Каковы изменяющиеся риски и бремя лесных пожаров в Соединенных Штатах?

Новое исследование, опубликованное Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), предсказывает мрачное будущее лесных пожаров и образующегося в результате токсичного дыма. Вот резюме их недавно завершенного исследования:

Полная публикация исследования: https://www.pnas.org/content/118/2/e2011048118#F1

Увеличение числа смертоносных лесных пожаров в мире

Недавнее резкое и смертоносное увеличение активности лесных пожаров во всем мире привлекло повышенное внимание к причинам лесных пожаров, их последствиям и способам снижения риска лесных пожаров. Здесь мы объединяем данные об изменяющемся риске и социальном бремени лесных пожаров в Соединенных Штатах. По нашим оценкам, около 50 миллионов домов в настоящее время находятся на границе дикой природы и города в Соединенных Штатах, и это число увеличивается на 1 миллион домов каждые 3 года. Чтобы проиллюстрировать, как изменения в активности лесных пожаров могут повлиять на загрязнение воздуха и связанные с этим последствия для здоровья, и как эти связи могут определять будущую науку и политику, мы разрабатываем статистическую модель, которая связывает спутниковые данные о пожарах и задымлении с информацией со станций мониторинга загрязнения.

На лесные пожары приходится до 25% твердых частиц PM2.5 в США.

Используя модель, мы оцениваем, что лесные пожары составляют до 25% PM_2.5 (твердые частицы диаметром <2.5 мкм) в последние годы в Соединенных Штатах и до половины в некоторых западных регионах, с пространственными структурами воздействия дыма в окружающей среде, которые не соответствуют традиционным градиентам воздействия социально-экономического загрязнения. Мы комбинируем модель со стилизованными сценариями, чтобы показать, что меры по управлению топливом могут принести большую пользу для здоровья и что будущие последствия для здоровья от дыма от лесных пожаров, вызванного изменением климата, могут приблизиться к прогнозируемому общему увеличению смертности, связанной с температурой, в результате изменения климата, - но обе оценки остаются неуверенный. Мы используем результаты моделей, чтобы выделить важные области для будущих исследований и извлечь уроки для разработки политики.

Выгорание территорий от лесных пожаров в США составляет до 400% за последние четыре десятилетия

За последние четыре десятилетия площадь выгоревших от лесных пожаров в США увеличилась примерно в четыре раза (Рис 1A) (1). Этот быстрый рост был обусловлен рядом факторов, включая накопление топлива из-за унаследованных в прошлом веке средств пожаротушения (2) и более недавнее увеличение засушливости топлива (Рис 1B, показано для западной части США), тенденция, которая, как ожидается, продолжится по мере потепления климата (3, 4). Это увеличение произошло параллельно со значительным увеличением количества домов на границе диких земель и городов (WUI). Используя данные о вселенной домашних местоположений в Соединенных Штатах и обновленные национальные карты земного покрова, мы обновляем предыдущие исследования (5, 6) и оценивают, что в настоящее время в WUI насчитывается около 49 миллионов жилых домов, и это число увеличивается примерно на 350,000 XNUMX домов в год за последние два десятилетия (Рис 1C и СИ Приложение). Поскольку усилия по тушению пожаров в основном сосредоточены на защите частных домов (7), эти факторы способствовали стабильному росту расходов правительства США на тушение лесных пожаров (Рис 1D), которые в последние годы составили около 3 млрд долларов в год федеральных расходов (1). Общая предписанная площадь выжигания увеличилась на юго-востоке США, но осталась практически неизменной в других местах (Рис 1E), что для многих свидетельствует о недостаточном инвестировании в эту стратегию снижения рисков, учитывая массовый общий рост риска лесных пожаров (8).

