Combined effects of atmospheric pollution and thermal stress on the environment

Abstract

The scope of the present Doctoral Dissertation is to present a thorough assessment of the compound effects of thermal stress and air pollution on human mortality in the greater area of Thessaloniki, Greece. To meet this goal, daily concentrations of air pollutants (PM10, NO2 and O3) and daily values of thermal index (maximum Apparent Temperature, Tappmax) during 2006-2016, were utilized. The work presented in the following chapters was realized in 3 discrete steps. At a first stage, a Distributed Lag Non-Linear Model (DLNM) was developed for the association of Tappmax and mortality. The obtained results revealed that heat-attributable mortality in Thessaloniki was mainly associated with high temperatures and confirmed that heat has prompt impact on health. As expected, the Elderly (65+) showed increased vulnerability, compared to general population. At a second stage, the same methodology was followed to examine the effects of short-term exposure to PM10 and O3 on cause-specific mortality. It was showed that citizens of the city, especially older individuals, were at risk from the current levels of air pollution. O3 demonstrated more severe impact than PM10, particularly with regards to cardiorespiratory mortality. A secondary aim of this study was to quantify health benefits from two air pollution abatement scenarios that resulted in immediate decreases in mortality risk. The final objective was to analyze the interactive effects between daily maximum Apparent Temperature and air pollution (NO2, O3, PM10) in cause-specific mortality (non-accidental, cardiovascular, respiratory), by developing a Distributed Lag Non-linear Model using the framework of Generalized Additive Models (GAM). Separate analysis was conducted for the Elderly citizens, as well as evaluation of the lag structure. This study found that deteriorated air quality rendered the local population more susceptible to the effects of temperature variability, and vice versa. More specifically, it was revealed that air pollution enhanced temperature effects on daily mortality, and associations between elevated temperatures and casualties were generally stronger at increased pollution levels. Low temperatures were associated with increased mortality as well, but not to the same extent. Impacts of heat were immediate, whereas the prevalence of cold effects became more pronounced as longer time lags were considered. Based on this analysis, the elderly citizens were susceptible to the adverse combination of thermal conditions and poor air quality. This dissertation presents for the first time a General Additive Model-based approach to assess the synergistic impact of thermal conditions and air quality for the urban area of Thessaloniki, by using an advanced statistical approach that captures the complex non-linear and lagged dependencies in both the exposure-response and lag-response associations, and flexible enough to be modified for other synergies. The results presented here hold significant significance for the advancement of public health interventions designed to manage and prevent the health outcomes associated with exposure to unfavorable thermal and air quality conditions.

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η παρουσίαση της διεξοδικής αξιολόγησης των συνδυαστικών επιπτώσεων της θερμικής καταπόνησης και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην ανθρώπινη θνησιμότητα, στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης. Για την επύτευξη αυτού του στόχου, χρησιμοποιήθηκαν ημερήσιες συγκεντρώσεις ατμοσφαιρικών ρύπων (PM10, NO2 και O3) και ημερήσιες τιμές θερμικού δείκτη, κατά την περίοδο 2006-2016. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε σε 3. διακριτά βήματα. Σε πρώτο στάδιο, αναπτύχθηκε ένα μη-γραμμικό μοντέλο κατανεμημένης χρονικής υστέρησης (Distributed Lag Non-Linear Model, DLNM) για τη συσχέτιση του θερμικού στρες και της θνησιμότητας. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποκάλυψαν ότι η αποδιδόμενη από τη θερμότητα θνησιμότητα στη Θεσσαλονίκη συσχετίστηκε κυρίως με υψηλές θερμοκρασίες και επιβεβαίωσαν ότι η ζέστη έχει άμεσο αντίκτυπο στην υγεία. Όπως ήταν αναμενόμενο, τα ηλικιωμένα άτομα (65+) παρουσίασαν αυξημένη ευαλωτότητα σε σύγκριση με τον γενικό πληθυσμό. Σε δεύτερο στάδιο, ακολουθήθηκε η ίδια μεθοδολογία για την εξέταση των επιπτώσεων της βραχυπρόθεσμης έκθεσης σε PM10 και Ο3 στην ημερήσια θνησιμότητα. Αποδείχθηκε ότι ο πληθυσμός της πόλης, ιδιαίτερα τα άτομα μεγαλύτερης ηλικίας, κινδυνεύουν από τα σημερινά επίπεδα ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το O3 επέδειξε εντονότερη επίδραση από τα PM10, ιδιαίτερα όσον αφορά τη θνησιμότητα από καρδιοαναπνευστικές αιτίες. Ένας δευτερεύων στόχος αυτής της μελέτης ήταν η ποσοτικοποιήση του όφελους για την υγεία από δύο σενάρια μείωσης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, που είχαν ως αποτέλεσμα την άμεση μείωση του κινδύνου θνησιμότητας. Τελικός στόχος ήταν να εξεταστούν οι διαδραστικές επιδράσεις μεταξύ του ημερήσιου βιομετεωρολογικού δείκτη και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης (NO2, O3, PM10) στη θνησιμότητα, αναπτύσσοντας ένα DLNM στο πλαίσιο των Γενικευμένων Προσθετικών Μοντέλων (Generalized Additive Models, GAM). Διαπιστώθηκε ότι η επιδείνωση της ποιότητας του αέρα καθιστά τον τοπικό πληθυσμό πιο ευάλωτο στις επιπτώσεις της θερμοκρασίας, και αντίστροφα. Πιο συγκεκριμένα, η ατμοσφαιρική ρύπανση ενίσχυσε τις επιπτώσεις της ζέστης στην ημερήσια θνησιμότητα και οι συσχετίσεις μεταξύ των αυξημένων θερμοκρασιών και των θανάτων ήταν γενικά ισχυρότερες σε αυξημένα επίπεδα ρύπανσης. Οι χαμηλές θερμοκρασίες συσχετίστηκαν και εκείνες με αυξημένη θνησιμότητα, αλλά όχι στον ίδιο βαθμό. Οι επιπτώσεις της ζέστης ήταν άμεσες, ενώ οι συνέπειες λόγω κρύου απαιτούσαν περισσότερες μέρες για να εκδηλωθούν. Με βάση αυτή τη μελέτη, οι ηλικιωμένοι πολίτες ήταν ιδιαίτερα επιρρεπείς στο δυσμενή συνδυασμό θερμικής επιβάρυνσης και κακής ποιότητας αέρα. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει για πρώτη φορά μια προσέγγιση βασισμένη σε Γενικό Προσθετικό Μοντέλο για την αξιολόγηση της συνδυαστικής επίδρασης των θερμικών συνθηκών και της ποιότητας του αέρα στην αστική περιοχή της Θεσσαλονίκης, χρησιμοποιώντας μια προηγμένη στατιστική προσέγγιση που αποτυπώνει τις πολύπλοκες συσχετίσεις, η οποία είναι αρκετά ευέλικτη για να επεκταθεί και σε άλλες μελέτες. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ συμβάλουν στην ανάπτυξη μέτρων για την προστασία της δημόσιας υγείας από την έκθεση σε δυσμενείς μετεωρολογικές συνθήκες και συνθήκες ποιότητας του αέρα.