التأثير الصحي الكبير عبر الحدود لدخان حرائق الغابات في القطب الشمالي

إعداد النموذج

لتقدير تأثير حرائق الغابات في مجلس القطب الشمالي على الوفيات البشرية، قمنا بمحاكاة PM العالمية_2.5 تحت مشهدين:

• “FIRE ON”، محاكاة للتحكم باستخدام مجموعة بيانات Quick Fire Emissions (QFED، الإصدار 2.5)³⁵ مجموعة بيانات انبعاثات الحرائق، والتي تتضمن انبعاثات الحرائق اليومية من جميع الحرائق (حرائق الغابات والحرائق الزراعية) وجميع المناطق.

• “إيقاف حرائق الغابات في القطب الشمالي”، وهو سيناريو مخالف لا يتضمن انبعاثات حرائق الغابات داخل دول مجلس القطب الشمالي، ولكنه يشمل أنواعًا أخرى من الحرائق في القطب الشمالي، وجميع أنواع الحرائق خارج القطب الشمالي. في هذا السيناريو تتم إزالة حرائق الغابات الناتجة عن الإشعال البشري والطبيعي.

الدول الثماني الأعضاء في مجلس القطب الشمالي هي: كندا، الدنمارك، أيسلندا، النرويج، السويد، فنلندا، روسيا والولايات المتحدة. نظرًا لأننا نركز على تأثير حرائق الغابات في مناطق خطوط العرض العليا، فإننا لا ندرج الولايات المتحدة أو الدنمارك المتجاورتين (ولكننا ندرج جرينلاند) كمناطق مجلس القطب الشمالي.

يتم إجراء عمليات المحاكاة باستخدام الإصدار 2.2 من نموذج نظام الأرض المجتمعي (CESM).⁵¹ في تكوين يتضمن نموذج الغلاف الجوي المجتمعي مع الكيمياء (CAM-Chem) لمحاكاة كيمياء التروبوسفير والستراتوسفير، وتمثيلات مبسطة للمكونات الأخرى للأرض (مثل المحيطات والجليد البحري وما إلى ذلك). إصدار CAM-chem في CESM v2.2 هو CAM6-chem، والذي يستخدم إصدارًا حديثًا من الآلية الكيميائية لنموذج الأوزون والمواد الكيميائية ذات الصلة (MOZART)، MOZART-TS1⁵²، لتمثيل الأنواع الغازية، ومخطط مجموعة أساس التقلب لتمثيل شيخوخة الهباء الجوي العضوي. يتم تمثيل توزيعات حجم الهباء الجوي باستخدام الإصدار رباعي الأوضاع من نموذج الهباء الجوي (MAM4)⁵³، والذي أضاف وضعًا إضافيًا لتحسين تمثيل الهباء الجوي الكربوني والكربون الأسود (BC) والمواد العضوية الأولية (POM). قمنا بتشغيل CESM بدقة الشبكة القياسية البالغة 0.9 درجة × 1.25 درجة (خط العرض بخط الطول)، مع دفع الأرصاد الجوية باستخدام بيانات إعادة التحليل MERRA2.

بسبب العمليات الكيميائية والجوية المقترنة في CESM، تؤدي التغيرات في انبعاثات الحرائق بين السيناريوهين إلى اضطرابات صغيرة في معلمات الأرصاد الجوية (على سبيل المثال، درجة الحرارة وسرعات الرياح)، والتي ستؤثر بدورها على PM الثانوية_2.5 التركيزات، والتي يمكن أن تنتشر إلى مناطق بعيدة عن القطب الشمالي. يمكن أن يساء تفسير هذه التقلبات على أنها ناجمة بشكل مباشر عن PM مصدرها حرائق الغابات_2.5 عند المقارنة بين السيناريوهين. للتركيز على التأثيرات المباشرة لحرائق الغابات، قمنا بحساب PM المنسوبة إلى حرائق الغابات_2.5 كالفرق في أجزاء POM وBC بين السيناريوهين، والتي لا تتأثر بتكوين الهباء الجوي الثانوي أو تعليقات الأرصاد الجوية. نظرًا لأن هذه الأنواع تمثل في المتوسط ​​أكثر من 99.9% من كتلة الهباء الجوي الأولية المنبعثة من حرائق الغابات في مجلس القطب الشمالي، فإن هذه الطريقة تغطي الغالبية العظمى من المحرك المتوقع للجسيمات الدقيقة_2.5– الآثار الصحية المنسوبة.

