貴州省健康氣象指數(shù)預(yù)報(bào)模型構(gòu)建及技術(shù)

唐延婧

(貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 引言

天氣、氣候的變化，往往會(huì)使人們身體出現(xiàn)不適，引起一些疾病的發(fā)生。因此，研究氣象環(huán)境對(duì)人體健康的影響，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，也越來(lái)越成為氣象部門在常規(guī)預(yù)報(bào)之外更貼近民生的氣象服務(wù)內(nèi)容。近幾十年，國(guó)內(nèi)外已有不少地區(qū)先后開展了很多健康氣象指數(shù)的相關(guān)研究［1－8］，形成了多種多樣的健康(醫(yī)療)氣象指數(shù)［9－13］。貴州省從2001年開始健康氣象指數(shù)方面的研究，參考和吸取了眾多國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)和成果，在2004年建成了系統(tǒng)的環(huán)境氣象指數(shù)預(yù)報(bào)方法和業(yè)務(wù)系統(tǒng)［14－15］。

準(zhǔn)確、規(guī)范、有代表性的病例治療是開展醫(yī)學(xué)氣象研究的基礎(chǔ)。同時(shí)貴州省多樣性的天氣氣候特征使得貴州省的健康氣象模型具有深入探討的必要。為了對(duì)貴州省健康氣象指數(shù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，重新梳理指數(shù)類型及預(yù)報(bào)方法，本次研究以有一定規(guī)模和代表性的病例作為基礎(chǔ)開展健康氣象指數(shù)的研究，得到了貴陽(yáng)中醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院(下文簡(jiǎn)稱中醫(yī)二附院)的協(xié)助，收集了相關(guān)疾病的門診病例。通過(guò)相關(guān)疾病的發(fā)病率的統(tǒng)計(jì)分析，及與各個(gè)氣象因子的相關(guān)性研究和回歸分析，構(gòu)建切合貴州省實(shí)際的健康氣象指數(shù)劃分等級(jí)和模型。

2 指數(shù)類型和資料說(shuō)明

2.1 健康氣象指數(shù)類型

國(guó)內(nèi)的健康氣象指數(shù)有繁有簡(jiǎn)，多數(shù)按照疾病類別來(lái)分別建立健康氣象指數(shù)模型。但不少研究表明同一類型的疾病在同一天氣情況下有不同的發(fā)病率。文獻(xiàn)［16］指出感冒發(fā)病率主要受天氣變化的影響，肺炎和支氣管炎則主要與特定的氣候環(huán)境關(guān)系密切。楊宏青等發(fā)現(xiàn)［12］，武漢市呼吸道疾病上呼吸道感染多發(fā)于夏季，下呼吸道感染多發(fā)于冬季。可見上呼吸道感染(主要表現(xiàn)為感冒)及下呼吸道感染適合分別討論。國(guó)內(nèi)外諸多研究表明［9－12］，較大幅度的變壓、強(qiáng)降溫、高溫高濕、日較差等氣象條件及其變化是心腦血管疾病發(fā)病、加重和死亡的誘因之一。

綜上所述，并參考貴州省原有的城市環(huán)境氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)［15］，本次研究選取常見且對(duì)天氣變化較敏感的幾種疾病作為待考察疾病，將貴州省健康氣象指數(shù)類型暫定為4 個(gè):感冒、(下)呼吸道疾病、心腦血管疾病、中暑。

貴陽(yáng)夏季涼爽，少有重癥中暑患者，病例也極少中暑病癥的記錄。但貴州省的銅仁、黔東南、黔西南等地夏季常有高溫出現(xiàn)，有發(fā)生重癥中暑的可能，因此仍需制作中暑氣象指數(shù)預(yù)報(bào)。貴州省現(xiàn)行的中暑指數(shù)模型主要影響因子為氣溫和濕度，效果較理想，本文仍沿用原有指數(shù)模型，不做探討。同時(shí)由于病例人數(shù)的限制，本文未將心腦血管疾病進(jìn)行細(xì)分分析。