Тенденции в драйверах и последствиях лесных пожаров. (A и B) Увеличение площади гари на государственных и частных землях США (A) (1) частично были вызваны растущей засушливостью топлива, показанной здесь над западной частью Соединенных Штатов (4) (В). (C и D) Количество домов в WUI также быстро выросло (C, наши расчеты; СИ Приложение), что способствовало росту затрат на подавление (D), понесенных федеральным правительством. (E) Предписанная площадь ожогов значительно увеличилась на юге, но не изменилась во всех других регионах (1). (F и G) Количество дней задымления увеличилось по всей территории Соединенных Штатов (F), возможно, подрывая десятилетние улучшения качества воздуха в Соединенных Штатах (G). (H) Мы рассчитываем возрастающую долю от общего ${P M}_{2.5}$ связано с дымом лесных пожаров, особенно на Западе. Красные и синие линии на каждом графике показывают линейное соответствие историческим данным, а наклоны указаны в верхнем левом углу каждой панели; все они значительно отличаются от нуля (P <0.01 для каждого), за исключением предписанного ожога в регионах за пределами Юга. Красные линии показывают, что исходные данные взяты из опубликованных исследований или правительственных данных, а синие линии указывают на новые оценки из этой статьи.

Растущие проблемы

Каковы последствия этого изменения в пожарной активности для общего качества воздуха и здоровья, и как должна реагировать политика? Значительный рост активности лесных пожаров сопровождался значительным увеличением количества дней, когда в воздухе присутствует дым, по всей территории Соединенных Штатов (Рис 1F), по оценке по спутниковым данным (9). Такое увеличение наблюдается на всей территории континентальной части Соединенных Штатов, а не только на Западе, и угрожает свести на нет существенные улучшения качества воздуха, наблюдавшиеся в Соединенных Штатах за последние два десятилетия (Рис 1G). Следы лесных пожаров уже видны в восходящих концентрациях органического углерода весной и летом, наблюдаемых в сельских районах на юге и западе США (СИ ПриложениеРис. S1), соответственно, и исследования показывают, что наличие дыма в воздухе может увеличить заболеваемость и смертность среди населения, подвергшегося воздействию (10, 11).

Вызов для центров населения

Проблемой в понимании более широкого вклада изменения активности лесных пожаров в качество воздуха является сложность точной увязки активности пожаров с воздействием соответствующих загрязнителей в часто удаленных населенных пунктах (12). Спутниковые измерения воздействия дыма становятся все более доступными и привлекательными, поскольку мониторинг шлейфа интуитивно связывает регионы источника и рецептора. Однако такие данные пока нельзя использовать для точного измерения плотности дыма или отделения дыма на уровне поверхности от дыма выше в столбе атмосферы, и поэтому их трудно увязать с существующими взаимосвязями между воздействием и реакцией на здоровье (13, 14). Модели переноса химических веществ (CTM), которые могут напрямую моделировать движение и эволюцию выбросов от лесных пожаров, предлагают альтернативный подход для привязки локальных концентраций загрязнения к конкретной пожарной активности. Однако получение точных оценок воздействия на основе CTM требует преодоления нескольких основных неопределенностей на пути от источника к рецептору. Во-первых, было показано, что большие неопределенности в кадастрах выбросов лесных пожаров приводят к многократным различиям в показателях лесных пожаров. ${P M}_{2.5}$ (твердые частицы диаметром <2.5 мкм) по всей территории Соединенных Штатов (и> 20-кратные региональные различия в годы сильных пожаров), когда разные кадастры используются в качестве исходных данных для одного и того же CTM (15, 16), а интеграция спутниковых наблюдений лишь немного улучшает производительность (17). Во-вторых, подробные условия, связанные с выбросами, такие как высота выброса выбросов и очень локализованная метеорология и их перенос, могут не быть зафиксированы моделями и могут существенно повлиять на оценки воздействия ниже по течению (18, 19). Наконец, представления CTM о химии атмосферы могут не точно отражать эволюцию дыма от лесных пожаров (20 ⇓⇓⇓–24). Помимо связанной с моделью неопределенности, вычислительные затраты на запуск CTM в больших пространственных и временных масштабах означают, что модели редко проверяются на основе длинных временных рядов измерений концентрации, доступных с сотен наземных станций по всей территории Соединенных Штатов.

