氣象因素影響下中國手足口病時空特征及聚類分析

謝玲，王宏衛(wèi)，劉素紅，高一薄，伊素燕，馬晨

(1.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，桂林 541004；2.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046； 3.北京師范大學(xué) 地理學(xué)部，北京 100875)

0 引言

手足口病是一種由腸道型病毒(EV71或者CoxA16)感染所引起的常見傳染病， 5歲以下兒童多發(fā)，臨床表現(xiàn)為患者的手足肌膚及口咽部出現(xiàn)皰疹，有多種并發(fā)癥如腦膜炎、神經(jīng)源性肺水腫、和心肌炎等，重癥患者有致死風(fēng)險[1]。該傳染病的傳播主要集中在亞太地區(qū)，包括中國大陸[2]、香港[3]、臺灣[4]、日本[5]、韓國[6]、泰國[7]、越南[8]、馬來西亞[9]和新加坡[10]等地。2008年中國衛(wèi)生部為加強手足口病的防控，將其納入丙類傳染病管理，同時發(fā)布了相關(guān)預(yù)防控制指南[11]。手足口病在中國發(fā)病人數(shù)近年來呈波動增長趨勢，疾病監(jiān)測信息管理系統(tǒng)監(jiān)測到2008年手足口病488 955例， 2017年發(fā)病人數(shù)增長至1 929 550例，引起了疫情防控部門的高度重視。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在手足口病方面的研究主要以病原學(xué)、流行病學(xué)特征、發(fā)病機理、血清研究及臨床特點多見[12-13]，從個體水平研究手足口病的發(fā)病內(nèi)在成因。關(guān)于手足口病的臨床研究已較為成熟，但人群水平手足口病病毒存活的外在地理環(huán)境，即該類型病毒的生境研究較為缺乏。隨著醫(yī)學(xué)地理的快速發(fā)展，國內(nèi)關(guān)于手足口病與氣象因素的關(guān)系研究最早出現(xiàn)在2010年[14]，后續(xù)關(guān)于手足口病與自然環(huán)境，如氣象因素(氣溫[15]、降水[16]、相對濕度[17]、氣壓[18]、風(fēng)速[19]等)、社會經(jīng)濟環(huán)境，如人口密度[20]和人均GDP[17]、交通[21]、幼兒園數(shù)量[18]等因素的相關(guān)研究也越來越多。

目前，從大區(qū)域尺度上，國內(nèi)手足口病與氣象因素相關(guān)的定量研究并不多，以省級、市級、縣級展開相關(guān)研究較為常見，但從國家級大區(qū)域尺度展開手足口病的疾病地理研究并不多見。檢索相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)王勁峰、丘文洋[1,11]等、張湘雪[23]等應(yīng)用GIS、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型對某地區(qū)或某省手足口病的時空分布特征和影響因素進行了相關(guān)研究，通過建立模型估算研究區(qū)手足口病發(fā)病風(fēng)險。別芹芹[22]以GIS為工具，可視化中國手足口病疫情的時空分布與動態(tài)變化特征，但沒有進行定量分析。

2017年為中國手足口疫情平發(fā)年，因此選擇2017年為研究時間段，可視化2017年中國各地級市手足口病發(fā)病率，探究各省、自治區(qū)、直轄市的中心城市手足口病發(fā)病率與月均溫、月均降水量之間的函數(shù)關(guān)系。在時空尺度上，分別對各中心城市發(fā)病的季節(jié)(時間)差異特征進行分析和各中心城市所在上一級行政單位年內(nèi)總發(fā)病率進行空間相關(guān)分析。最后，利用系統(tǒng)聚類，對各中心城市手足口病發(fā)病率進行聚類分析，以期對不同類別中心城市手足口病防控提供政策建議。本研究在宏觀層面上，不僅可以直觀地認(rèn)識中國手足口病的分布特征，而且量化了中心城市手足口病發(fā)病與氣象因素之間的關(guān)系，并基于此對中心城市手足口病發(fā)病進行了聚類，實現(xiàn)了個體尺度到空間尺度的研究，也為中國宏觀尺度手足口病的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

