Які зміни ризику та тягаря лісових пожеж у Сполучених Штатах?

Нове дослідження, опубліковане в Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), передбачає похмуре майбутнє для лісових пожеж та токсичного диму. Ось реферат їх нещодавно завершеного дослідження:

Повна публікація дослідження: https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1

Зростання смертельних глобальних пожеж

Нещодавнє різке та смертельне зростання глобальної активності внаслідок лісових пожеж привернуло увагу до причин лісових пожеж, їх наслідків та способу зменшення ризику виникнення пожеж. Тут ми зібрали дані про зміну ризику та соціального тягаря пожеж у Сполучених Штатах. Ми підрахували, що в даний час майже 50 мільйонів будинків перебувають у сполученні між дикою місцевістю та містом у Сполучених Штатах, кількість яких збільшується на 1 мільйон будинків кожні 3 роки. Щоб проілюструвати, як зміни в діяльності пожеж можуть вплинути на забруднення повітря та пов’язані з цим наслідки для здоров’я, і як ці зв’язки можуть направити майбутню науку та політику, ми розробляємо статистичну модель, яка пов’язує супутникові дані пожежі та диму з інформацією станцій моніторингу забруднення.

Лісові пожежі становлять до 25% твердих частинок PM2.5 у Сполучених Штатах

Використовуючи модель, ми вважаємо, що пожежі становлять до 25% PM_2.5 (тверді частинки з діаметром <2.5 мкм) протягом останніх років у Сполучених Штатах, і до половини в деяких західних регіонах, з просторовими закономірностями впливу навколишнього диму, які не відповідають традиційним соціально-економічним градієнтам забруднення. Ми поєднуємо модель зі стилізованими сценаріями, щоб продемонструвати, що заходи з управління паливом можуть мати великі переваги для здоров'я і що майбутні наслідки для здоров'я від диму, викликаного кліматичними змінами, можуть наблизитися до прогнозованого загального збільшення смертності, пов'язаної з температурою, від зміни клімату, але що обидві оцінки залишаються непевна. Ми використовуємо модельні результати, щоб виділити важливі сфери для майбутніх досліджень та витягти уроки для політики.

Площа опіку лісовими пожежами в США становить до 400% за останні чотири десятиліття

За останні чотири десятиліття спалена територія від пожеж в США приблизно в чотири рази (Рис. 1A) (1). Це стрімке зростання було зумовлене низкою факторів, включаючи накопичення палива через спадщину протипожежної діяльності за останнє століття (2) та нещодавнє збільшення посушливості палива (Рис. 1B, показаний для західних частин Сполучених Штатів), тенденція, яка, як очікується, збережеться у міру потепління клімату (3, 4). Це збільшення відбулося паралельно значному зростанню кількості будинків на межі між дикою місцевістю та містом (ІУВ). Використовуючи дані про всесвіт місцезнаходжень будинків у Сполучених Штатах та оновлені національні карти земельного покриву, ми оновлюємо попередні дослідження (5, 6) і підрахуйте, що зараз в ІВП знаходиться 49 мільйонів житлових будинків, кількість яких протягом останніх двох десятиліть збільшується приблизно на 350,000 XNUMX будинків на рік (Рис. 1C та Додаток СІ). Оскільки пожежні зусилля в основному зосереджені на захисті приватних будинків (7), ці фактори сприяли постійному зростанню витрат на гасіння пожеж урядом США (Рис. 1D), який за останні роки склав 3 млрд. доларів США на рік федеральних витрат (1). Загальна площа призначених опіків зросла на південному сході Сполучених Штатів, але в інших місцях залишається переважно рівною (Рис. 1E), припускаючи багатьом, що в цю стратегію зменшення ризику недостатньо інвестується, враховуючи значне загальне зростання ризику стихійного пожежі (8).