Спутниковые изображения дыма

Чтобы лучше понять изменяющийся вклад лесных пожаров в воздействие твердых частиц в Соединенных Штатах и проиллюстрировать ключевые остающиеся научные и политические вопросы на пересечении лесных пожаров, загрязнения и климата, мы обучаем и проверяем статистическую модель, которая связывает изменения в спутниковых оценках. Воздействие дымового шлейфа и активность пожара по ${P M}_{2.5}$ концентрации по регионам США (СИ ПриложениеРис. S2). Наша модель специально обучена предсказывать вариации в ${P M}_{2.5}$ с течением времени во многих отдельных местах - вариации, которые все чаще используются для понимания того, как изменения в загрязнителях воздуха влияют на ключевые показатели здоровья. Наш подход не полагается на неопределенные кадастры выбросов и устраняет трудности при моделировании рассеивания шлейфа, а результаты можно легко проверить на основе наземных данных за более чем десятилетие, на которых модель не была обучена. Оценки модели устойчивы к альтернативным способам включения данных о пожарах и шлейфах (СИ Приложение, Рис. S3 и таблицы S1 – S3) и производительность в прогнозировании вариаций в целом ${P M}_{2.5}$ соответствует эталонным подходам на основе дистанционного зондирования (СИ ПриложениеРис. S4) и превышает заявленные показатели CTM (СИ Приложение). Мы сравниваем оценки, полученные на основе этого подхода в сокращенной форме, с другими оценками концентрации дыма для конкретных регионов в литературе, обнаруживая, что наш подход дает аналогичные оценки доли общих ${P M}_{2.5}$ от дыма, как недавние исследования, охватывающие небольшие регионы или периоды (СИ ПриложениеРис. S5).

PM2.5 от WIldfires, на долю которых приходится до половины всех PM2.5 на Западе

Наши результаты показывают, что влияние дыма лесных пожаров на PM_2.5 концентрации в США существенно выросли с середины 2000-х годов, и в последние годы на их долю приходилось до половины всех ТЧ._2.5 воздействие в западных регионах по сравнению с <20% десять лет назад (Рис 1H). При увеличении вклада дыма в PM_2.5 сосредоточены на западе США, их также можно увидеть в других регионах (Рис 2 A и B) в результате переноса дыма от крупных пожаров на большие расстояния. Действительно, в регионах Среднего Запада и Востока США, по оценкам, растущая доля дыма исходит от пожаров на западе США или за пределами США (13) (Рис 2 C и D), что отражает недавние выводы о значительном трансграничном перемещении всего ${P M}_{2.5}$ в США (25). Модели воздействия также имеют отношение к дебатам об экологической справедливости: мы обнаружили, что, хотя округа с более высокой долей неиспаноязычных белых в населении менее подвержены общему воздействию ${P M}_{2.5}$ , как уже давно было признано в сообществе экологической справедливости, на самом деле они в среднем более подвержены воздействию окружающей среды. ${P M}_{2.5}$ от дыма лесных пожаров (Рис 2 E и F). Как эти различия в окружающем дыме основаны на ${P M}_{2.5}$ Фактическое воздействие на человека будет зависеть от множества индивидуальных факторов, включая различия во времени, проведенном на открытом воздухе, и от характеристик домашней и рабочей среды в помещении, многие из которых могут коррелировать с социально-экономическими факторами. Например, известно, что проникновение внешних загрязнителей в дома в среднем выше для старых, небольших домов и для домохозяйств с низким доходом (26), и эти различия могут привести к различиям в общей индивидуальной экспозиции, даже если окружающая экспозиция не отличается.