نستبعد أيضًا المناطق التي ترتفع فيها POM + BC PM_2.5 في سيناريو FIRE ON، لا أهمية إحصائية عند مقارنتها بسيناريو ARCTIC WILDFIRE OFF. نقوم بذلك عن طريق إجراء عينات مقترنة من جانب واحد ر اختبار في كل خلية شبكة CESM بين متوسط ​​التركيزات الشهرية في السيناريوهين خلال الفترة 2001-2020، مع عتبة دلالة قدرها ص = 0.01. إذا لم يتم العثور على زيادة كبيرة، فإننا نضبط مصطلح “FIRE FRACTION” على الصفر في معادلة تصحيح التحيز (القسم “تصحيح محاكاة PM_2.5 إلى الملاحظات”)، مما أدى إلى عدم وجود أي آثار صحية تعزى إلى حرائق الغابات في ذلك الموقع. وهذا يضمن أن الاختلافات غير المهمة إحصائيًا بين السيناريوهين في المناطق الأكثر سكانًا والبعيدة عن القطب الشمالي لا تساهم بشكل غير ضروري في التأثير الصحي المحسوب. نتيجة ر يظهر الاختبار في الشكل التكميلي 4.

تطوير سيناريو الانبعاثات “الحرائق الهائلة”.

تتضمن كلا نموذجي محاكاة CESM انبعاثات الحرائق من مجموعة بيانات QFED³⁵. في QFED، تعتمد انبعاثات الأنواع الغازية والجسيمية الصادرة عن حرق الكتلة الحيوية على عمليات رصد الطاقة الإشعاعية للحريق (FRP) المكتشفة عبر الأقمار الصناعية، إلى جانب عوامل الانبعاثات الخاصة بالمناطق الأحيائية التي تتم معايرتها من خلال مقارنة العمق البصري للهباء الجوي النموذجي والمرصود (AOD). لقد اخترنا QFED على قوائم جرد انبعاثات حرق الكتلة الحيوية الأخرى (BBEIs) نظرًا لأن استخدامه لملاحظات AOD يمكن أن يقلل من التقليل من تقدير الانبعاثات^35,45، وقد ثبت أن لديها أقل انحياز سلبي ضد AOD بين ستة BBEIs شائعة الاستخدام⁴⁴، لذلك من غير المرجح أن نقلل من تقدير PM_2.5 التركيزات، والتي هي المحور الرئيسي لهذا التحليل.

ومع ذلك، فإن تقديرات الانبعاثات QFED لا تميز بين الحرائق الزراعية وحرائق الغابات. لذلك، لبناء سيناريو انبعاثات حرق الكتلة الحيوية دون حرائق الغابات، نفترض أن الانبعاثات من الأراضي الزراعية ليست حرائق غابات، والانبعاثات الناتجة عن استخدامات الأراضي الأخرى هي حرائق غابات.

تمت إعادة صياغة دقة انبعاثات QFED المستخدمة إلى دقة CESM (0.9 درجة بمقدار 1.25 درجة) بينما تتوفر بيانات استخدام الأراضي MODIS عند 0.01 درجة بمقدار 0.01 درجة. باستخدام بيانات MODIS بدقة مكانية أصلية (الشكل التكميلي 5)، نحسب نسبة الأراضي الزراعية في كل خلية شبكة QFED، والتي تُستخدم لتقسيم انبعاثات QFED جزئيًا بين حرائق الغابات والانبعاثات الزراعية. يظهر الشكل التكميلي 6 الانبعاثات المنسوبة لحرائق الغابات والأراضي الزراعية. وأي خطأ يتم تقديمه بسبب عدم تطابق الدقة بين بيانات QFED وبيانات MODIS سيكون له تأثير صغير نسبيًا على تحليلنا بسبب الجزء الصغير من مساحة الأرض التي تحتوي على غطاء الأراضي الزراعية في القطب الشمالي المجلس، ويتم تجميع معظمها في مناطق منفصلة.