Тенденції розвитку драйверів та наслідки пожежі. (A та B) Збільшення обпаленої площі на державних та приватних землях США (A) (1) були частково зумовлені зростанням посушливості палива, показаного тут над заходом США (4) (B). (C та D) Кількість будинків у WUI також швидко зросла (C, наші розрахунки; Додаток СІ), що сприяло зростанню витрат на придушення (D), понесених федеральним урядом. (E) Призначена площа опіку значно зросла на півдні, але рівна у всіх інших регіонах (1). (F та G) Дні задимлення збільшились по всій території Сполучених Штатів (F), можливо, підриваючи покращення якості повітря у Сполучених Штатах (G). (H) Ми обчислюємо дедалі більшу частку загального ${P M}_{2.5}$ що пояснюється димовим вогнем, особливо на Заході. Червоні та сині лінії на кожній ділянці вказують на лінійні відповідність історичним даним, а нахили повідомляються у верхньому лівому куті кожної панелі; всі вони суттєво відрізняються від нуля (Р <0.01 для кожного), за винятком встановленого опіку в регіонах за межами Півдня. Червоні лінії вказують на основні дані з опублікованих досліджень або державних даних, а сині - на нові оцінки з цього документу.

Проблеми, що зростають

Які наслідки цієї зміни пожежної діяльності для загальної якості повітря та для результатів здоров’я, і як політика повинна реагувати? Значне збільшення активності пожеж супроводжувалось значним збільшенням кількості днів із будь-яким димом у повітрі по всій території Сполучених Штатів (Рис. 1F), як оцінено за супутниковими даними (9). Подібне збільшення спостерігається на всій континентальній частині Сполучених Штатів, а не лише на Заході, і загрожує скасуванням значного поліпшення якості повітря, яке спостерігалося в США протягом останніх двох десятиліть (Рис. 1G). Відбитки лісових пожеж уже видно у зростаючих концентраціях органічного вуглецю навесні та влітку, що спостерігаються у сільських районах на півдні та заході СШАДодаток СІ, Рис. S1), відповідно, і дослідження показують, що наявність будь-якого диму в повітрі може збільшити захворюваність та смертність серед схильних груп населення (10, 11).

Виклик для центрів народонаселення

Проблемою в розумінні більш широкого внеску зміни активності пожежі у якість повітря є труднощі в точному пов'язуванні пожежної активності з відповідними експозиціями забруднюючих речовин у часто віддалених населених пунктах (12). Супутникові вимірювання впливу диму стають все більш доступними та привабливими, оскільки моніторинг шлейфу інтуїтивно зв’язує регіони джерела та рецептора. Однак такі дані поки що не можуть бути використані для точного вимірювання щільності диму або для відокремлення диму на поверхневому рівні від диму, що знаходиться вище в атмосферному стовпі, і, отже, їх важко пов'язати з існуючими взаємозв'язками впливу та здоров'я (13, 14). Моделі хімічного транспорту (CTM), які можуть безпосередньо моделювати рух та еволюцію викидів лісових пожеж, пропонують альтернативний підхід для прив’язки місцевих концентрацій забруднення до конкретної пожежної активності. Однак отримання точних оцінок експозиції за допомогою КТМ вимагає подолання кількох основних невизначеностей у шляху між джерелом та рецептором. По-перше, було виявлено, що великі невизначеності в кадастрах викидів лісових пожеж призводять до багаторазових відмінностей, пов’язаних із пожежами ${P M}_{2.5}$ концентрації (твердих частинок з діаметром <2.5 мкм) у Сполучених Штатах (і> 20 × регіональні відмінності у роки високої пожежі), коли різні запаси використовуються як вхідні дані до одного і того ж ТМ (15, 16), а інтеграція супутникових спостережень лише незначно покращує продуктивність (17). По-друге, докладні умови навколишніх викидів, такі як висота впорскувань викидів та дуже локалізована метеорологія та їх транспортування, можуть не фіксуватися моделями і можуть суттєво впливати на оцінки експозиції нижче за течією (18, 19). Нарешті, представлення CTM про атмосферну хімію може не точно фіксувати еволюцію диму від пожежі (20 ⇓⇓⇓-24). На додаток до невизначеності, пов'язаної з моделлю, обчислювальні витрати на управління CTM у великих просторових та часових масштабах означають, що моделі рідко перевіряються на основі тривалих часових рядів вимірювань концентрації, доступних на сотнях наземних станцій у Сполучених Штатах.