中國位于亞歐大陸的東部，太平洋西側(cè)，總面積960×104km2，地形多樣，地勢西高東低，跨越三級階梯。南北跨緯度廣，因接受太陽輻射熱量不等，自北而南跨越多個溫度帶，同時因經(jīng)度差異(距離海洋遠近差異)、地勢地形差異、使得中國各地氣溫降水組合多樣，形成多樣化的氣候類型。中國手足口病近年來呈爆發(fā)趨勢，以中國手足口病發(fā)病的平發(fā)年(2017年)為例(疫情異常年份并不能代表疫情在正常氣象條件下手足口疫情整體趨勢和一般規(guī)律)，各年發(fā)病人數(shù)及發(fā)病率數(shù)據(jù)見表1，圖1展示了研究區(qū)2017年等降水量線下全國各地級市手足口病發(fā)病率的空間分布。

表1 2009—2017年中國手足口病發(fā)病人數(shù)及發(fā)病率 Table 1 The number of HFMD and the incidence of HFMD in China from 2009 to 2017

注：圖中港、澳、臺地區(qū)數(shù)據(jù)不詳不做分析，底圖來源于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖審圖號：GS(2020)4619號。圖 1 2017年等降水量線下各全國各地級市手足口病發(fā)病率空間分布Figure 1 Spatial distribution of incidence of HFMD in prefecture-level cities nationwide in 2017

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)主要包括以下2類：①手足口病數(shù)據(jù)：來源于公共衛(wèi)生科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.phsciencedata.cn/)，分年、分月、分地區(qū)(省級、自治區(qū)、直轄市，省級、自治區(qū)、直轄市中心城市，地級市)手足口病發(fā)病人數(shù)及發(fā)病率數(shù)據(jù)。②氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)：來源于中國氣象網(wǎng)(http://www.weather.com.cn/)中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集V3.0，包括日平均氣溫、日均降水量等。

2.2 研究方法

2.2.1 相關(guān)分析

Pearson相關(guān)系數(shù)是定量評價變量間關(guān)系密切程度的指標(biāo)，其數(shù)學(xué)表達式如式(1)：

(1)

2.2.2 聚類分析

聚類分析又稱為集群分析是一種將較高相似度的數(shù)據(jù)，根據(jù)各對象間的距離劃分成若干組別/類別的統(tǒng)計方法，其實質(zhì)是尋求研究對象之間的親疏關(guān)系。采用系統(tǒng)聚類法，將每個樣本按照一定的法則進行聚類，每次減少一類或者幾類，直到所有樣本聚為一類[25]。采用類內(nèi)各要素的離差平方和和R2統(tǒng)計量來合理確定類別數(shù)，類內(nèi)各要素的離差平方和越小，則代表分類越好?？傄財?shù)為所有類別數(shù)時，離差平方和最小，類別數(shù)即所有要素的總和，顯然分類是不合理的。類內(nèi)各要素的離差平方和SE如式(2)所示：

(2)

(3)

式(3)中:PG表示聚類數(shù)為G時的總類內(nèi)離差平方和，T為所有變量的離差平方和。

2.2.3 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)是指在空間區(qū)域中某一位置的變量與鄰近位置的同一變量的相關(guān)性，該方法已成為研究傳染病疫情和區(qū)域聚集性的一種有效手段。常用的空間自相關(guān)的指標(biāo)有Moran’s I和Getis-Ord ，本研究擬選Moran’I指數(shù)進行分析。Moran’s I指數(shù)范圍為-1到1。當(dāng)Moran’s I的值在-1附近時，總體空間分布表現(xiàn)為高聚類區(qū)域與低聚類區(qū)域相鄰。當(dāng)Moran’s I的值接近0時，則表明在研究區(qū)域內(nèi)未觀察到明顯的空間聚類。當(dāng)Moran’s I的值趨于1時，總體空間分布呈現(xiàn)相似性，表明相似屬性值的空間單元趨于空間集聚，即高聚類區(qū)域與高聚類區(qū)域相鄰，低聚類區(qū)域與低聚類區(qū)域相鄰[27]，其表達式如式(4)。