تصحيح محاكاة PM_2.5 إلى الملاحظات

مقارنات مع عدد قليل من PM المتاحة_2.5 تظهر الملاحظات في منطقة القطب الشمالي أن تركيزات ملوثات الهواء المحاكاة يتم الاستهانة بها باستمرار من قبل كل من المناطق الإقليمية⁵⁴ والنماذج العالمية^55,56,57. ويرجع ذلك جزئيًا إلى صعوبة تمثيل عمود دخان بدقة منخفضة، حيث سيتم تخفيف العمود داخل خلية شبكية نموذجية. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم التقليل من أهمية انبعاثات حرق الكتلة الحيوية^43,44,47. يمكن أن يكون السبب الخاص لذلك في منطقة القطب الشمالي هو التربة الخثية، التي كثيرًا ما تتعرض لحرائق مشتعلة ذات انبعاثات أعلى، وعادةً لا يتم تمثيلها بشكل جيد في قوائم جرد الانبعاثات، حيث يصعب اكتشافها عبر الأقمار الصناعية^58,59. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمنتجات المنطقة المحروقة المشتقة من الأقمار الصناعية أن تغفل الحرائق في كثير من الأحيان بسبب حدود الكشف العالية وأوقات العبور المحدودة⁶⁰.

تمت مقارنة نموذج CESM بمجموعة بيانات ذات درجة مرجعية PM_2.5 مراقبون من شبكة AIRNOW (شمال خط عرض 55 درجة شمالاً)، والتي تضم مراقبين في ألاسكا، كندا والسفارة الأمريكية في ألماتي، كازاخستان. لدى CESM انحياز متوسط ​​سلبي (NMB) يبلغ -0.61 في حين أن الانحدار الموزون جغرافيًا (GWR) PM_2.5³³ يحتوي على NMB بقيمة .050.05 (الشكل التكميلي 7). تم العثور على نتيجة مماثلة عند مقارنة نموذج CESM بمجموعة بيانات من منخفضة التكلفة.بيربل إير الشاشات الموجودة شمال 55 شمالًا. CESM متحيزة سلبًا مقارنة بـ بيربل إير البيانات (الشكل التكميلي 8) ، مع NMB بقيمة .70.72. رئيس الوزراء GWR_2.5 المنتج في اتفاق أوثق مع بيربل إيرشاشات مع NMB من 0.1. ومن هذه النتائج نستنتج أن GWR PM_2.5 هو أكثر قدرة على تمثيل حجم القطب الشمالي PM_2.5 تركيزات من PM المحاكاة CESM_2.5 التركيزات.

نحن نستخدم GWR PM_2.5 للحصول على تقدير أكثر دقة لـ PM_2.5 التجمعات في المناطق المتضررة من حرائق الغابات. تستخدم مجموعة البيانات هذه مراقبات AOD عبر الأقمار الصناعية جنبًا إلى جنب مع الملامح الرأسية المشتقة من النموذج وقياسات مراقبة السطح لتقدير المتوسط ​​الشهري لـ PM_2.5 بدقة 10 كم. ومع ذلك، فإن محاكاة FIRE ON تقلل من تقديراتها مقارنةً بـ GWR PM_2.5 في معظم المناطق والمواسم، وليس فقط تلك المتضررة من أعمدة حرائق الغابات. لذلك، باستخدام محاكاة ARCTIC WILDFIRE OFF CESM كسيناريو مخالف للواقع يمكن مقارنته بـ GWR PM_2.5 من شأنه أن يبالغ في تقدير جزء PM_2.5 والتي يمكن أن تعزى إلى حرائق الغابات في القطب الشمالي.