2.2 病例資料

國(guó)內(nèi)發(fā)病率的資料，多是通過(guò)收集醫(yī)院門診、住院人數(shù)或急診人次間接反映的。本文病例資料來(lái)源于三級(jí)甲等醫(yī)院貴陽(yáng)中醫(yī)二附院的急診科、心血管科、呼吸系統(tǒng)科兩大類(呼吸系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng))疾病的門診和急診登記資料共5 萬(wàn)多例。該院位于市中心，就診病源主要是貴陽(yáng)市市民，具有一定代表性。時(shí)間序列從2008年10月25日—2011年5月31日。統(tǒng)計(jì)時(shí)按照預(yù)訂的健康氣象指數(shù)相關(guān)疾病分類進(jìn)行(見表1)。雖然對(duì)疾病的發(fā)病率要做到全面統(tǒng)計(jì)有很大的難度，但門診就醫(yī)的人數(shù)可以作為發(fā)病率的量化表現(xiàn)形式，下文將此作為發(fā)病率討論研究。

表1 貴州省健康氣象指數(shù)類型

2.3 氣象資料

本文選取2008年10月25日—2011年5月31日貴陽(yáng)站點(diǎn)的08 時(shí)總云量、08 時(shí)風(fēng)速、08 時(shí)能見度、08 時(shí)氣壓、日最高氣溫、日最低氣溫、降雨量、08時(shí)相對(duì)濕度、14 時(shí)相對(duì)濕度等9 個(gè)基本氣象因子。

考慮到人體對(duì)天氣，即氣象要素構(gòu)成的環(huán)境有所反應(yīng)，需要達(dá)到某種天氣持續(xù)一段時(shí)間，或天氣變化達(dá)一定程度，因此本文在氣象因子構(gòu)建中引入了能見度、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度的3 d 和7 d平均，可表征達(dá)到一定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)氣象要素的持續(xù)情況;還引入了氣溫、氣壓的變化量如氣溫距平、日溫差、日變壓等，以及變化量的3 d、7 d 絕對(duì)值的累加值等表征氣象因子的變化程度。共衍生出28 項(xiàng)因子，與9 個(gè)基本因子共37 項(xiàng)作為待考察相關(guān)性的氣象因子(表2)，下文將直接引用各因子對(duì)應(yīng)的代表字符。

3 健康氣象模型建立

國(guó)內(nèi)外已有的健康氣象指數(shù)模型研究成果中，采用時(shí)間序列法、回歸統(tǒng)計(jì)法［2，5，6，2］、自動(dòng)交互檢驗(yàn)法(AID)［7］等建立模型。本文采取常用的回歸統(tǒng)計(jì)法。

表2 待考察的氣象因子

3.1 各疾病發(fā)病規(guī)律及發(fā)病率資料標(biāo)準(zhǔn)化

預(yù)報(bào)方程的建立是基于各待考察疾病的發(fā)病率與氣象因子相關(guān)的假設(shè)成立。因此首先對(duì)各發(fā)病率規(guī)律做分析研究。

通過(guò)分析各疾病的門診就診人數(shù)逐月變化(圖1)，發(fā)現(xiàn)待考察疾病的發(fā)生確有著較明顯的月季變化規(guī)律:如感冒的發(fā)病在冬半年的11月和4月為高峰期，1月或2月為低谷;夏半年在10月為高峰期，7月為低谷。呼吸道和心腦血管疾病也有相似的月變化規(guī)律。各疾病在不同年份和季節(jié)變化幅度有所不同，是四季氣象因子變化對(duì)疾病影響的具體體現(xiàn)。可見各待考察疾病與氣象因子相關(guān)的假設(shè)是成立，可做進(jìn)一步的模型研究。