Супутникові зображення димового шлейфу

Для подальшого розуміння змін внеску лісових пожеж у вплив твердих частинок у Сполучених Штатах та для ілюстрування ключових наукових та політичних питань, що залишились на перетині лісових пожеж, забруднення та клімату, ми готуємо та перевіряємо статистичну модель, яка стосується змін у супутникових оцінках вплив димового шлейфу та вогнева активність на землю ${P M}_{2.5}$ концентрації в регіонах США (Додаток СІ, Рис. S2). Наша модель спеціально навчена прогнозувати зміни в ${P M}_{2.5}$ з часом у багатьох окремих місцях - варіація, яка все частіше використовується, щоб зрозуміти, як зміни забруднювачів повітря впливають на ключові результати для здоров’я. Наш підхід не покладається на невизначені кадастри викидів і полегшує труднощі при моделюванні розсіювання шлейфу, і результати можуть бути легко перевірені на основі більш ніж десятиліття наземних даних, на яких модель не була навчена. Модельні оцінки надійні для альтернативних способів включення даних про вогонь та шлейф (Додаток СІ, Рис. S3 та таблиці S1 – S3) та ефективність прогнозування змін у цілому ${P M}_{2.5}$ є нарівні з базовими підходами на основі дистанційного зондування (Додаток СІ, Рис. S4) і перевищує зареєстровану продуктивність КТМ (Додаток СІ). Ми порівнюємо оцінки цього підходу із зменшеною формою та інші специфічні для регіону оцінки концентрацій диму в літературі, виявляючи, що наш підхід забезпечує подібні оцінки частки загальної кількості ${P M}_{2.5}$ від диму, як нещодавні дослідження, що охоплюють менші регіони або періоди (Додаток СІ, Рис. S5).

PM2.5 від WIldfires, що сприяє половині всього PM2.5 на Заході

Наші результати показують, що внесок димового пожежі в ПМ_2.5 концентрація в США суттєво зросла з середини 2000-х років, і за останні роки становила до половини загальної кількості ПМ_2.5 вплив у західних регіонах порівняно з <20% десятиліття тому (Рис. 1H). Тоді як збільшується внесок диму в ПМ_2.5 зосереджені на заході США, їх також можна побачити в інших регіонах (Рис. 2 A та B), результат далекого транспортування диму від великих пожеж. Дійсно, у середньозахідних та східних регіонах Сполучених Штатів зростаюча частка диму, за оцінками, походить від пожеж на заході США або за межами США (13) (Рис. 2 C та D), що відображає нещодавні висновки щодо значного транскордонного руху в цілому ${P M}_{2.5}$ в межах Сполучених Штатів (25). Структури експозиції також мають відношення до дискусій щодо екологічної справедливості: ми виявляємо, що, хоча округи з більшою часткою неіспаномовних білих серед населення менш схильні до загальної суми ${P M}_{2.5}$ , як це вже давно визнано в середовищі екологічної справедливості, вони насправді в більшій мірі піддаються впливу навколишнього середовища ${P M}_{2.5}$ від димового пожежі (Рис. 2 E та F). Як ці відмінності в оточуючому диму засновані ${P M}_{2.5}$ Експозиція, що перетворюється на фактичну індивідуальну експозицію, буде залежати від різних індивідуальних факторів, включаючи диспропорції в часі, проведеному на відкритому повітрі, та характеристики внутрішніх домашніх та робочих умов, багато з яких можуть співвідноситися із соціально-економічними факторами. Наприклад, відомо, що проникнення забруднювачів назовні у будинки в середньому вище у старих, менших будинках та у домогосподарствах з нижчими доходами (26), і ці відмінності можуть призвести до розбіжностей у загальній індивідуальній експозиції, навіть якщо експозиція навколишнього середовища не відрізняється.

