Lancet Planetary Health：2000年至2020年美国野火排放的黑碳和PM2.5造成的长期死亡率负担趋势

PM2.5对空气质量、气候变化和公共卫生有重大影响。了解和估计这种影响需要了解表面PM2·5的数量和成分的时空变化。多种因素使这具有挑战性，包括气溶胶源和气溶胶过程的变化和多样性，以及少量的表面观测站。许多国家正在对人为排放进行监管，而野火则显示出显著的时间变化。两者都是PM2·5质量和成分的重要贡献者，其中包括硫酸盐、硝酸盐、铵、有机碳和黑碳。

特别重要的是黑碳，因为它对太阳辐射的强烈吸收，由于它与行星边界层的正反馈，可能会使空气质量恶化，加剧了对气候的影响，以及其潜在的高毒性，因此对公共健康的影响更严重。尽管美国人为排放的历史记录有据可查，但影响PM2·5的特定空气污染源的排放减少对公共卫生的国家影响尚未在十年级研究中。

空气污染浓度的公共卫生结果因火灾排放的年度大幅波动和相关不确定性而进一步掩盖，这些不确定性因地区和季节而异。野火增加PM2·5对许多健康结果的长期和急性影响是众所周知的。然而，人们对火灾排放的黑碳对健康的具体影响知之甚少。

之前的研究将基于卫星的气溶胶光学深度（AOD）产品与原位地面测量相结合，通过Kriging、土地使用回归和贝叶斯最大熵建模、8种梯度增强树、9个随机森林、地理加权回归、机器学习集成建模、神经网络、和卷积神经网络等方法估计美国表面PM2·5。与PM2·5不同，很少有研究专注于黑碳估计。尽管自20世纪70年代《清洁空气法》颁布以来，美国的PM2·5浓度被假设为下降，由于旨在减少人为排放的持续法规，这个猜想仅靠表面观测无法完全验证。

因为它没有提供完整的大陆空间覆盖，特别是考虑到过去十年美国西部火灾的增加。火灾排放是美国第二大黑碳来源，也是火灾易发地区PM2·5的重要贡献者，可能会增加环境PM2·5的数量和毒性，并加剧其健康影响。这导致假设PM2·5对公共卫生的总体影响在过去二十年中可能没有改变，甚至可能增加在美国，至少在美国西部。

许多研究估计了与PM2·5暴露相关的死亡率负担，通常通过将PM2·5质量浓度和人口密度分布与浓度-反应功能（CRF）相结合来评估。Apte和同事表明，2006年世卫组织空气质量指南（年平均PM2·5为10微克/立方米）设定的PM2·5全球目标尚未实现。满足这一标准所需的全球PM2·5的减排量本可以在2010年避免23%的人口死亡，这归因于环境PM2·5。

然而，在较低浓度下，更清洁地区的人群对PM2·5更敏感。因此，与中国和印度等污染较严重的国家相比，美国火灾排放的PM2·5增加可能会给公共卫生带来更大的负担。阿奎莱拉和同事发现，1999-2012年期间，与野火相关的PM2·5对人类呼吸系统的风险比南加州其他PM2·5来源更大。

O'Dell和同事显示，与烟雾相关的PM2·5相关的大多数死亡发生在2006年至2018年期间的美国西部以外。相比之下，很少有人调查黑碳对美国健康的影响，部分原因是缺乏暴露数据来源和缺乏黑碳的CRF。Smith和同事通过一项大型时间序列和队列研究，估计了美国66个城市与长期黑碳暴露相关的死亡率影响。

他们的发现表明，与未分化的PM2·5相比，黑碳对健康的影响更大。Wang和同事和Pond和同事发现，美国心肺死亡率和全因死亡率以及黑碳暴露之间存在很强的正相关。李和同事估计，2010年美国环境黑碳导致约14000例过早死亡。

在目前的研究中，调查了过去二十年来美国大陆表面PM2·5质量及其黑碳比例的变化，以及PM2·5暴露导致的死亡负担的变化（如果有的话）有多大可以归因于火灾。研究人员通过在美国太空和表面进行深度学习和长期气溶胶测量所带来的进步为基础，来解决这两个问题。