3 結(jié)果分析

3.1 相關(guān)分析結(jié)果

為排除不同省、自治區(qū)、直轄市的醫(yī)療衛(wèi)生條件差異，省、自治區(qū)、直轄市尺度氣象站點數(shù)目的差異，以各省自治區(qū)直轄市的中心城市為對象，以探究不同地區(qū)中心城市手足口病與氣象因素差異的相關(guān)性。利用Pearson相關(guān)指數(shù)表征各省、自治區(qū)、直轄市的中心城市手足口病發(fā)病率與月均降水量、月均氣溫之間的線性相關(guān)性(表2)。由Pearson相關(guān)性結(jié)果可知，各中心城市手足口病發(fā)病率分別與月均降水量和月均氣溫之間呈正線性相關(guān)，且月均降水量與手足口病發(fā)病率的相關(guān)性略高于月均溫與手足口病發(fā)病率的相關(guān)性。

表2 手足口病發(fā)病率與月均降水量、月均溫相關(guān)系數(shù) Table 2 Correlation between incidence of HFMD and monthlyaverage precipitation & monthly average temperature

各省自治區(qū)直轄市中心城市手足口病發(fā)病率與氣象因素(氣溫、降水量之間)的Pearson相關(guān)性分別為0.588和0.562，為進一步探究手足口病與上述變量之間是否存在擬合較好的非線性函數(shù)關(guān)系，將上述兩變量和中心城市發(fā)病率利用SPSS做散點圖，經(jīng)過多函數(shù)(對數(shù)、指數(shù)、增長、Logistic、復(fù)合)曲線擬合，對比發(fā)現(xiàn)年均降水量與手足口病發(fā)病率呈二次函數(shù)(R2=0.662 3)如圖2a，年均溫與手足口病發(fā)病率呈指數(shù)函數(shù)(R2=0.646 9)如圖2b。

圖2 2017年各省、自治區(qū)直轄市中心城市手足口病與年降水量、年均溫擬合曲線(剔除南寧市)Figure 2 The curve of HFMD was fitted with annual precipitation and average annual temperature of provincial capital cities in 2017

3.2 手足口病季節(jié)差異性

由Pearson相關(guān)性可知，月均降水量和月均溫均與手足口病發(fā)病率均具有一定相關(guān)性。因此，本研究以800 mm等降水量線(且與一月份平均溫度0℃分界線大致相似)作為參考，將全國中心城市手足口病發(fā)病率分為兩組(800 mm降水量以下城市為一組，800 mm以上降水量城市為一組)，進一步分析了各中心城市手足口病發(fā)病的季節(jié)差異性(圖3)。由圖3可知，中國各中心城市2017年手足口病在時間上存在明顯的季節(jié)性差異，其發(fā)病主要集中在5、6、7、8月和9、10、11月。其中南北方各省會城市存在較大的差異，可能與中國南北水熱條件的時空差異顯著相關(guān)。800 mm等降水量線以上各中心城市手足口病呈現(xiàn)年內(nèi)雙高峰模式，因這些城市大多位于一月份平均溫度0℃等溫線以南，可能是因溫度和濕度環(huán)境，引起手足口病的腸道病毒在年內(nèi)兩季均表現(xiàn)出較為活躍的狀態(tài)。該模式下年內(nèi)首次高峰(春夏季高峰)出現(xiàn)在5、6、7月，第二次高峰(秋季高峰)出現(xiàn)在8、9、10月，春夏季高峰與秋季高峰均略有異于800 mm等降水量線以下各中心城市。800 mm等降水量線以下各中心城市手足口病呈現(xiàn)年內(nèi)高低峰模式，第一個高峰出現(xiàn)在6、7、8月，年內(nèi)的第2個高峰出現(xiàn)在9、10、11月，兩個高峰均較800 mm等降水量線以上各中心城市遲1個月。本研究按照降水量將全國中心城市分為兩組，800 mm降水量線為分界線，是中國濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)的分界線，在一定程度上能夠反應(yīng)年內(nèi)降水量的差異性，體現(xiàn)手足口病發(fā)病率降水分異，表明降水對手足口病發(fā)病影響較大。

圖3 2017年各省會城市手足口病分月發(fā)病率Figure 3 Monthly incidence of HFMD in each provincial capital city in 2017

3.3 聚類分析

以2017年中國各省自治區(qū)直轄市中心城市手足口病發(fā)病率數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類分析，為科學(xué)確定系統(tǒng)聚類的類別數(shù)，本研究以類內(nèi)離差平方和(SE)和R2(類內(nèi)離差平方和與總離差平方和的比值)兩統(tǒng)計量為參考，即SE較小和R2變化較為穩(wěn)定。由表3可知，聚為8類，SE為172.81相對較小，SE為0.96變化相對穩(wěn)定，聚類樹如圖4所示。