圖1 各待考察疾病就診日平均人數(shù)月變化

門診就診人數(shù)作為發(fā)病率的一個(gè)量化表現(xiàn)形式，還受到很多非疾病方面的影響，為了更客觀的反應(yīng)發(fā)病率，需要對(duì)門診人數(shù)做進(jìn)一步的處理。取自醫(yī)療單位的就診人數(shù)數(shù)據(jù)必然受到作息制度的影響出現(xiàn)“星期幾效應(yīng)”。另外，每年的春節(jié)長(zhǎng)假期間就診人數(shù)偏少尤為明顯。研究中還發(fā)現(xiàn)，由于該醫(yī)院設(shè)施和技術(shù)的不斷改善，就診人數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)。為消除這些因素的影響，本文參考文獻(xiàn)［12］中的做法，將病例以一周7 d 為單位做了滑動(dòng)平均處理得到新序列，并剔除春節(jié)節(jié)假日時(shí)段。同時(shí)考慮到如前述的發(fā)病率有明顯季節(jié)變化，再逐年分冬半年(11月—4月)和夏半年(5月—10月)兩季，從2008年11月開始到2011年5月按先后劃分為第1，2…… 5年季。最后分年季做標(biāo)準(zhǔn)化(公式1):

得出標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)病率實(shí)際為發(fā)病率相對(duì)于平均水平的一個(gè)比較值，對(duì)于只需要得出具有指導(dǎo)性意見的健康氣象指數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具有更好的可預(yù)報(bào)性。

3.2 相關(guān)性分析

考慮到氣象要素變化引發(fā)或加重疾病之間，以及病患疾病的發(fā)生與到醫(yī)院就診之間存在著滯后關(guān)系，因此把氣象資料提前0～6 d 與發(fā)病率資料逐一對(duì)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)性分析。與各待考察疾病發(fā)病率相關(guān)(相關(guān)系數(shù)＞0.1，通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn))的因子見表3。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在冬半年，呼吸道和心腦血管疾病相關(guān)系數(shù)表中0～6 d的相關(guān)系數(shù)呈遞增趨勢(shì)，即發(fā)病率與前第6 d(6 d)的氣象因子相關(guān)性最好。夏半年則相反，與當(dāng)日(0 d)的氣象因子相關(guān)性最好。反應(yīng)了這兩類疾病對(duì)氣象因子的敏感性和滯后性的季節(jié)差異較明顯:在冬半年，疾病發(fā)生對(duì)于氣象因子的變化較為滯后;夏半年疾病發(fā)生對(duì)氣象因子的變化更為敏感，氣象因子的變化引起疾病更為突然。而感冒是一年四季的多發(fā)病，且多數(shù)發(fā)病急，在冬半年和夏半年的相關(guān)系數(shù)表中都表現(xiàn)為與當(dāng)日(0 d)的氣象因子相關(guān)系數(shù)最好。

表3 與各待考察疾病相關(guān)的主要?dú)庀笠蜃?/p>

①各待考察疾病發(fā)病率與氣溫的相關(guān)性在冬半年尤其明顯;在夏半年氣溫與感冒顯著相關(guān)，與心腦血管疾病相關(guān)。且與7 d 平均的氣溫值相關(guān)性最好，3 d 平均值次之，當(dāng)日氣溫值最差，可見氣溫在冬半年是引發(fā)疾病的一個(gè)重要因子，一定值的氣溫維持一段時(shí)間后對(duì)疾病的影響更顯著。

②各待考察疾病發(fā)病率與氣溫、氣壓的相關(guān)性在冬半年及夏半年基本相反，即各疾病高發(fā)條件指向冬半年高溫低壓，夏半年高壓低溫能見度差。結(jié)合這兩種疾病的月變化來(lái)看，高發(fā)時(shí)段多在春、秋兩季，是冬半年氣溫相對(duì)較高，氣壓相對(duì)較低;及夏半年氣溫相對(duì)較低，氣壓相對(duì)較高的時(shí)段。進(jìn)一步驗(yàn)證了前述的疾病發(fā)病率月變化規(guī)律。

③各待考察疾病發(fā)病率與能見度在夏半年呈負(fù)相關(guān)，尤其感冒發(fā)病率與之相關(guān)性較好;指示了有霧霾等空氣污染的天氣條件下，易引發(fā)疾病。呼吸道和心腦血管疾病發(fā)病率與能見度在冬半年呈正相關(guān)，但相關(guān)性不及夏半年，也許因?yàn)槎肽暧泻芏嗟湍芤姸忍鞖馐怯伸o止鋒附近的雨霧造成，空氣污染相對(duì)不嚴(yán)重。