我们首先推导了美国2000年至2020年的每日表面PM2·5和黑碳浓度，美国大陆每个1平方公里的网格都有完整的空间覆盖。2023年12月4日发表在Lancet Planetary Health的研究，整合了基于卫星的数据产品的多个来源、气溶胶成分的再分析数据集以及来自美国表面监测站的数据集。

本文的方法减轻了由于云层和表面雪或冰覆盖而与卫星AOD检索中的空间间隙相关的缺失数据的影响，并考虑了AOD-PM2·5关系中的时空异质性。还根据与年度PM2·5和黑碳浓度变化相关的过早死亡人数来评估长期（2000年至2020年）死亡负担，并调查自新千年开始以来火灾排放在改变年度死亡负担中的作用。为了评估死亡率负担，从美国最近的一项队列研究中收集了PM2·5的CRF。还进行了一项敏感性研究，从荟萃分析中取出黑碳的CRF，以考虑黑碳与其他PM2·5成分相比的潜在毒性更大。

在这项研究中，研究人员通过深度学习，从2000年到2020年，通过集成卫星、模型和表面观测的大数据，得出了美国PM2·5及其高毒性黑碳成分的每日浓度，分辨率为1公里。研究人员分别使用从国家队列研究和元分析研究中收集的浓度-反应函数，估计了每个1-km2网格的年度PM2·5可归因和黑碳可归因的死亡率负担。本文调查了PM2·5和黑碳污染的时空线性回归趋势及其相关的早期死亡，以及野火对空气质量和公共卫生的影响。

研究结果显示，PM2·5和黑碳估计值是可靠的，基于样本的交叉验证确定系数分别为0·82和0·80，用于每日估计（每月估计为0·97和0·95）。2000年至2020年，美国PM2·5和黑碳都呈现出总体下降趋势（PM2·5下降22%，黑碳下降11%），导致每年减少约4200例过早死亡（95%CI 2960-5050）。然而，自2010年以来，美国西部的细颗粒和过早死亡的下降趋势已经逆转，增加了（PM2·5增加了55%，黑碳增加了86%，以及670例过早死亡增加了[460-810]），而美国东部则基本保持不变。

2000年至2020年期间，美国大陆超过世卫组织建议的短期空气质量标准的天数的空间分布

美国西部的年际波动很大，这可归因于野火发生率的增加。此外，黑碳与PM2·5质量比在美国各地每年增加2.4%，主要是由于美国西部野火排放量增加，以及美国东部其他成分的更快速减少，这表明PM2·5的相对毒性可能增加。

美国100%的人口地区在2000-2020年期间至少经历了一天的PM2·5污染，超过了每日空气质量标准15微克/立方米，99%的人至少经历了7天，85%的人经历了至少30天。最近大范围的野火大大增加了美国西部的每日暴露风险，并且由于烟雾的远距离传播，也影响了美国中西部。

综上所述，在高污染条件下的每日PM2·5检索往往被低估，这是所有模型中的常见问题，主要是由AOD观测的大量不确定性和高度污染条件下的数据样本数量较少造成的。黑碳检索不如PM2·5的提取准确，主要是因为它们的浓度较低，与PM2·5的总质量的关系更加不同。

准确性的降低也受到黑碳观测量较小和黑碳测量不确定性相对较大的影响（100%，而PM2·5为10%）。尽管频繁的野火排放与随后的空气质量恶化以及美国西部相关健康负担的潜在增加之间存在联系，但这些基于观察的发现主要是统计性的。需要进行观察和建模研究，以更深入地了解过程，了解火灾排放与地表空气污染物变化之间的因果关系，以及急性暴露于新鲜和老年烟雾的具体健康影响研究。

原始出处

Wei, J., Wang, J., Li, Z., Kondragunta, S., Anenberg, S., Wang, Y., ... & Ichoku, C. (2023). Long-term mortality burden trends attributed to black carbon and PM2· 5 from wildfire emissions across the continental USA from 2000 to 2020: a deep learning modelling study. The Lancet Planetary Health, 7(12), e963-e975.