表3 系統(tǒng)聚類數(shù)類內(nèi)離差平方和與R2統(tǒng)計量 Table 3 System cluster number class the sum of the squares of dispersion within the cluster number of the system

圖4 聚類分析樹狀Figure 4 Cluster analysis of tree diagram

第一類：銀川、太原。上述兩城市2017年年均降水量分別為211 mm和521 mm差異較大，年均溫15℃以下，發(fā)病率相應(yīng)較低3.16/1 044～7.98/104。

第二類：哈爾濱、長春、西寧、烏魯木齊、呼和浩特、拉薩、蘭州、沈陽。上述各城市在東北地區(qū)，西北地區(qū)等地均有分布，年均降水量400 mm左右，發(fā)病率在0～2/104之間，僅拉薩城發(fā)病率為5/104。

第三類：天津、石家莊、北京、鄭州、濟南、西安。上述城市主要集中在華北地區(qū)，也包括西北地區(qū)的少部分城市，其2017年年均降水量近600 mm，年均溫15℃以上，發(fā)病率在3.3/104～11/104之間。

第四類：合肥、武漢、貴陽、昆明、南京。此類城市分年分布于華中-西南-華東等廣大地區(qū)，2017年年均降水量在1 000 mm左右，年均溫16℃以上，發(fā)病率也相對較高，在7/104～14/104之間。

第五類：上海、杭州、重慶、成都、南昌、福州。以上城市2017年年均氣溫近19℃，年均降水量達1 400 mm，但除福州市(12.11/104)手足口病發(fā)病率僅在4.29/104～9.6/104之間，說明年均降水量和年均溫與手足口病發(fā)病率呈非線性增長關(guān)系，與圖2研究結(jié)果一致，且手足口病發(fā)病率與氣溫和降水有閾值效應(yīng)。

第六類：長沙市。2017年長沙市的年均降水量為1 684 mm,其手足口病發(fā)病率為24.7/104遠遠高于南昌市(年均降水量1 698 mm,手足口病發(fā)病率僅為4.5/104)，造成該差異的原因可能與社會經(jīng)濟因素及人為干涉及手足口病防控措施等有關(guān)。

第七類：?？?、廣州。兩城市2017年年均降水量在2 000 mm以上，年均溫23℃，手足口病年發(fā)病率也較高，兩城市的年均發(fā)病率為37.1/104。

第八類：南寧。該市屬于中國手足口病的高發(fā)城市，年內(nèi)發(fā)病率高達56.4/104，其發(fā)病率遠遠高于同等水平城市的年降水量和年均溫。由此可以看出南寧市屬于異常發(fā)病城市，因此，這也是在非線性函數(shù)曲線擬合及函數(shù)擬合時，去掉該城市R2更高的原因。

3.4 空間自相關(guān)分析

全局自相關(guān)分析要求所有單元必須相鄰，因此對2017年1—12月中國各省、自治區(qū)、直轄市手足口病發(fā)病率，運用Geoda軟件進行全局Moran’s I指數(shù)計算，結(jié)果如表4所示。

表4 2017年1—12月各省、自治區(qū)、直轄市全局Moran’s I及氣溫、降水月均值 Table 4 Moran’s I and monthly averages of temperature and precipitation of provincial capital cities from January to December in 2017

7月和8月是南北各地手足口病的高發(fā)季，但由于中國國土面積廣闊，各地氣溫降水變化時間上不一致，導(dǎo)致手足口病發(fā)病率在研究區(qū)域內(nèi)未觀察到明顯的空間聚類。3月為手足口病發(fā)病夏季高峰前期，氣溫降水變化不一，因此也表現(xiàn)出不明顯的空間聚類。

2月、4月和12月均屬于手足口病發(fā)病的谷值月，各地的氣溫降水條件均不能激發(fā)手足口病爆發(fā)，因此年內(nèi)各地手足口病發(fā)病率都較低，表現(xiàn)出較高的空間相關(guān)，即低-低空間相關(guān)。

由各月、各地手足口病發(fā)病率的Moran’s I值及氣溫、降水量月均值結(jié)果表明，2017年2月、4月、12月各省、自治區(qū)、直轄市手足口病的Moran’s I在0.3以上，表明這3個月全國各省、自治區(qū)、直轄市手足口病空間分布出現(xiàn)相似性，3月、7月、8月各省、自治區(qū)、直轄市手足口病的Moran’s I均接近0，表明這幾個月份手足口病發(fā)病基本不存在明顯的空間聚類，各省、自治區(qū)、直轄市發(fā)病差異較為明顯。