④各待考察疾病在冬半年與相對(duì)濕度相關(guān)，而在夏半年沒有相關(guān)。感冒在冬半年僅與3 d 平均14 時(shí)濕度(hb3)正相關(guān);呼吸道和心腦血管疾病與相對(duì)濕度項(xiàng)為負(fù)相關(guān)，其中呼吸道與相對(duì)濕度相關(guān)性較好，反應(yīng)了冬半年干燥天氣容易引發(fā)呼吸道疾病的病理。

⑤感冒在冬半年與夏半年都與氣溫距平正相關(guān)，與累計(jì)氣溫變化、雨日呈負(fù)相關(guān)(冬半年接近通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn))，即少雨，氣溫偏高且變化不大的天氣條件下，易患感冒。感冒在冬半年與變壓幅度呈明顯負(fù)相關(guān)，而夏半年與日溫差正相關(guān)。說(shuō)明冬半年氣壓變化小的穩(wěn)定天氣下、夏半年日溫差大的情況下易發(fā)生感冒。

⑥呼吸道和心腦血管疾病與氣溫距平、累計(jì)氣溫變化(心腦血管疾病與3 d 累計(jì)最高氣溫變幅ttb3在冬半年接近通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn))、變壓幅度和能見度在冬半年正相關(guān)，夏半年負(fù)相關(guān);這兩種疾病在冬半年還與雨日呈負(fù)相關(guān)，呼吸道疾病與之為顯著相關(guān)。這兩種疾病在冬半年更傾向于發(fā)生在氣溫偏高、少雨、天氣變化較大的天氣條件下。在夏半年易發(fā)生在氣溫偏低、天氣較穩(wěn)定的天氣條件下。

⑦與多數(shù)研究成果不同［4，9－14］，本文研究的結(jié)果顯示各待考察疾病的發(fā)病率增加沒有指向變壓、變溫明顯的冷空氣過(guò)程、冷高壓控制天氣或氣溫日較差較大的天氣。一是因?yàn)閷?duì)病例資料的滑動(dòng)平均處理，對(duì)峰值有平滑作用。二是如前述的疾病發(fā)病率月變化規(guī)律。三是貴州省的氣候特征冬暖夏涼，季節(jié)之間的氣溫變化較小;陰天多，常年相對(duì)濕度在70%以上;尤其冬半年往往在冷空氣過(guò)后維持靜止鋒天氣，使得處于鋒后的貴州省大部分地區(qū)常維持低溫陰雨天氣，天氣穩(wěn)定，晝夜溫差小。

3.3 預(yù)報(bào)方程的建立

由于疾病發(fā)生的復(fù)雜性和不確定性，導(dǎo)致實(shí)際的發(fā)病率的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)非常困難。但通過(guò)前述相關(guān)性的論證，證實(shí)疾病的發(fā)生與氣象因子之間確實(shí)存在相關(guān)性。通過(guò)建立氣象因子模型，得出氣象對(duì)健康(疾病發(fā)病率)的影響指標(biāo)，而非直接預(yù)報(bào)發(fā)病率，并提出相應(yīng)指導(dǎo)和指示是可行的。

根據(jù)之前得到的相關(guān)性結(jié)果，篩選出相關(guān)性較好的氣象因子。在研究中發(fā)現(xiàn)疾病發(fā)病率與某些氣象因子之間的相關(guān)是非線性的、復(fù)雜的(如圖2a)，難以用單純的線性方程表達(dá)。為了取得更好的擬合效果，在兩者非線性相關(guān)情況下對(duì)氣象因子進(jìn)行簡(jiǎn)單的函數(shù)變化得到新的因子，大多數(shù)新的因子在與發(fā)病率的相關(guān)系數(shù)上有所提高。從關(guān)系分布圖(圖2b)也可以看出散點(diǎn)分布更易于用方程歸納。結(jié)果證實(shí)引入了函數(shù)變化因子的模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)得到很大提高。本文采用逐步逼近法最優(yōu)化參數(shù)，建立氣象因子與發(fā)病率之間的多個(gè)回歸方程(方程略)作為備選模型。回歸方程都通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 (a)呼吸道發(fā)病率與前第6 d hb3關(guān)系;(b)呼吸道發(fā)病率與前第6 d Ln(100－h(huán)b3)關(guān)系