Количество, источник и распространенность дыма от лесных пожаров. (A и B) Средние прогнозируемые микрограммы на кубический метр ${P M}_{2.5}$ объясняется задымлением лесных пожаров в 2006–2008 и 2016–2018 годах, согласно расчетам статистической модели, соответствующей полученным со спутников данным о дымовых шлейфах. (C) Доля дыма, исходящего за пределами США, с июня по сентябрь 2007-2014 гг. (Рассчитано по исх. 13), причем значительное количество дыма на Северо-Востоке и Среднем Западе возникает от канадских пожаров, и около 60% дыма на Северо-Востоке возникает за пределами страны; По оценкам, около 11% дыма в стране выходит за пределы страны. (D) Доля дыма, исходящего из западной части США, с июня по сентябрь 2007-2014 гг. Дым, происходящий из западной части Соединенных Штатов, составляет 54% дыма в остальной части Соединенных Штатов. (E и F) Градиенты расового воздействия для твердых частиц от дыма противоположны по сравнению с общим содержанием твердых частиц: на территории соседних Соединенных Штатов округа с более высокой долей населения неиспаноязычных белых имеют более низкое среднее воздействие твердых частиц, но более высокое среднее воздействие окружающей среды. твердые частицы дыма (P <0.01 для обоих соотношений).

Каковы варианты будущей политики?

Эти тенденции и закономерности подчеркивают важные моменты противоречий между существующим регулированием качества воздуха и растущей угрозой, исходящей от дыма от лесных пожаров, и поднимают важные вопросы, оставшиеся без ответа, которые будут иметь решающее значение для обоснования выбора политики. Современные подходы к регулированию в Соединенных Штатах рассматривают качество воздуха в первую очередь как локальную проблему, при этом округа наказываются, если концентрации загрязняющих веществ превышают установленные краткосрочные или долгосрочные пороговые значения. Текущее регулирование в соответствии с Законом о чистом воздухе также потенциально исключает дым от лесных пожаров - но не дым от предписанных ожогов - от обозначения достижения. Эти подходы кажутся противоречащими трансграничному характеру и растущему вкладу дыма от лесных пожаров в качество воздуха.

Первым ключевым научным вкладом для лучшего руководства политикой станет более качественная количественная оценка воздействия дыма и согласованные методы подтверждения этого воздействия. Как статистический, так и транспортный подходы к оценке воздействия имеют свои сильные и слабые стороны, и эффективность обоих следует оценивать на основе показателей, относящихся к измерению последующих реакций на здоровье. В частности, чтобы изолировать воздействие дыма от потенциальных помех, большинство статистических подходов в недавних исследованиях воздействия на здоровье используют изменение во времени воздействия загрязнения для оценки воздействия на здоровье. Это означает, что модели дыма, используемые для оценки воздействия на здоровье, должны оцениваться на предмет их способности предсказывать временные изменения ${P M}_{2.5}$ в соответствующих местах, а не только в пространственных узорах ${P M}_{2.5}$ уровни; большинство существующих усилий по валидации сосредоточено на последнем. Во избежание переобучения эти оценки должны выполняться на наземных данных, не используемых при обучении модели. Наша модель показывает, как относительно простой статистический подход может достаточно точно предсказать вариации дымовых ${P M}_{2.5}$ , но такие подходы - по отдельности или в сочетании с CTM - могут быть существенно улучшены. [Хотя мы не рассматриваем их здесь, усиление лесных пожаров может также иметь серьезные негативные последствия для качества воды из-за увеличения стока и последующего взвешивания частиц, следов металлов и химикатов (27); более точное измерение этих воздействий и их воздействия на здоровье - еще одна ключевая область исследований.]

Второй ключевой научный вопрос - это природа реакции здоровья на дым от лесных пожаров. Все больше данных указывает на ряд негативных последствий для здоровья, связанных с воздействием дыма от лесных пожаров (10, 28), что согласуется с обширной литературой о более широких последствиях загрязнения воздуха для здоровья. Последние данные свидетельствуют об отсутствии «безопасного» уровня воздействия основных загрязнителей, таких как ${P M}_{2.5}$ (29, 30), но различия в форме функции «загрязнение – реакция здоровья» при низких уровнях воздействия могут иметь большое значение для выгод от сокращения загрязнения.