同時，由圖1可知，2017年全國各地級市的發(fā)病率空間分布來看，表現(xiàn)為東南各省市發(fā)病率高，西北各省市發(fā)病率低的特點，并且大致表現(xiàn)出手足口病發(fā)病率隨中國等降水量線由東南向西北呈現(xiàn)遞減的趨勢。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

利用中國2017年省、自治區(qū)、直轄市，省、自治區(qū)、直轄市中心城市和全國地級市手足口病月發(fā)病數(shù)據(jù)和同期氣象(氣溫、降水)數(shù)據(jù),從時間和空間上探究不同行政尺度，上述氣象要素與手足口病發(fā)病之間可能存在的非線性關(guān)系，并從全國尺度上對中國手足口病發(fā)病進行系統(tǒng)聚類分析，得出以下結(jié)論。

1)中國手足口病發(fā)病有明顯的時間差異，在時間上主要表現(xiàn)為季節(jié)的差異，因地區(qū)差異，年內(nèi)有單峰發(fā)病模式和雙峰(高低、雙高)發(fā)病模式。

2)中國手足口病月發(fā)病率分別與年均降水量、年均溫顯著相關(guān)，其中手足口病發(fā)病率與年降水量呈二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.662 3)，手足口病發(fā)病率與年均氣溫之間是指數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2=0.646 9)。手足口病發(fā)病與年均降水量的相關(guān)性略高于手足口病與年均溫的相關(guān)性。

3)基于各省、自治區(qū)、直轄市中心城市手足口病發(fā)病率數(shù)據(jù)，將上述城市手足口病發(fā)病共聚為8類，該分類結(jié)果可從宏觀尺度上對不同類別手足口病發(fā)病模式的地區(qū)開展疾病的防控有一定的指導(dǎo)意義。對中國手足口病氣象預(yù)警系統(tǒng)以及宏觀尺度上不同類別發(fā)病城市采取相應(yīng)的控制措施具有重要意義。

4)中國手足口病發(fā)病在空間上表現(xiàn)為東南各省市發(fā)病率高，西北各省市發(fā)病率低的特點，并隨降水量由東南向西北呈現(xiàn)遞減趨勢，且2017年2月、4月、12月各省、自治區(qū)、直轄市手足口病發(fā)病率有顯著的空間相關(guān)。

4.2 討論

氣象因素雖然不是導(dǎo)致手足口病等腸道傳染病發(fā)生的直接原因，但氣象因素(包括溫度、降水等) 作為主要的環(huán)境因素對傳染病的發(fā)生和傳播有著顯著的影響。國內(nèi)外已有大量研究表明氣象因素可改變傳染病的流行強度、流行范圍和傳播種類[28]。手足口病作為一種腸道病毒導(dǎo)致的傳染病, 適宜的溫度和濕度必然會導(dǎo)致腸道病毒在外環(huán)境中大量繁殖并提高病毒的存活能力, 這也將直接導(dǎo)致HFMD的發(fā)病風(fēng)險增高, 而Onouzuka[5]、Munderloh等[6]的研究也表明氣象因素與手足口病發(fā)病有一定關(guān)系，并且是非線性關(guān)系，本研究結(jié)果與前人研究一致。但前人的研究大多是省、市級行政單位借助相關(guān)的非線性模型研究手足口病與氣象因素相關(guān)性及發(fā)病與氣象因素變化之間的時間滯后性研究[8]。

綜上所述,中國各地區(qū)手足口病的發(fā)生與氣溫、降水等氣象因素有關(guān)。相關(guān)衛(wèi)生部門可根據(jù)氣象部門提供的氣象資料, 預(yù)測手足口病的發(fā)生風(fēng)險和流行強度, 及時在高溫、高濕季節(jié)到來之前, 制定相應(yīng)的防控措施。手足口病的流行是行為因素、生物因素、環(huán)境因素、氣象因素及人群的干預(yù)等共同作用的結(jié)果,本研究只是單純從氣象因素出發(fā),因此, 在以后的研究中應(yīng)綜合各因素進行深入分析[28]。