4 健康氣象指數(shù)等級(jí)劃分及模型效果檢驗(yàn)

4.1 劃分健康氣象指數(shù)等級(jí)

根據(jù)表4 將氣象因子對(duì)發(fā)病率的影響指標(biāo)劃分為5 個(gè)等級(jí)，并針對(duì)不同級(jí)別提出相應(yīng)的建議、措施和合理建議。

表4 健康氣象指數(shù)等級(jí)劃分

4.2 模型效果檢驗(yàn)

本文采用回代檢驗(yàn)法，對(duì)各個(gè)備選方程進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)上述的健康氣象指數(shù)等級(jí)劃分，篩選出最優(yōu)方程的檢驗(yàn)結(jié)果如表5，回歸方程均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。

表5 回代檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由于病例資料取自門診記錄，疾病的類型以及資料的準(zhǔn)確度都受到很大程度的影響，而且多有資料缺失或失真的情況，回代檢驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際發(fā)病率有一定偏差。因此本文將預(yù)報(bào)與實(shí)況一致及相差一級(jí)作為正確結(jié)果。結(jié)果為各方程的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都在90%以上，達(dá)到實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行水平。

在實(shí)際運(yùn)用中，預(yù)報(bào)模型需要預(yù)報(bào)未來(lái)1～2 d的健康氣象指數(shù)。模型所需要?dú)庀笠蜃訛楫?dāng)日或前幾日的氣象要素，以及未來(lái)1～2 d 預(yù)報(bào)的氣象要素，在實(shí)際應(yīng)用中完全可以通過(guò)常規(guī)氣象資料和預(yù)報(bào)獲取。因此在新的貴州省健康氣象指數(shù)系統(tǒng)中完全可以采用上述預(yù)報(bào)模型，得出具有指導(dǎo)意義的健康氣象指數(shù)，并提出相關(guān)建議。

5 結(jié)論

①各待考察疾病發(fā)病率在11月和4月左右的春、秋兩季為高峰期，有明顯的月變化規(guī)律。

②冬半年，呼吸道和心腦血管發(fā)病率與前第6 d(6 d)的氣象因子相關(guān)性最好，夏半年相反。這兩類疾病對(duì)氣象因子的敏感性和滯后性的季節(jié)差異明顯。而感冒一年四季都與當(dāng)日(0 d)的氣象因子相關(guān)系數(shù)最好，反應(yīng)感冒多發(fā)病急。

③各疾病發(fā)病率與氣溫、氣壓、能見度的相關(guān)性在冬半年和夏半年基本相反。相對(duì)濕度與疾病發(fā)病率在冬半年相關(guān)，其中呼吸道與相對(duì)濕度相關(guān)性較好。

④在冬半年氣溫是引發(fā)疾病的一個(gè)重要因子，一定值的氣溫維持一段時(shí)間后對(duì)疾病的影響更顯著。各疾病在春、秋兩季多發(fā)。有霧霾等空氣污染的天氣條件下，易引發(fā)疾病。冬半年干燥天氣容易引發(fā)呼吸道疾病。少雨、氣溫偏高的天氣易患感冒。呼吸道和心腦血管疾病更傾向于發(fā)生在冬半年氣溫偏高、少雨、天氣變化較大，以及夏半年氣溫偏低、天氣較穩(wěn)定的天氣條件下。

⑤疾病發(fā)病率與一些氣象因子之間的相關(guān)是非線性的，復(fù)雜的，引入簡(jiǎn)單的函數(shù)變化因子提高了模型的復(fù)相關(guān)系。

⑥對(duì)健康氣象指數(shù)等級(jí)進(jìn)行重新劃分，并用逐步回歸方法得出的健康氣象預(yù)報(bào)模型，回代檢驗(yàn)效果較理想，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都在90%以上。

根據(jù)以上結(jié)論和研究結(jié)果，在新的貴州省的健康氣象指數(shù)系統(tǒng)中采用上述預(yù)報(bào)模型以提高健康氣象指數(shù)預(yù)報(bào)的效果;并相應(yīng)提出健康方面的建議，提高服務(wù)的效果。

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