Чтобы проиллюстрировать эту чувствительность, мы объединяем изменения загрязнения, предсказанные нашей статистической моделью, с тремя недавно опубликованными функциями отклика смертности (29, 31, 32) для моделирования изменений смертности пожилых людей, прогнозируемых различными изменениями ${P M}_{2.5}$ воздействие, вызванное уменьшением количества дыма от лесных пожаров. Руководствуясь существующими оценками того, как предписанное сжигание снижает последующую активность лесных пожаров (33) (СИ Приложение), мы оцениваем стилизованные сценарии, в которых использование предписанного сжигания изменяет межгодовое распределение и общее количество ${P M}_{2.5}$ от дыма. Оценки ежегодного количества жизней, спасенных среди пожилых людей при заданном изменении задымленности, различаются в 3 раза по опубликованным функциям реагирования, что подразумевает большие средние различия в преимуществах снижения задымленности (Рис 3). Также отсутствуют данные о том, являются ли определенные группы населения более восприимчивыми к воздействию дыма (10, 28).

Последствия изменения воздействия дыма на здоровье зависят от предполагаемой функции «доза-реакция» и от величины изменений дыма, вызванных управлением или климатом. (А) Распределение ${P M}_{2.5}$ для всех лет ячейки сетки в смежных Соединенных Штатах, с 2006 по 2018 год, в соответствии с несколькими стилизованными стратегиями управления лесными пожарами и сценариями изменения климата (см. СИ Приложение подробнее). Базовое распределение общего прогнозируемого ${P M}_{2.5}$ из всех источников - черным. Серые распределения показывают альтернативные сценарии, в которых время и / или количество общего дыма, связанного с ${P M}_{2.5}$ изменяется в результате управленческих вмешательств или увеличивается из-за климата, включая (гипотетическое) полное устранение дыма ${P M}_{2.5}$ . (B и C) Годовое число предотвращенных преждевременных смертей среди населения США в возрасте 65+ лет для каждой стратегии управления, рассчитанное путем объединения ${P M}_{2.5}$ распределений в A с опубликованными долгосрочными ${P M}_{2.5}$ Функции воздействия-отклика, изображенные на C (29, 31, 32).

Стратегии управления лесными пожарами

Большая потенциальная польза для здоровья от уменьшения дыма также поднимает ключевые вопросы о стратегиях борьбы с лесными пожарами. Например, существующие данные не обеспечивают всестороннего понимания того, как данное предписанное вмешательство в сжигание изменит время, количество и пространственное распределение дыма, и мы обнаруживаем, что альтернативные оценки эффективности предписанного сжигания в уменьшении последующих размеров лесных пожаров (33) может привести к более чем двукратным различиям в оценках пользы для здоровья от назначенных ожогов (Рис 3). Аналогичным образом, текущие усилия по тушению пожаров, по понятным причинам, сосредоточены на защите домов и строений, но общее воздействие на здоровье населения сильно загрязняющего лесного пожара, который не угрожает строениям, может быть намного хуже, чем воздействие небольшого пожара, который действительно угрожает строениям. Кроме того, деятельность по управлению топливом нацелена на защиту местных сообществ и выгоды для экосистем и не учитывает вероятные воздействия лесных пожаров на большие группы населения ниже по течению. Необходима дополнительная количественная работа, чтобы помочь сориентироваться в этих трудных компромиссах.

Третий ключевой вопрос заключается в том, не зависит ли от источника ${P M}_{2.5}$ -здравоохранение – ответные меры подходят для оценки воздействия на здоровье конкретных пожаров и дыма. Хотя это часто предполагается, существующая литература неоднозначна относительно того, оказывает ли воздействие дыма лесных пожаров иное воздействие на здоровье, чем воздействие других источников ${P M}_{2.5}$ (34), с некоторыми доказательствами того, что различия зависят от результата (35). Более совершенные научные исследования по этой теме, включая необходимые инвестиции в специальный мониторинг для выявления загрязняющих веществ, характерных для лесных пожаров, будут иметь решающее значение для понимания воздействия лесных пожаров.

