣本量;選用適當?shù)慕y(tǒng)計學(xué)方法分析不同時間段的氣象變化對各類系統(tǒng)傳染病的影響;并且對影響傳染病發(fā)病的各種混雜因素進行分析和評估，恰當估量出不同傳染病的氣象因素影響權(quán)重，以期建立精度更高的“傳染病—氣象”預(yù)測模型。

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Correlation analysis on gastrointestinal diseases and meteorological variables in Beijing

ZHANG Xuan，HE Juan*
(School of Preclinical Medicine，Beijing University of Chinese Medicine，Beijing 100029，China)

ObjectiveAccording Chinese medicine theory“five circuits and six qi”to study the correlation between the incidence of gastrointestinal diseases in Beijing area and meteorological factors in current year and the past three years based on theory of Yunqi，so as to establish meteorological forecasting model.MethodsThe back-propagation artificial neural net-work was conducted using data on five basic meteorological factors and data on incidence of gastrointestinal diseases(including dysentery，typhoid fever and paratyphoid fever，viral hepatitis)in Beijing area，for the period 1970-2004.ResultsAll predictive models using meteorological factors during the corresponding year and one to three years ago can be successfully established and the forecast accuracy were nearly 60%.Additionally，the meteorological factors with largest contribution include average relative humidity in the current year，and average relative humidity as well as average wind speed in one to three years ago.The model using these vital meteorological factors has shown a relatively high accuracy rate 80%.ConclusionThe incidence of gastrointestinal diseases in Beijing is related to meteorological variables in current year and the past three years.Furthermore，the predictive models suggest that the use of a collection of meteorological variables spanning from three years ago to the present is superior to the use of data from only a single year using.

Beijing;gastrointestinal diseases;weather;five circuits and six qi;pestilence occurring after three years;BPartificial neural network

R256.34

:A

:2095-6258(2015)01-0105-05

2014-07-27)

10.13463/j.cnki.cczyy.2015.01.036

國家自然科學(xué)基金項目“北京地區(qū)60年疫病發(fā)生、氣象變動規(guī)律性與五運六氣理論關(guān)聯(lián)性研究”(81072896)。

張軒(1987-)，女，博士研究生，主要從事五運六氣學(xué)說研究。

*通信作者:賀娟，女，教授，博士研究生導(dǎo)師，電話-(010)64287003，電子信箱-hejuan6428@sina.com。