Кількість, джерело та частота димового пожежі. (A і B) Середнє передбачуване мікрограмів на кубічний метр ${P M}_{2.5}$ що пояснюється димовим пожежем у 2006-2008 роках та 2016-2018 роках, як розраховується із статистичної моделі, що відповідає даним супутникових даних димового шлейфу. (C) Частка диму, що походить за межами Сполучених Штатів, з червня по вересень 2007 по 2014 рік (розраховано за посиланням 13), при значній кількості диму на Північному Сході та Середньому Заході, що походить від канадських пожеж, та близько 60% диму на Північному Сході, що походить за межі країни; на національному рівні, за оцінками, 11% диму надходить за межі країни. (D) Частка диму, що походить із західної частини США, з червня по вересень 2007 року до 2014 року. На дим, що походить із західної частини Сполучених Штатів, припадає 54% диму, відчуваного в решті Сполучених Штатів. (E і F) Градієнти расової експозиції протилежні для твердих частинок від диму порівняно із загальними твердими частинками: По всій території Сполучених Штатів, округи з більшою часткою популяції білих неіспаномовних білих мають нижчий середній вплив твердих частинок, але вищий середній вплив навколишнього середовища тверді частинки від диму (Р <0.01 для обох взаємозв’язків).

Які можливі варіанти майбутньої політики?

Ці тенденції та закономірності висвітлюють важливі моменти напруженості між існуючим регулюванням якості повітря та зростаючою загрозою від пожежі, що виникає внаслідок стихійного лиха, та піднімають важливі наукові питання без відповіді, які будуть критично важливими для інформування про вибір політики. Сучасні підходи до регулювання у Сполучених Штатах трактують якість повітря насамперед як місцеву проблему, коли округи штрафуються, якщо концентрації забруднюючих речовин перевищують встановлені коротко- чи довгострокові пороги. Поточні норми, передбачені Законом про чисте повітря, також потенційно звільняють дим від пожежі, але не дим від встановлених опіків, від позначення досягнення. Ці підходи суперечать транскордонному характеру та зростаючому внеску димового пожежі в якість повітря.

Для кращого керівництва політикою першим ключовим науковим внеском буде краща кількісна оцінка впливу диму та узгоджені методи перевірки цього впливу. Як статистичний, так і транспортний підходи до оцінки впливу мають свої сильні сторони та недоліки, і ефективність обох слід оцінювати на основі показників, що мають відношення до вимірювання реакцій здоров'я на нижніх течіях. Зокрема, для того, щоб ізолювати вплив диму від потенційних незрозумілих ситуацій, більшість статистичних підходів в останніх дослідженнях впливу на здоров’я використовують зміни в часі впливу забруднення для оцінки наслідків для здоров’я. Це означає, що моделі диму, що використовуються для оцінки впливу на здоров'я, повинні оцінюватися на предмет їх здатності прогнозувати часові зміни в ${P M}_{2.5}$ у відповідних місцях, а не просто просторові структури в ${P M}_{2.5}$ рівні; більшість існуючих заходів з перевірки зосереджені на останньому. Щоб уникнути переобладнання, ці оцінки повинні проводитися на наземних даних, які не використовуються в навчанні моделей. Наша модель показує, як порівняно простий статистичний підхід може достатньо точно передбачити відхилення на основі диму ${P M}_{2.5}$ , але такі підходи - як окремі, так і в поєднанні з МТМ - можуть бути значно покращені. [Хоча ми їх тут не розглядаємо, посилена активність пожеж може також мати суттєвий негативний вплив на якість води за рахунок збільшення стоку та подальшої суспензії частинок, мікроелементів та хімічних речовин (27); кращий вимір цього впливу та їхнього впливу на здоров’я - ще одна ключова область для досліджень.]

Другим ключовим науковим питанням є характер реакцій здоров'я на дим від пожежі. Зростаючі докази вказують на низку негативних наслідків для здоров’я, пов’язаних із стихійним димом (10, 28), що відповідає великій літературі про загальні наслідки забрудненого повітря для здоров’я. Останні дані свідчать про те, що не існує "безпечного" рівня впливу ключових забруднювачів, таких як ${P M}_{2.5}$ (29, 30), але відмінності у формі функції реагування на забруднення та здоров’я при низьких рівнях впливу можуть мати значні наслідки для переваг зменшення забруднення.