В-четвертых, как взаимодействие изменения климата и риска лесных пожаров может формировать приоритеты политики? На потепление климата приходится примерно половина увеличения площади выгорания в Соединенных Штатах (4), а будущее изменение климата может привести к дополнительному удвоению выбросов твердых частиц, связанных с лесными пожарами, в пожароопасных районах (36) или многократное увеличение площади ожога (37, 38). Затраты от этого увеличения включают в себя как последующие экономические затраты, так и затраты на здоровье, связанные с воздействием дыма, а также затраты на мероприятия по подавлению, прямые потери жизни и имущества и другие меры адаптации (например, отключение электроэнергии), которые имеют широкомасштабные экономические последствия. В настоящее время неизвестно, увеличивает ли учет этих затрат, связанных с лесными пожарами, предполагаемый общий экономический ущерб от изменения климата.

Сколько это будет стоить?

Чтобы начать количественную оценку возможной стоимости увеличения лесных пожаров, вызванных изменением климата, мы используем нашу статистическую модель и стилизованные сценарии для расчета изменения воздействия дыма и результирующей смертности, связанной с прогнозируемым увеличением риска лесных пожаров. Использование прогнозируемого увеличения объема дыма в будущем в целом соответствует существующей литературе (36 ⇓–38), мы подсчитали, что увеличение смертности от дыма лесных пожаров, вызванного изменением климата, может приблизиться к прогнозируемому общему увеличению смертности, связанной с температурой, которая сама по себе является крупнейшей оценочной причиной экономического ущерба в Соединенных Штатах (39) (СИ Приложение). Необходимы более подробные исследования, чтобы уточнить эти оценки с точки зрения их масштабов, их географической специфичности и конкретных подгрупп населения, которые могут быть затронуты больше всего. Ключевой связанный с этим политический вопрос будет заключаться в том, следует ли и в какой степени изменять существующие исключения из Закона о чистом воздухе, предоставленные штатам в связи с воздействием на загрязнение дымом лесных пожаров, поскольку они подрывают результаты усилий, направленных на ${P M}_{2.5}$ от других источников загрязнения.

Какая связь между лесными пожарами и инфекциями Covid-19?

Наконец, лесные пожары сильно повлияли на пандемию COVID-19, и это требует дальнейшего изучения. COVID-19 в некоторой степени препятствовал способности правительства и частного сектора реагировать на риск лесных пожаров до, во время и после пожаров. Масштабы сезона лесных пожаров 2020 года во многих частях Запада, где засуха в сезон дождей 2019-2020 гг. Последовала за накоплением топлива во время относительно влажного сезона 2018-2019 годов, представляет собой особенно серьезные проблемы. Тренинги пожарных на лесных территориях откладывались или иногда отменялись, бригады осужденных пожарных были недоступны из-за досрочного освобождения из государственных тюрем, чтобы избежать вспышек COVID, многие виды обработки топлива не проводились зимой и весной, коммунальные предприятия столкнулись по крайней мере с некоторыми задержками в деятельности по снижению риска лесных пожаров а традиционные подходы к эвакуации при лесных пожарах оказались более сложными из-за снижения пропускной способности эвакуационных центров в результате требований социального дистанцирования. В настоящее время неизвестно, но вероятно, что исторический сезон пожаров и последующее воздействие дыма также ухудшили последствия для здоровья, связанные с COVID, поскольку первые данные свидетельствуют о том, что воздействие загрязнения воздуха увеличивает как количество случаев COVID, так и смертность в Соединенных Штатах (40, 41) (открытие согласуется с взаимосвязью между загрязнением окружающей среды и другими респираторными вирусными заболеваниями) (42, 43). Лучшее понимание причинно-следственных связей влияния загрязнения воздуха на исходы COVID, в том числе от лесных пожаров, является критически важным приоритетом исследований, и ученые представили рекомендации о том, как лучше всего изучить взаимосвязь загрязнения воздуха и COVID (44). Результаты этого исследования могут быть важны для руководства усилиями по тушению пожаров, ограниченных трудовыми и финансовыми ресурсами, и для разработки стратегий управления топливом по мере продолжения пандемии.

Найди больше информация об изменении климата.