نحن نستخدم محاكاة CESM الخاصة بنا لتقدير نسبة PM_2.5 يُعزى ذلك إلى حرائق الغابات في مجلس القطب الشمالي، والتي نطلق عليها “جزء الحرائق” (المعادل 1). نحن نطبق جزء النار على GWR PM_2.5 بيانات لتقدير PM مضاد_2.5 سيناريو بدون حرائق الغابات في القطب الشمالي، والذي نطلق عليه سيناريو “إيقاف حرائق الغابات المصححة” (المعادل 2).

رئيس الوزراء GWR_2.5 تمتد عملية إعادة التحليل إلى 68 درجة شمالًا فقط، لذلك يتم استخدام محاكاة FIRE ON CESM عند خطوط العرض الشمالية. لتجنب الحدود الصعبة، نقوم باستيفاء GWR PM خطيًا_2.5 مع محاكاة FIRE ON شمال 68°ن.

تقييم الأثر الصحي

التأثير الصحي للتعرض طويل المدى (المزمن) للجسيمات المحيطة_2.5 يتم تقدير التركيزات باستخدام نموذج وفيات التعرض العالمي (GEMM)²³ باتباع الطريقة المستخدمة في العمل السابق^61,62,63، وغيرها من التقييمات للتأثيرات الصحية لدخان حرائق الغابات^46,64. باختصار، باستخدام بيانات من 41 دراسة أترابية وبائية، تشير تقديرات GEMM إلى زيادة الخطر النسبي للتأثيرات الصحية الناجمة عن PM المحيطة المزمنة_2.5 التعرض أعلى من مستوى مضاد قدره 2.4 ميكروغرام م^-3 للبالغين الذين تتراوح أعمارهم بين 25 سنة وما فوق في الفئات العمرية خمس سنوات. استخدمنا دالة الخطر النسبية للوفيات غير العرضية (بما في ذلك الأمراض غير المعدية والتهابات الجهاز التنفسي السفلي) واستخدمنا المعلمات التي تشمل أترابية الصين²³. نحن نستخدم GEMM لأن النموذج الذي يأخذ بعين الاعتبار على وجه التحديد التأثير الصحي المزمن لدخان حرائق الغابات غير متوفر حاليًا في الأدبيات. نحن نأخذ في الاعتبار التأثيرات الصحية المزمنة لأن دخان حرائق الغابات في مناطق خطوط العرض العليا يؤدي بانتظام إلى تدهور جودة الهواء الإقليمي ويمثل نسبة عالية من المتوسط ​​السنوي PM_2.5^65,66.

تم استخدام الإصدار 4 من مجموعة بيانات سكان العالم الشبكية (GPW) لإحصاء السكان وتوزيعهم⁶⁷. تحتوي مجموعة بيانات GPW على تقديرات سكانية مدتها 5 سنوات، والتي تم تحريفها خطيًا لتوفير السنوات الفاصلة. بيانات دراسة العبء العالمي للمرض لعام 2019⁶⁸ تم استخدامه للهيكل العمري للسكان السنوي ومعدلات الوفيات الأساسية من عام 2001 إلى عام 2019، مع حساب التأثيرات الصحية لعام 2020 باستخدام بيانات عام 2019.

نحن نستخدم GEMM لحساب الوفيات الزائدة بسبب PM المزمن_2.5 التعرض في كل من سيناريو التحكم (GWR PM_2.5) والسيناريو المضاد مع إزالة تلوث حرائق الغابات من مجلس القطب الشمالي (“BIAS CORRECTED WILDFIRE OFF”، المعادلة 2). الفرق بين الوفيات الزائدة في ظل هذين السيناريوهين هو عبء الوفيات الذي ننسبه إلى دخان حرائق الغابات في القطب الشمالي. تقديرات الاتجاه

يتم حساب الاتجاهات باستخدام مقدر الاتجاه Theil-Sen⁶⁹، وهو مقدر اتجاه غير معلمي قوي بالنسبة للقيم المتطرفة. تم اختبار الاتجاهات للتأكد من أهميتها باستخدام اختبار مان كيندال الذي يكتشف الاتجاهات المتزايدة أو المتناقصة الرتيبة⁷⁰.

ملخص التقارير

يتوفر مزيد من المعلومات حول تصميم البحث في ملخص تقارير Nature Portfolio المرتبط بهذه المقالة.