Для ілюстрації цієї чутливості ми поєднуємо зміни забруднення, передбачені нашою статистичною моделлю, з трьома нещодавно опублікованими функціями реагування на смертність (29, 31, 32) для моделювання змін смертності старших дорослих, передбачених різними змінами в ${P M}_{2.5}$ вплив, спричинений пом'якшенням диму від пожежі. Керуючись існуючими оцінками того, як призначене спалення зменшує подальшу активність пожежі (33) (Додаток СІ), ми оцінюємо стилізовані сценарії, в яких використання призначеного горіння змінює міжрічний розподіл та загальну кількість ${P M}_{2.5}$ від диму. Оцінки річної кількості врятованих життів серед людей похилого віку за даної зміни диму відрізняються в 3 рази по опублікованих функціях реагування, що передбачає великі середні відмінності в перевагах пом'якшення диму (Рис. 3). Також відсутні дані про те, чи певні популяції є більш сприйнятливими до впливу диму (10, 28).

Наслідки для здоров’я, пов’язані зі зміною впливу диму, залежать від передбачуваної функції реакції доза-реакція та від масштабів змін диму, які зумовлюють управління та клімат. (A) Розподіл ${P M}_{2.5}$ для всіх сіткових клітин у сусідніх Сполучених Штатах, з 2006 по 2018 рік, за кількома стилізованими стратегіями управління пожежами та сценаріями зміни клімату (див. Додаток СІ для деталей). Базовий розподіл загального прогнозованого ${P M}_{2.5}$ з усіх джерел чорним кольором. Розподіл сірого кольору показує альтернативні сценарії, в яких терміни та / або кількість загальних наслідків диму ${P M}_{2.5}$ змінюється внаслідок втручань керівництва або збільшується внаслідок клімату, включаючи (гіпотетичне) повне усунення диму ${P M}_{2.5}$ . (B та C) Щорічна кількість уникнутих передчасних смертей серед населення США віком 65+ років для кожної стратегії управління, обчислена комбінуванням ${P M}_{2.5}$ розподіли в А з опублікованими довгостроковими ${P M}_{2.5}$ функції витримки-реакції, зображені на С (29, 31, 32).

Стратегії управління Wildfire

Великі потенційні переваги пом’якшення диму для здоров’я також викликають ключові питання щодо стратегій управління пожежами. Наприклад, існуючі докази не дають повного розуміння того, як дане прописане втручання змінитиме час, кількість та просторовий розподіл диму, і ми виявляємо, що альтернативні оцінки ефективності призначеного горіння зменшують подальший розмір лісових пожеж (33) може призвести до більш ніж подвійних відмінностей в оцінюваній користі для здоров’я від призначених опіків (Рис. 3). Подібним чином, нинішні зусилля з боротьби з пожежею, зрозуміло, зосереджені на захисті будинків і споруд, але загальний вплив на здоров'я населення забруднюючого лісового пожежі, який не загрожує конструкціям, може бути набагато гіршим, ніж вплив пожежі менших розмірів, яка загрожує конструкціям. Крім того, діяльність з управління паливом спрямована на захист місцевої громади та переваги екосистем і не враховує ймовірний вплив лісових пожеж на течії великих груп населення. Потрібна додаткова кількісна робота, яка допоможе орієнтуватися в цих складних компромісах.

Третім ключовим питанням є агностичність джерела ${P M}_{2.5}$ Функції реагування на здоров’я є придатними для оцінки впливу на здоров’я димових пожеж та диму. Незважаючи на те, що це зазвичай висувають гіпотези, існуюча література неоднозначна щодо того, чи має вплив пожежного диму вплив на здоров'я, ніж вплив інших джерел ${P M}_{2.5}$ (34), з деякими доказами того, що різниця залежить від результату (35). Поліпшення науки з цієї теми - включаючи необхідні інвестиції у спеціальний моніторинг для розрізнення забруднюючих речовин, що залежать від пожеж - буде критично важливим для розуміння наслідків пожежі.

По-четверте, як взаємодія між зміною клімату та ризиком стихійного лиха може формувати пріоритети політики? Потепління клімату відповідає приблизно за половину збільшення обпаленої площі в США (4), а майбутні зміни клімату можуть призвести до додаткового подвоєння викидів твердих частинок, пов’язаних з пожежами, в районах, що піддаються пожежі (36) або багаторазове збільшення обпаленої площі (37, 38). Витрати від цього збільшення включають як економічні витрати на охорону диму, пов'язані з економікою, так і витратами на охорону здоров'я, а також витрати на боротьбу з ними, прямі втрати життя та майна та інші адаптивні заходи (наприклад, відключення електроенергії), що мають широкі економічні наслідки. В даний час невідомо, чи врахування цих витрат, пов’язаних з пожежами, суттєво збільшує оціночний загальний економічний збиток від зміни клімату.

Що це буде коштувати?

Щоб почати кількісно визначати можливу вартість кліматично обумовленого збільшення стихійних пожеж, ми використовуємо нашу статистичну модель та стилізовані сценарії для розрахунку зміни експозиції диму та наслідків смертності, пов'язаних із прогнозованим збільшенням ризику стихійних пожеж. Використання прогнозованого збільшення майбутнього диму в цілому відповідає існуючій літературі (36 ⇓-38), ми підраховуємо, що збільшена смертність від диму, спричиненого кліматичними змінами, може наблизитися до прогнозованого загального збільшення смертності, пов’язаної з температурою, - що саме є найбільшим, за оцінками, фактором економічного збитку в США (39) (Додаток СІ). Потрібні більш детальні дослідження, щоб уточнити ці оцінки з точки зору їх величини, їх географічної специфіки та конкретних субпопуляцій, які можуть бути найбільш постраждалими. Ключовим питанням, пов’язаним із політикою, буде те, чи і в якій мірі змінювати нинішні винятки із Закону про чисте повітря, що надаються державам за наслідки забруднення внаслідок стихійного диму, оскільки ці викиди виграють від зусиль, спрямованих на зменшення ${P M}_{2.5}$ з інших джерел забруднення.

Який зв’язок між пожежами та інфекціями Covid-19?

Нарешті, лісові пожежі сильно взаємодіяли з пандемією COVID-19 способами, які вимагають подальшого вивчення. COVID-19 певною мірою перешкоджав здатності уряду та приватного сектору реагувати на ризик стихійних пожеж до, під час та після виникнення пожеж. Масштаби сезону лісових пожеж 2020 року в багатьох частинах Заходу, де посуха в сезоні дощів 2019-2020 рр. Послідувала за накопиченням палива протягом відносно вологого сезону 2018-2019 рр., Представляє особливо гострі проблеми. Тренінги пожежників у дикій природі затримувались або іноді скасовувались, бригади пожежників-засуджених були недоступні через дострокове звільнення з державних в'язниць, щоб уникнути спалахів COVID, багато методів управління паливом не відбувалися взимку та навесні, комунальні служби стикалися з принаймні деякими затримками в діяльності зі зменшення ризику пожеж, і традиційні підходи до евакуації лісових пожеж виявились більш складними через зменшення пропускної спроможності центрів евакуації внаслідок вимог соціального дистанціювання. В даний час невідомо, але ймовірно, що історичний сезон пожеж та наслідки диму також погіршили наслідки для здоров'я, пов'язані з COVID, оскільки ранні дані свідчать про те, що вплив забруднення повітря збільшує як випадки COVID, так і смерть у Сполучених Штатах (40, 41) (висновок, який відповідає взаємозв’язку між забрудненням та іншими вірусними респіраторними захворюваннями) (42, 43). Краще причинно-наслідкове розуміння впливу забруднення повітря на результати COVID, включаючи пожежі, є надзвичайно актуальним пріоритетом досліджень, і вчені надали вказівки щодо найкращого вивчення взаємозв'язку забруднення повітря / COVID (44). Висновки цього дослідження можуть мати важливе значення для керівництва зусиллями, пов’язаними з обмеженням праці та фінансуваннями, щодо пожежогасіння та стратегій управління паливом у міру продовження пандемії.

Знайти більше інформація про кліматичні зміни.